专利名称：螺纹式直线超声电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波应用装置技术领域，具体是一种螺纹式直线超声电机。
背景技术：
超声电机是一种压电电机，其利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声电机定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子(动子)及预压力机构等组成。与传统电磁电机相比，超声波电机具有许多特点和优点，比如结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化；低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动；电机响应速度快，并且能实现断电自锁；位置和速度控制性好，位移分辨率高；超声波电机是通过振动摩擦进行能量转换的，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强；安静无噪声，超声波电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行；设计灵活，结构形式多样化。螺纹超声电机定子和转子之间的驱动表面是螺纹面，可以直接将转子的旋转运动转化为直线运动，且将传统螺纹传动中需要克服的沿螺纹线的摩擦力变为驱动力，具有力放大作用，并提高了系统的效率。螺纹超声电机已出现了两种类型，一种是摇头型棒状螺纹超声电机，由DavidHanderson等人在美国专利US 7170214 B2中提出来，其在一个压电陶瓷金属复合管定子的两端构造螺纹驱动端，使得螺纹驱动端的内螺纹与转子轴上的外螺纹配合，两路激励信号在压电陶瓷金属复合管上激励出摇头运动，驱动端驱动螺纹转子旋转，并将旋转转化转子的直线运动。定子整体结构较长。另一种类型是薄型面内行波螺纹电机，周铁英等人在中国专利200510114849(美国专利US 7902723 B2)中提出了一种采用螺母形状的压电陶瓷金属复合定子驱动的螺纹电机。低速大力矩是微型超声电机的一个重要发展方向。目前存在的螺纹电机方案，电机在驱动时，定、转子的接触为点接触或线接触，出力不是很大。因此，仍旧需要发展新型原理的螺纹超声电机以满足狭小空间里的相对较大的驱动力的需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种螺纹式直线超声电机。本发明是通过以下技术方案实现的。一种螺纹式直线超声电机，包括定子和转子，其中，所述定子包括定子基体和粘贴在定子基体上的纵振压电片和扭振压电片，所述定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，所述纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；所述转子贯穿于定子，并通过转子的外螺纹与定子上的两个螺纹驱动端的内螺纹相配合；所述纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，使得定子螺纹驱动端上的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转，并将旋转运动转化为直线运动。
所述定子通过纵振压电片和扭振压电片形成一阶纵振和二阶扭振的复合振动模态作为工作模态，所述一阶纵振模态和二阶扭振模态频率接近，用同一频率激励信号对电机进行激励，从而在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。所述扭振压电片，其上表面电极分成左右两部分，下表面被完整电极，且与定子基体粘接在一起，扭振压电片左右两部分极化方向相反，施加相同的交变激励信号，贴在定子基体的两侧，单片使用时，在压电片上激励二阶弯曲变形，成对使用时则将扭振压电片的弯曲变形转化为定子基体的二阶扭转变形。所述纵振压电片，沿厚度方向极化，其上、下表面被完整电极，且与定子基体粘接在一起，贴在定子基体的两侧，成对使用时，施加相同的交变激励信号，从而在定子基体上激励出一阶纵振变形。所述转子的外螺纹牙型为三角形、梯形、矩形或圆弧形。所述定子和/或转子上设有摩擦副。所述纵振压电片和扭振压电片为压电陶瓷材料或压电单晶。本发明提供的螺纹式直线超声电机，将常规直线驱动方案中原本需要克服的螺纹间的摩擦力变成了驱动力，并将转子的旋转运动转化为直线运动；定子采用贴片式结构，工艺简单、易于微型化；由于定、转子之间的接触为面接触，能提供更大的驱动力，并能实现调速和双向驱动，具有成本低、精度高(微米甚至纳米精度)、制作简单等优点。该方案的显著效果是克服了常规纵扭驱动模式中，扭振压电片难于微型化的困难，利于微型化，并能在狭小空间里提供稳定的相对较大的力矩输出。
