一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的制作方法

本实用新型涉及一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构，属于微纳驱动技术领域。

背景技术：

利用定子弯曲振动模态的螺纹副驱动型旋转-直线超声电机是诸多类型超声电机中的一种，相对于其它类型的超声电机，该类超声电机的定子与输出轴通过螺纹副传动，通过激发定子空间上相互正交的两个弯曲振动模态，利用振动的耦合与叠加，在定子驱动端的内表面产生驱动行波，它能够较容易的实现螺纹输出轴旋转-直线自由度运动的输出。它与圆盘行波类型的超声电机相比，具有结构简单、易于微型化及定位精度高的特点。基于螺纹副传动的螺纹副驱动型超声电机根据超声电机定子结构与激振模式的不同可分为以下几种：定子为多面体结构的利用面内弯曲振动模态耦合驱动行波的螺纹驱动多面体超声电机，利用环状超薄结构定子面内弯曲振动模态驻波驱动的螺纹副驱动型超声电机，这几种电机的定子多采用多面体或圆环状结构，通过激发定子的面内振动模态实现电机输出部件的旋转-直线运动。

随着螺纹副驱动型超声电机的不断发展，一种定子采用悬臂梁结构的一端固支的压电复合弯曲梁螺纹副驱动型直线电机也被大量的研究学者研究，该类电机主要是利用柱状悬臂梁结构定子的空间正交弯曲振动模态的耦合产生驱动行波，实现输出轴的运动输出；另一种具有代表意义的螺纹驱动型柱状旋转-直线超声电机主要有定子为粘贴压电片的金属管式与压电管式两种类型的超声波导螺杆电动机，该超声波导螺杆电动机主要是利用两端自由约束的柱体定子空间上正交的两个一阶弯曲振动相互耦合，在定子自由端的内表面产生驱动行波，定子与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转-直线运动输出；上述螺纹副驱动型超声电机定子所用的压电元件多采用d₃₁振动模式，利用该种振动模式使得电机在微型化制造方面存在一定的优势。综上所述，当前研究学者针对螺纹副驱动型超声电机所做的研究工作主要是集中在电机本体性能的提升，但在螺纹副驱动型超声电机的封装设计方面却鲜有报道，这使得螺纹副驱动型超声电机在精密驱动技术领域应用过程中严重的缺乏可靠性、安全性与实用性，这一定程度上限制了螺纹副驱动型超声电机在光学精密仪器、航空航天、数码产品、智能机器人以及医疗器械等微纳驱动技术领域中的进一步发展与应用。

技术实现要素：

为了解决螺纹副驱动型超声电机因未进行封装设计而导致其在微驱动技术领域应用过程中缺乏可靠性、安全性与实用性等问题，本实用新型公开了一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构包括限位端盖、定子、封装套筒、锁紧螺钉和转子输出轴；所述限位端盖与封装套筒螺纹连接，封装套筒通过锁紧螺钉与定子连接，定子与转子输出轴螺纹连接；所述限位端盖设置有封装外螺纹、导线孔和限位板；所述定子设置有限位锥形孔、压电陶瓷片激励组一、压电陶瓷片激励组二、螺母弹性体和定子内螺纹孔；所述封装套筒设置有套筒定位棱面、套筒阶梯面、套筒棱面螺孔、套筒内螺纹和套筒连通孔；所述转子输出轴设置有转子输出轴外螺纹和运动转换器；所述封装外螺纹通过套筒内螺纹与封装套筒螺纹连接，导线孔用于压电陶瓷片激励组一和压电陶瓷片激励组二的通电导线引出，限位端盖通过限位板限位；所述限位锥形孔通过锁紧螺钉与封装套筒固定，压电陶瓷片激励组一和压电陶瓷片激励组二分别与螺母弹性体胶粘固定。所述压电陶瓷片激励组一和压电陶瓷片激励组二分别由4片压电元件构成，所述定子内螺纹孔通过转子输出轴外螺纹与转子输出轴螺纹连接；所述套筒定位棱面与外围装置连接固定，套筒阶梯面用于与外围装置连接时限位，套筒棱面螺孔通过锁紧螺钉与定子连接，套筒内螺纹通过封装外螺纹与限位端盖螺纹连接，套筒连通孔用于实现转子输出轴的运动输出；所述转子输出轴外螺纹与通过定子内螺纹孔与定子螺纹连接，所述运动转换器可将旋转-直线运动转化直线运动。

所述定子长度与截面边长的比值取值范围为3~5；所述转子输出轴的长度与定子的长度比值满足的取值范围为1.5~2.5；所述封装套筒的长度与封装套筒的截面边长比值满足的取值范围为2~5；所述锁紧螺钉的直径与转子输出轴的直径比满足的取值范围为0.2~0.5。

本实用新型的有益效果：本实用新型公开了一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构。通过对螺纹副驱动型超声电机的封装，很好的解决了螺纹副驱动型超声电机在应用过程中存在的可靠性、安全性与实用性差等问题。同时，由于该压电螺纹驱动组件具有定位精度高、响应速度快、环境适用能力强等技术优势，在航空航天、数码产品、智能机器人以及医疗器械等微纳驱动技术领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1所示为本实用新型提出的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的爆炸视图；

