一種微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)，屬于壓電精密致動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲電機(jī)是上世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的一種具有全新概念的微特電機(jī)，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振動(dòng)，并通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)的回轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
[0003]超聲電機(jī)在近三十年的發(fā)展中，已經(jīng)取得了豐碩成果。部分超聲電機(jī)已經(jīng)在航空航天、武器、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用并商業(yè)化，特別值得一提的是行波旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，由于其定位精度高，響應(yīng)時(shí)間短，已經(jīng)應(yīng)用在Canon公司照相機(jī)上AF鏡頭上的聚焦。但是行波旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)定子上加工有齒槽結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制作成本高，且只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]所要解決的技術(shù)問題:
[0005]本實(shí)用新型所要解決的問題是提出一種成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于微型化、響應(yīng)時(shí)間短、定位精度高，能夠在微型場(chǎng)合下使用的微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)。
[0006]技術(shù)方案:
[0007]為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本實(shí)用新型提供了一種微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)，包括定子組件和絲桿1，其特征在于:所述的定子組件由一片圓形薄板2和兩片圓環(huán)形壓電陶瓷片3疊置而成，所述的圓形薄板2設(shè)置有一個(gè)中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了若干個(gè)通孔用于電機(jī)的固定安裝；所述絲桿I通過螺紋孔裝配在定子組件上。
[0008]所述圓環(huán)形壓電陶瓷片3分別粘貼在圓形薄板2的上下表面，其中心處均設(shè)有與中心螺紋孔同軸的中心通孔，絲桿I穿過中心通孔；該圓環(huán)形壓電陶瓷片3沿厚度方向極化，且其表面上的電極均勻分隔出4個(gè)扇形分區(qū)，所述圓形薄板2上下表面分別與圓環(huán)形壓電陶瓷片3的負(fù)極重合。
[0009]所述對(duì)圓環(huán)形壓電陶瓷片3上相鄰扇形分區(qū)的正極分別施加具有/2相位差的正弦交流電壓信號(hào)，激勵(lì)出圓形薄板2在空間上正交的兩個(gè)工作模態(tài)，所述兩個(gè)工作模態(tài)在定子中心螺紋孔耦合出繞中心軸旋轉(zhuǎn)的行波，行進(jìn)的行波迫使螺紋孔微變形而壓緊絲桿1，由于摩擦作用驅(qū)動(dòng)絲桿I轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于螺紋連接，絲桿I繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)引起其沿軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)施加在壓電陶瓷片3上的所有激勵(lì)電壓信號(hào)反向時(shí)，絲桿I的運(yùn)動(dòng)將反向。
[0010]當(dāng)定子中心的螺紋孔處的行波沿周向行進(jìn)的過程中，螺紋孔的振型傾斜繞絲桿I的軸線旋轉(zhuǎn)，且其軸線與所述的絲桿I的軸線的夾角Θ等于絲桿I的螺旋升角。
[0011]所述圓形薄板2外圓周處均布8個(gè)通孔，所述通孔位于工作模態(tài)的節(jié)圓處，用于電機(jī)定子的固定安裝。
[0012]有益效果:
[0013]本實(shí)用新型的一種微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于微型化、制作成本低、效率高，適合在微型場(chǎng)合下實(shí)現(xiàn)高精度定位、快速響應(yīng)，同時(shí)該電機(jī)還能夠輸出繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿軸線的直線運(yùn)動(dòng)。
【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明:
[0015]圖1是本實(shí)用新型提出的微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是圓形薄板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是圓環(huán)形壓電陶瓷片的極化方式和安裝示意圖；
[0018]圖4是施加在圓形薄板上表面的壓電陶瓷片正極的電壓信號(hào)示意圖；
[0019]圖5是施加在圓形薄板下表面的壓電陶瓷片正極的電壓信號(hào)示意圖；
[0020]圖6是工作模態(tài)A的振型圖；
[0021 ] 圖7是工作模態(tài)B的振型圖；
[0022]其中:1-絲桿，2-圓形薄板，2.1-螺紋孔，3-圓環(huán)形壓電陶瓷片。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本實(shí)用新型提供的微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)，為使本實(shí)用新型的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0024]本實(shí)用新型的一種微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)，如圖1所示，包括定子組件和絲桿1，所述的定子組件由一片圓形薄板2和兩片圓環(huán)形壓電陶瓷片3疊置而成，所述的圓形薄板2設(shè)置有一個(gè)中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了若干個(gè)通孔用于電機(jī)的固定安裝；所述絲桿I通過螺紋孔裝配在定子組件上。如圖2所示，所述的圓形薄板2設(shè)置有一個(gè)中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了 8個(gè)通孔，所述通孔位于工作模態(tài)的節(jié)圓處，用于電機(jī)定子的固定安裝。如圖3所示，所述圓環(huán)形壓電陶瓷片3分別粘貼在圓形薄板2的上下表面，其中心處均設(shè)有與中心螺紋孔同軸的中心通孔，絲桿I穿過中心通孔；該圓環(huán)形壓電陶瓷片3沿厚度方向極化，且其表面上的電極均勻分隔出4個(gè)扇形分區(qū)，所述圓形薄板2上下表面分別與圓環(huán)形壓電陶瓷片3的負(fù)極重合，并在圓環(huán)形壓電陶瓷片3表面上均勻分隔出4個(gè)扇形分區(qū)。如圖4所示為施加在所述的圓形薄板2上表面的圓環(huán)形壓電陶瓷片3的電壓激勵(lì)信號(hào)，其中，相鄰扇形分區(qū)施加具有π/2相位差的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖5所示為施加在所述的圓形薄板2下表面的圓環(huán)形壓電陶瓷片3的電壓激勵(lì)信號(hào)，其中，相鄰扇形分區(qū)施加具有π/2相位差的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0025]實(shí)施例1
[0026]工作模態(tài)A的激勵(lì)原理
[0027]當(dāng)對(duì)圓形薄板2上表面的圓環(huán)形壓電陶瓷片3的扇形分區(qū)I施加Sin(Qt)的電壓激勵(lì)信號(hào)，扇形分區(qū)3施加-sin(on)的電壓激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)對(duì)圓形薄板2下表面的圓環(huán)形壓電陶瓷片3的扇形分區(qū)I施加-sin(on)的電壓激勵(lì)信號(hào)，扇形分區(qū)3施加sin(on)的電壓激勵(lì)信號(hào)。如圖6所示，當(dāng)正弦交流電壓信號(hào)的頻率接近與圓形薄板2的工作模態(tài)A(即圓形薄板2的B11模態(tài)，具有一個(gè)節(jié)圓和一個(gè)節(jié)徑)的頻率時(shí)，將激勵(lì)出圓形薄板2的工作模態(tài)A，此時(shí)，圓形薄板2中心處的螺紋孔傾斜，即螺紋孔的軸線與所述的絲桿I的軸線有一個(gè)夾角Θ，圓形薄板外圓環(huán)處均布的8個(gè)通孔位于節(jié)圓處，由于沒有彈性變形，可用于電機(jī)定子的固定安裝。
[0028]工作模態(tài)B的激勵(lì)原理
[0029]當(dāng)對(duì)圓形薄板2上表面的圓環(huán)形壓電陶瓷片3的扇形分區(qū)2施加COS(Ot)的電壓激勵(lì)信號(hào)，扇形分區(qū)4施加-cos (ω t)的電壓激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)對(duì)圓形薄板2下表面的圓環(huán)形壓電陶瓷片3的扇形分區(qū)2施加-cos (ω t)的電壓激勵(lì)信號(hào)，扇形分區(qū)4施加cos (ω t)的電壓激勵(lì)信號(hào)。如圖7所示，當(dāng)余弦交流電壓信號(hào)的頻率接近與圓形薄板2的工作模態(tài)B(即圓形薄板2的B11模態(tài)，具有一個(gè)節(jié)圓和一個(gè)節(jié)徑)的頻率時(shí)，將激勵(lì)出圓形薄板2的工作模態(tài)B，此時(shí)，圓形薄板2中心處的螺紋孔傾斜，即螺紋孔的軸線與所述的絲桿I的軸線有一個(gè)夾角Θ，圓形薄板外圓環(huán)處均布的8個(gè)通孔位于節(jié)圓處，由于沒有彈性變形，可用于電機(jī)定子的固定安裝。