图1为纵向振动陶瓷片及其变型示意图，其中，(a)为极化方向图，(b)为变形图，图中，11为纵振压电片，12、13为电极面，14为极化方向，15为电场方向；图2为二分区扭转振动陶瓷片及其变型示意图，(a)图为分区和极化方向图，(b)图为变形图，图中，21为扭振压电片，22、23、24为电极面，25、26为极化方向，27、28为电场方向；图3为定子的结构示意图，图中，31为定子基体，32为螺纹驱动端，33为内螺纹；图4为定子的二阶扭转振动模态示意图；图5为定子的一阶纵向振动模态示意图；图6为该电机的结构示意图，图中，61为转子，62为转子上的外螺纹。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本实施例包括定子和转子，其中，定子包括定子基体31和粘贴在其上的纵振压电片11和扭振压电片21，定子基体31为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片11和扭振压电片21，纵振压电片11和扭振压电片21均对称安装，成对使用；转子61贯穿于定子，并通过转子的外螺纹62与定子上的两个螺纹驱动端32的内螺纹33相配合；纵振压电片11和扭振压电片21在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，使得定子螺纹驱动端32上的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子61旋转，并将旋转运动转化为直线运动。定子通过纵振压电片11和扭振压电片21的激励，形成一阶纵振和二阶扭振的复合振动模态作为工作模态，一阶纵振模态和二阶扭振模态频率接近，用同一频率对电机进行激励，从而在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。扭振压电片21的上表面电极分成左右两部分，下表面为完整电极，且与定子基体31粘接在一起，扭振压电片21左右两部分极化方向相反，施加相同的交变激励信号，贴在定子基体31的两侧，单片使用时，在扭振压电片21上激励二阶弯曲变形，成对使用时则将扭振压电片21的弯曲变形转化为定子基体31的二阶扭转变形。纵振压电片11的上、下表面被完整电极，且与定子基体31粘接在一起，贴在定子基体31的两侧，成对使用时，施加相同的交变激励信号，从而在定子基体31上激励出一阶纵振变形。转子61的外螺纹62牙型为三角形、梯形、矩形或圆弧形。定子和/或转子61上设有摩擦副。纵振压电片11和扭振压电片21为压电陶瓷材料或压电单晶。具体为，定子包括两片纵振压电片11、两片扭振压电片21、定子基体31和两个螺纹驱动端32，两片纵振压电片11对称贴在定子基体31的两侧，用于激励定子的一阶纵向振动，两片扭振压电片21对称贴在定子基体31的两侧，用于激励定子的二阶扭转振动。两个螺纹驱动端32上有螺纹中心孔33。定子的一阶纵振模态频率和二阶扭转振动模态频率设计为相同，激励时，交变激励信号(正弦或者矩形波)在定子上激励出相位差尽量接近90度的纵向振动和扭转振动，但激励信号的相位差并不一定是90度。定子螺纹驱动端上质点的运动轨迹为椭圆。转子61贯穿于定子，其上开有外螺纹62，与定子上的螺纹驱动端32上的内螺纹33相配合。定子通过摩擦驱动转子61旋转，并将旋转运动转化为直线运动，实现高精度驱动。纵振压电片11沿着厚度方向14极化，上下表面12、13被电极，如图1所示。在上下电极12、13之间施加一个交变电场15时,会产生沿长度方向伸长或缩短的变形。扭振压电片21上表面22、24和下表面23被电极，如图2所示，其中上表面电极分成左部分24和右部分22。弯振压电陶瓷片21左右两边极化相反，左边极化方向25，右边26则方向相反。激励时，上表面22、24接相同的交变电压，下表面23接地，会在压电陶瓷上激励出如图2(b)所示的弯曲变形。该扭振压电片21贴在圆柱金属基体的两侧，电极面23与金属基体粘接在一起。成对使用后，弯曲变形将转化为定子的扭转变形。定子基体31为四面切边的中空圆柱体，在圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴压电片。定子基体31由铜或其他金属材料构成。在两片对称安装的纵振压电片11上施加交变激励信号，将在定子上激励出如图5所示的一阶纵向振动。在两片对称安装的扭振压电片21上施加交变激励信号，将在定子上激励出如图4所示的二阶扭转振动。若将定子的一阶纵振模态频率和二阶扭转模态振动频率设计为相同，用同一频率对电机进行激励，则可激励出定子的一阶纵振和二阶扭振的复合振动。