圆管螺纹型压电驱动器的制作方法

本发明涉及压电驱动器、压电电机、压电应用技术领域，特别是指一种圆管螺纹型压电驱动器。

背景技术：

压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体产生超声频段的微幅振动，迫使接触面的质点产生类似椭圆轨迹运动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子的旋转或直线运动。压电驱动器具有结构形式多样、位置精度高、惯性小、低噪声运行、响应快、断电自锁、不产生磁场亦不受电磁干扰等优点。由于具有以上诸多优点，压电驱动器在工业自动化、航空航天、医疗、生物工程等领域得到了大量的应用，并发挥了巨大的作用。和其他的种类的压电驱动器相比，螺纹型直线压电驱动器是一种使用压电陶瓷弯曲变形和螺纹摩擦驱动相结合的方式产生直线位移的一种压电驱动器。由于其结构的特殊性，它具有自己的一些特点：①通过多组螺纹之间的摩擦力驱动；②直线速度低；③可达到亚微米级的步进运动；④精确的断电自锁性能；⑤便于实现小型化。

螺纹型压电驱动器的定子和动子之间的驱动表面是螺纹面，可以直接将动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。

现有技术的技术方案

美国newscale公司在2005年提出一种基于压电陶瓷和螺纹驱动技术的直线型驱动器。如图1所示，该驱动器由基体14、压电陶瓷片18/20/22/24、螺母16、螺杆12等主要部件组成，四片压电陶瓷片粘接在其基体上加工出来的四个平面上，螺母粘接在基体上，螺杆与螺母相互配合。该驱动器的工作原理，如图2所示，分别给压电陶瓷片加电，会使得 压电陶瓷与基体组成的整体产生一阶弯曲振动，该一阶弯曲振动会带动着螺母进行类似“呼啦圈”式的微幅摆动，该微幅摆动通过螺母和螺杆的螺纹之间的相互摩擦力驱动螺杆在螺母中旋转，从而将螺杆旋转的圆周运动转换为螺杆的直线运动，该直线运动会推动需要产生直线运动的机构进行直线运动。

现有技术的缺点：

1.现有技术中使用振子的一阶弯曲振动，一阶弯曲振动的共振频率较低，这直接导致一阶弯曲振动的输出功率小(功率正比于频率的平方和振幅)，最终的结果导致驱动器的输出功率较小，缩小了驱动器的应用范围；

2.一阶弯曲振动的振动节线位置难以确定，该类驱动器在使用时需要固定夹持，而不影响其工作的夹持位置是振动的节线位置。该结构中一阶弯曲振动的节线位置受到加工精度、装配精度、电信号精度等的影响较大，在实际应用时往往节线位置并不是设计的时候的节线位置，这直接导致驱动器的效率降低，严重时驱动器将无法工作，工作性能不稳定；

3.现有技术中的螺纹型压电驱动器在进行设计时，往往需要使用有限元的方法进行计算，验证设计的合理性，优化设计的尺寸。在进行有限元计算仿真时，由于结构因素，需要忽略掉如胶层、内应力、粘接均匀性等问题，导致分析结果与实际相差较大，增大了驱动器的装配误差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种驱动功率大、工作性能稳定、装配误差小、设计简便和利于小型化的圆管螺纹型压电驱动器。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种圆管螺纹型压电驱动器，包括定子和动子，所述定子的端部设置有螺母，所述动子为螺柱，所述螺柱穿设在所述定子中间并与所述螺母形成螺纹副连接，所述定子为圆管型压电陶瓷，其中：

所述圆管型压电陶瓷的外表面和内表面分别具有正电极和负电极，所述圆管型压电陶瓷的正电极沿轴向方向分为两部分，一部分沿所述圆管型 压电陶瓷的周向均分有第一至第四分区，另一部分沿所述圆管型压电陶瓷的周向均分有第五至第八分区，所述第一至第四分区与所述第五至第八分区位置一一对应。

进一步的，所述圆管型压电陶瓷的各分区的极化方向相同或者任意相邻两个分区的极化方向相反。

进一步的，所述第一分区和第七分区的正电极接入u＝acos(wt)电压信号，所述第三分区和第五分区的正电极接入u＝-acos(wt)电压信号，所述第二分区和第八分区的正电极接入u＝-asin(wt)电压信号，所述第四分区和第六分区的正电极接入u＝asin(wt)电压信号。