图2所示为本实用新型提出的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的整装结构示意图；

图3所示为本实用新型提出的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的限位端盖结构示意图；

图4所示为本实用新型提出的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的定子结构示意图；

图5所示为本实用新型提出的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的定子结构沿轴向的剖视图，图中压电元件分成两组，螺母弹性体的横截面外轮廓呈正方形；图中的“+”号和“－”号表示压电元件的极化方向；

图6所示为本实用新型提出的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的封装套筒结构示意图；

图7所示为本实用新型提出的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的封装套筒结构侧视图；

图8所示为本实用新型提出的一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的转子输出轴结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图8说明本实施方式。本实施方式提供了一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的具体实施方案。所述一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构由限位端盖1、定子2、封装套筒3、锁紧螺钉4和转子输出轴5组成。所述限位端盖1与封装套筒3螺纹连接，封装套筒3通过锁紧螺钉4与定子2连接，定子2与转子输出轴5螺纹连接。

所述限位端盖1设置有封装外螺纹1-1、导线孔1-2和限位板1-3；所述定子2设置有限位锥形孔2-1、压电陶瓷片激励组一 2-2-1、压电陶瓷片激励组二 2-2-2、螺母弹性体2-3和定子内螺纹孔2-4；所述封装套筒3设置有套筒定位棱面3-1、套筒阶梯面3-2、套筒棱面螺孔3-3、套筒内螺纹3-4和套筒连通孔3-5；所述转子输出轴5设置有转子输出轴外螺纹5-1和运动转换器5-2。

所述封装外螺纹1-1通过套筒内螺纹3-4与封装套筒3螺纹连接，导线孔1-2用于压电陶瓷片激励组一2-2-1和压电陶瓷片激励组二2-2-2的通电导线引出，限位端盖1通过限位板1-3限位；所述限位锥形孔2-1通过锁紧螺钉4与封装套筒3固定，压电陶瓷片激励组一 2-2-1和压电陶瓷片激励组二 2-2-2分别与螺母弹性体2-3胶粘固定，所述压电陶瓷片激励组一 2-2-1和压电陶瓷片激励组二 2-2-2分别由4片压电元件构成，所述定子内螺纹孔2-4通过转子输出轴外螺纹5-1与转子输出轴5螺纹连接；所述套筒定位棱面3-1与外围装置连接固定，套筒阶梯面3-2用于与外围装置连接时限位，套筒棱面螺孔3-3通过锁紧螺钉4与定子2螺纹连接，套筒内螺纹3-4通过封装外螺纹1-1与限位端盖1螺纹连接，套筒连通孔3-5用于实现转子输出轴5的运动输出；所述转子输出轴外螺纹5-1通过定子内螺纹孔2-4与定子2螺纹连接，所述运动转换器5-2可将旋转-直线运动转化为直线运动。

所述定子2长度与定子2截面的边长比值K满足的取值范围为3~5；本具体实施方式中K的取值为3，所述定子2的外围尺寸为25 mm×25 mm×75 mm。所述转子输出轴5的长度与定子2的长度比值E满足的取值范围为1.5~2.5；本具体实施方式中E的取值为1.5。所述封装套筒3的长度与封装套筒3的截面边长比值F满足的取值范围为2~5；本具体实施方式中F的取值为3，所述封装套筒3的外围尺寸为40 mm×40 mm×120 mm。所述锁紧螺钉4的直径与转子输出轴5的直径比H满足的取值范围为0.2~0.5，本具体实施方式中H的取值为0.3。

所述一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构的激励方式如下所示。所述的压电陶瓷片激励组一2-2-1和压电陶瓷片激励组二2-2-2分别放置于螺母弹性体2-3的二阶弯曲振动的两个振幅的中心波幅处，定子2可通过锁紧螺钉4在振动节点处固定。该压电螺纹驱动组件使用时具体的通电方式为：压电陶瓷片激励组一2-2-1中两片相对设置的一对压电元件通交流电信号为sinωt，ω为交流电信号的频率，t为时间；压电陶瓷片激励组一2-2-1中另外一对压电元件通交流电信号为sin(ωt+φ)，φ为相位差；压电陶瓷片激励组二2-2-2中与压电陶瓷片激励组一2-2-1中一对压电元件相应的那对压电元件通交流电信号为-sinωt，压电陶瓷片激励组二2-2-2中与压电陶瓷片激励组一2-2-1中另外一对压电元件相应的那对压电元件通交流电信号为-sin(ωt+φ)；螺母弹性体2-3的外表面接地。其中，交流电信号的频率ω一般应与该定子二阶弯曲振动共振频率相吻合或相近，由此达到激发定子2空间相互正交的二阶弯曲振动模态的效果，相位差一般为90°或27°，利用振动耦合在定子2的两个自由端的内表面耦合产生驱动行波，在轴向负载力的作用下经由螺纹副实现转子输出轴5的一个方向的旋转-直线运动输出；当相位差由90°变为270°时，可使转子输出轴5产生相反方向的旋转-直线运动输出。

综上所述，本实用新型公开了一种柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构。较好的解决了螺纹副驱动型超声电机在实际应用过程中存在的可靠性、安全性与实用性差等问题。同时，该柱状结构的微纳精密压电螺纹驱动机构具有定位精度高、响应速度快、环境适用能力强等技术优势，在光学精密仪器、航空航天、数码产品、智能机器人以及医疗器械等精密驱动技术领域具有广泛的应用前景。