纵、扭振动的相位差为90度，电机的性能最好。因此，应该调整两相激励信号的相位差，使得纵、扭振动的相位差尽量接近90度。两个螺纹驱动端32安装在定子基体的两端，螺纹驱动端中心孔为螺纹孔，有内螺纹线33。定子在相同频率的两相激励信号的作用下，形成纵扭复合振动，此时内螺纹33上的质点的运动轨迹为椭圆。转子贯穿于定子，其上开有外螺纹62，与定子上的螺纹驱动端32上的内螺纹33相配合。定子通过摩擦驱动转子61旋转，并将旋转运动转化为直线运动。定子上或转子上有摩擦材料，也可定子和转子上同时处理上摩擦材料，构成摩擦副。螺纹驱动端32的螺纹牙型可以是三角形螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹、圆弧螺纹中的任一种。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
权利要求
1.一种螺纹式直线超声电机，其特征在于，包括定子和转子，其中，所述定子包括定子基体和粘贴在定子基体上的纵振压电片和扭振压电片，所述定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，所述纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；所述转子贯穿于定子，并通过转子的外螺纹与定子上的两个螺纹驱动端的内螺纹相配合；所述纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，使得定子螺纹驱动端上的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转，并将旋转运动转化为直线运动。
2.根据权利要求1所述的螺纹式直线超声电机，其特征在于，所述定子通过纵振压电片和扭振压电片的激励，形成一阶纵振和二阶扭振的复合振动模态作为工作模态，所述一阶纵振模态和二阶扭振模态频率接近，用同一频率激励信号对电机进行激励，从而在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。
3.根据权利要求2所述的螺纹式直线超声电机，其特征在于，所述扭振压电片，其上表面电极分成左右两部分，下表面被完整电极，扭振压电片左右两部分极化方向相反，施加相同的交变激励信号，贴在定子基体的两侧，单片使用时，在扭振压电片上激励二阶弯曲变形，成对使用时则将扭振压电片的弯曲变形转化为定子基体的二阶扭转变形。
4.根据权利要求2所述的螺纹式直线超声电机，其特征在于，所述纵振压电片沿厚度方向极化，其上、下表面被完整电极，且与定子基体粘接在一起，贴在定子基体的两侧，成对使用时，施加相同的交变激励信号，从而在定子基体上激励出一阶纵振变形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的螺纹式直线超声电机，其特征在于，所述转子的外螺纹牙型为三角形、梯形、矩形或圆弧形。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的螺纹式直线超声电机，其特征在于，所述定子和 /或转子上设有摩擦副。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的螺纹式直线超声电机，其特征在于，所述纵振压电片和扭振压电片为压电陶瓷材料或压电单晶。
全文摘要
本发明公开了一种螺纹式直线超声电机，包括定子和转子，其中，所述定子包括定子基体和粘贴在其上的纵振压电片和扭振压电片，所述定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，所述纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；所述转子贯穿于定子，并通过转子的外螺纹与定子上的两个螺纹驱动端的内螺纹相配合；所述纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，使得定子螺纹驱动端上的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转，并将旋转运动转化为直线运动。本发明能够实现调速和双向驱动，并具有成本低、精度高、制作简单等优点，利于微型化和产业化。
文档编号H02N2/02GK103036472SQ20121049722
公开日2013年4月10日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者鹿存跃, 马艺馨, 王俊璞 申请人:上海交通大学