进一步的，所述圆管型压电陶瓷为单层圆管型压电陶瓷或者多层圆管型压电陶瓷。

进一步的，所述圆管型压电陶瓷采用一体化成形的工艺加工制成。

进一步的，所述螺母和螺柱的螺纹牙型为三角形螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹、圆弧螺纹。

进一步的，所述圆管型压电陶瓷的两端均设置有一个螺母。

进一步的，所述螺母通过环氧树脂胶粘接在所述圆管型压电陶瓷的端部。

进一步的，所述螺母为凸字型。

进一步的，所述螺柱的两端设置有半球形的触头。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，提出一种采用两个正交的二阶弯振模态进行耦合的圆管螺纹型压电驱动器，与现有技术中采用两个正交的一阶弯振模态进行耦合的驱动器相比，驱动器的定子在单位时间内的振动频率提高，从而提高了驱动器的驱动功率；

并且，本发明采用八分区径向极化的圆管型压电陶瓷对驱动器进行驱动，使圆管型压电陶瓷的节线位置在圆管型压电陶瓷轴向的中部，这样，节线位置不受装配精度的影响，在实际应用时，对驱动器的装夹非常方便易行，不容易对驱动器的振动产生影响，使得驱动器的工作性能稳定；

同时，本发明中定子为圆管型压电陶瓷，结构设计简单，由于圆管型压电陶瓷的结构特点，需要忽略的因素较少，分析的结果和实际情况一致性会比较好，减小了装配误差。另外，本发明的驱动器由于不涉及模态简并问题，在理论上很容易实现驱动器的进一步小型化。

综上，与现有技术相比，本发明具有驱动功率大、工作性能稳定、装配误差小、设计简便和利于小型化的特点。

附图说明

图1为现有技术中的螺纹驱动器的结构示意图；

图2为现有技术中的螺纹驱动器的工作原理示意图；

图3为本发明的圆管螺纹型压电驱动器的立体图；

图4为本发明的圆管螺纹型压电驱动器的截面视图；

图5为本发明的圆管螺纹型压电驱动器的加电方式；

图6为本发明的圆管螺纹型压电驱动器的加电方式中对应的电信号曲线；

图7为本发明的圆管螺纹型压电驱动器沿52向视图的变形示意图；

图8为本发明的圆管螺纹型压电驱动器沿51向视图的变形示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种圆管螺纹型压电驱动器，如图3所示，包括定子和动子，定子的端部设置有螺母2，动子为螺柱3，螺柱3穿设在定子中间并与螺母2形成螺纹副连接，定子为圆管型压电陶瓷1，其中：

圆管型压电陶瓷1的外表面和内表面分别具有正电极和负电极，圆管型压电陶瓷1的正电极沿轴向方向分为两部分，一部分沿圆管型压电陶瓷1的周向均分有第一至第四分区，另一部分沿圆管型压电陶瓷1的周向均分有第五至第八分区，第一至第四分区与第五至第八分区位置一一对应。

本发明中，提出一种采用两个正交的二阶弯振模态进行耦合的圆管螺纹型压电驱动器，与现有技术中采用两个正交的一阶弯振模态进行耦合的驱动器相比，驱动器的定子在单位时间内的振动频率提高，从而提高了驱动器的驱动功率；

并且，本发明采用八分区径向极化的圆管型压电陶瓷1对驱动器进行驱动，使圆管型压电陶瓷1的节线位置在圆管型压电陶瓷1轴向的中部，这样，节线位置不受装配精度的影响，在实际应用时，对驱动器的装夹非常方便易行，不容易对驱动器的振动产生影响，使得驱动器的工作性能稳定；

同时，本发明中定子为圆管型压电陶瓷1，结构设计简单，由于圆管型压电陶瓷1的结构特点，需要忽略的因素较少，分析的结果和实际情况一致性会比较好，减小了装配误差。另外，本发明的驱动器由于不涉及模态简并问题，在理论上很容易实现驱动器的进一步小型化。