[0030]當(dāng)同時(shí)激勵(lì)兩個(gè)模態(tài)時(shí)，由于所述的工作模態(tài)A與工作模態(tài)B在空間上具有/2相位差，同時(shí)由于施加在圓環(huán)形壓電陶瓷片3上的兩項(xiàng)交流電壓激勵(lì)信號(hào)在時(shí)間上具有
/2相位差，故上述兩個(gè)工作模態(tài)在定子中心的螺紋孔耦合出繞中心軸旋轉(zhuǎn)的行波，行進(jìn)的行波迫使螺紋孔微變形而壓緊絲桿1，由于摩擦作用驅(qū)動(dòng)絲桿I轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于螺紋連接，絲桿I的繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)引起其沿軸線的直線運(yùn)動(dòng)，因此，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的二自由度運(yùn)動(dòng)。若激勵(lì)電壓信號(hào)全部反向，絲桿I的旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)將反向。當(dāng)定子中心的螺紋孔處的行波沿周向行進(jìn)的過程中，螺紋孔的振型傾斜繞絲桿I的軸線旋轉(zhuǎn)，且其軸線與所述的絲桿I的軸線的夾角Θ等于絲桿I的螺旋升角，同時(shí)，由于行波行進(jìn)迫使螺紋孔產(chǎn)生微變形，導(dǎo)致孔的軸線與原來軸線產(chǎn)生夾角Θ，增大了螺紋與絲桿I配合的預(yù)壓力。
[0031]可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其實(shí)用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)，包括定子組件和絲桿(I)，其特征在于:所述的定子組件由一片圓形薄板(2)和兩片圓環(huán)形壓電陶瓷片(3)疊置而成，所述的圓形薄板(2)設(shè)置有一個(gè)中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了若干個(gè)通孔用于電機(jī)的固定安裝；所述絲桿(I)通過螺紋孔裝配在定子組件上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)，其特征在于:所述圓環(huán)形壓電陶瓷片(3)分別粘貼在圓形薄板(2)的上下表面，其中心處均設(shè)有與中心螺紋孔同軸的中心通孔，絲桿(I)穿過中心通孔；該圓環(huán)形壓電陶瓷片(3)沿厚度方向極化，且其表面上的電極均勻分隔出4個(gè)扇形分區(qū)，所述圓形薄板(2)上下表面分別與圓環(huán)形壓電陶瓷片(3)的負(fù)極重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)，其特征在于:所述圓環(huán)形薄板(2)外圓周處均布8個(gè)通孔，所述通孔位于工作模態(tài)的節(jié)圓處，用于電機(jī)定子的固定安裝。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開的微型旋轉(zhuǎn)直線行波壓電電機(jī)，包括定子組件和絲桿（1），所述定子組件由一片圓形薄板（2）和兩片圓環(huán)形壓電陶瓷片（3）疊置而成，所述圓形薄板（2）設(shè)置有一個(gè)中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了若干個(gè)通孔用于電機(jī)的固定安裝；所述絲桿（1）通過螺紋孔裝配在定子組件上。通過對(duì)兩片圓環(huán)形壓電陶瓷片（3）上的相鄰扇形分區(qū)施加具有相位差的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在圓形薄板（2）的螺紋孔處激勵(lì)出繞中心軸旋轉(zhuǎn)的行波，通過摩擦使驅(qū)動(dòng)絲桿（1）轉(zhuǎn)動(dòng)，由于螺紋連接，絲桿（1）的繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)引起其沿軸線的直線運(yùn)動(dòng)；若激勵(lì)電壓信號(hào)全部反向，絲桿（1）的旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)將反向。該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于微型化、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H02N2-12, H02N2-10
【公開號(hào)】CN204465382
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201420727132
【發(fā)明人】楊穎 , 舒承有, 皮奧特爾·瓦西爾耶夫, 王亮, 王寅, 金家楣, 謝爾蓋·鮑羅廷, 達(dá)柳斯·馬澤卡
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2014年11月27日