综上，与现有技术相比，本发明具有驱动功率大、工作性能稳定、装配误差小、设计简便和利于小型化的特点。

作为本发明的一种改进，圆管型压电陶瓷1的各分区的极化方向相同或者任意相邻两个分区的极化方向相反。本发明中，无论采用这两种极化方向的哪一种，均可以根据各分区的极化方向施加相应的电压信号，以保证压电陶瓷的两个底面形成椭圆运动，从而驱动螺柱3产生旋转运动。

作为本发明的另一种改进，第一分区和第七分区的正电极接入u＝acos(wt)电压信号，第三分区和第五分区的正电极接入u＝-acos(wt)电压信号，第二分区和第八分区的正电极接入u＝-asin(wt)电压信号，第四分区和第六分区的正电极接入u＝asin(wt)电压信号，其中，上述电压信号中的a为振幅，w为角频率。本发明的各分区的正电极不仅限于接入上述的正弦电压信号，还可以接入相应的锯齿波形电压信号，或者本领域技术人员公知的其它电压信号也能够实现本发明的技术效果，其中，施加电压信号的频率接近圆管型压电陶瓷1和螺母2装配后的二阶弯振模态频率。

本发明中，圆管型压电陶瓷1为可以为单层圆管型压电陶瓷1或者多 层圆管型压电陶瓷1。其中，单层圆管型压电陶瓷1具有制作简单、制造周期短的特点；而多层圆管型压电陶瓷1具有低压驱动性、大扭矩输出的特点。两种圆管型压电陶瓷1均适用于本发明的圆管螺纹型压电驱动器。

为了简化圆管螺纹型压电驱动器的安装流程，并且进一步减少装配误差，圆管型压电陶瓷1可以采用一体化成形的工艺加工制成。

具体的，螺母2和螺柱3的螺纹牙型可以为三角形螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹或圆弧螺纹，还可以采用本领域技术人员公知的其它螺纹牙型。

作为本发明的一种改进，如图1所示，圆管型压电陶瓷1的两端均可以设置有一个螺母2。本发明中，圆管型压电陶瓷1两端的螺母2能够同时与螺柱3产生摩擦，进而提高对螺柱3的驱动力。

为了提高螺母2与圆管型压电陶瓷1连接的牢固性，螺母2可以通过环氧树脂胶粘接在圆管型压电陶瓷1的端部。

优选的，如图4所示，螺母2可以为凸字型。增大了螺母2与螺柱3的摩擦接触面，从而提高了圆管型压电陶瓷1对螺柱3驱动的稳定性。

本发明中，如图3-4所示，螺柱3的两端可以设置有半球形的触头。该触头用于与需要驱动器进行驱动的部分接触。在实际使用时，螺柱3的触头一般会与外部的一个动子接触，该动子会给螺柱3施加一定大小的沿着螺柱3的轴向的预载荷，而圆管螺纹型压电驱动器会推动着动子进行直线运动。

下面，本发明结合附图提供一个完整的实施例：

圆管螺纹型压电驱动器的结构，如图3所示，包括八分区径向极化圆管型压电陶瓷1，螺母2，螺柱3。八分区径向极化的圆管型压电陶瓷1通过环氧树脂胶与两个相同的螺母2粘接在一起，螺柱3与螺母2形成螺纹副连接。

圆管螺纹型压电驱动器的截面结构，如图4所示，螺母2设计成凸字型，螺柱3的两端加工有半球形的触头，该触头用于与需要驱动器进行驱动的部分接触。

圆管螺纹型压电驱动器的圆管型压电陶瓷1为八分区径向极化的圆管 型压电陶瓷1，即：①圆管型压电陶瓷1采用一体化成形的工艺加工成为一体化圆管；②在圆管型压电陶瓷1的外圆周上均布着8个相同的高温银电极区，这八个银电极区将圆管型压电陶瓷1分成8块；③在圆管型压电陶瓷1的内圆周上刷有一个完整的电极；④该圆管型压电陶瓷1的极化方向为圆管型压电陶瓷1的径向。

圆管螺纹型压电驱动器的螺母2和螺柱3的螺纹牙型可以是三角形螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹或圆弧螺纹中的任一种。

上述实施例的圆管螺纹型压电驱动器的工作原理：

按照图5所示的加电方式对圆管型压电陶瓷1施加电压信号，其中41、42、43、44分别代表四种电压信号，其波形如图6所示，即分别为u＝acos(ωt)、u＝-acos(ωt)、u＝-asin(ωt)、u＝asin(ωt)。其中，外电极分区14和16与电压信号41相连，外电极分区12和18与电压信号42相连，外电极分区13和15与电压信号43相连，外电极分区11和17与电压信号44相连。在图4所示的电压曲线的零时刻，即t＝0时，八分区径向极化的圆管型压电陶瓷1变形如图7所示，图7为圆管型压电陶瓷1从52方向看去的视图，外电极区12、18所在的压电陶瓷产生收缩变形，外电极区14、16所在的压电陶瓷产生伸长变形，最终，圆管型压电陶瓷1产生如图7所示的变形，当驱动电压信号频率接近圆管型压电陶瓷1的二阶弯振模态频率时，圆管型压电陶瓷1激发出一个方向的二阶弯振模态；在图6所示的电压曲线的t＝t/4时刻，八分区径向极化的圆管型压电陶瓷1变形如图8所示，图8为圆管型压电陶瓷1从51方向看去的视图，外电极区13、15所在的压电陶瓷产生收缩变形，外电极区11、17所在的压电陶瓷产生伸长变形，最终圆管型压电陶瓷1产生如图8所示的变形，当驱动电压信号频率接近圆管型压电陶瓷1的二阶弯振模态频率时，圆管型压电陶瓷激1发出另一个方向的二阶弯振模态；这两个二阶弯振模态振型在空间上相互垂直，上述的两个特征频率相等，由于图7和图8所示的两个二阶弯振模态的激励电压在相位上相差90度，即1/4周期，所以当同时按照图6所示的电压信号曲线施加电压信号后，在圆管型压电陶瓷1的两个底面会形成椭圆运动，例如在图7和图8所示的61和62两个点，在这两 个点上会形成两个相位差为90度的椭圆振动轨迹，这个椭圆振动轨迹同样也会在螺母2的螺纹上形成。螺母2上的螺纹与螺柱3上的螺纹相互接触，在螺母2的螺纹上形成椭圆振动轨迹后，会与螺柱3上的螺纹产生摩擦，产生的摩擦力驱动螺柱产生旋转，因此在螺柱3的两端的触头处形成沿着螺柱3的轴向的宏观上的直线运动。在实际使用时，螺柱3的触头一般会与一个动子相接触，该动子会给螺柱3施加一定大小的沿着螺柱3的轴向的预载荷，而螺纹驱动器会推动着动子进行直线运动。

上述，具体实施例带来如下有益效果：

1.驱动功率大：本发明中提出一种基于类悬臂梁的两个正交的二阶弯振模态进行耦合的螺纹型压电驱动器，与现有技术中采用两个正交的一阶弯振模态进行耦合的驱动器相比，驱动器的定子在单位时间内的振动频率提高，从而提高了驱动器的驱动功率；

2.工作性能稳定：本发明中提出一种八分区径向极化压电陶瓷圆管型螺纹驱动器，该驱动器的节线位置在压电陶瓷圆管轴向的中部，且节线位置不受装配精度的影响，在实际应用时，对驱动器的装夹非常方便易行，不容易对驱动器的振动产生影响，使得驱动器的工作性能稳定；

3.装配误差小、简化设计和利于小型化：现有技术的螺纹型压电驱动器在进行设计时，往往需要使用有限元的方法进行计算，验证设计的合理性，优化设计的尺寸。在进行有限元计算仿真时，由于结构因素，需要忽略掉如胶层、内应力、粘接均匀性等问题，导致分析结果与实际相差较大。本发明中定子为圆管型压电陶瓷，结构设计简单，由于圆管型压电陶瓷的结构特点，需要忽略的因素较少，分析的结果和实际情况一致性会比较好，减小了装配误差。另外，本发明的驱动器由于不涉及模态简并问题，在理论上很容易实现驱动器的进一步小型化。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。