一種微型旋轉直線行波壓電電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種微型旋轉直線行波壓電電機，屬于壓電精密致動技術領域。
【背景技術】
[0002]超聲電機是上世紀八十年代發展起來的一種具有全新概念的微特電機，它利用壓電材料的逆壓電效應，激發彈性體在超聲頻段產生微幅振動，并通過定、轉子之間的摩擦將其轉換為轉子(動子)的回轉(直線)運動，驅動負載。
[0003]超聲電機在近三十年的發展中，已經取得了豐碩成果。部分超聲電機已經在航空航天、武器、生物醫學、光學、機器人等領域應用并商業化，特別值得一提的是行波旋轉型超聲電機，由于其定位精度高，響應時間短，已經應用在Canon公司照相機上AF鏡頭上的聚焦。但是行波旋轉型超聲電機定子上加工有齒槽結構，結構較復雜，制作成本高，且只能實現一個自由度的旋轉運動。
【實用新型內容】
[0004]所要解決的技術問題:
[0005]本實用新型所要解決的問題是提出一種成本低、效率高、結構簡單、緊湊、易于微型化、響應時間短、定位精度高，能夠在微型場合下使用的微型旋轉直線行波壓電電機。
[0006]技術方案:
[0007]為了實現以上功能，本實用新型提供了一種微型旋轉直線行波壓電電機，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和兩片圓環形壓電陶瓷片3疊置而成，所述的圓形薄板2設置有一個中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了若干個通孔用于電機的固定安裝；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個扇形分區，所述圓形薄板2上下表面分別與圓環形壓電陶瓷片3的負極重合。
[0009]所述對圓環形壓電陶瓷片3上相鄰扇形分區的正極分別施加具有/2相位差的正弦交流電壓信號，激勵出圓形薄板2在空間上正交的兩個工作模態，所述兩個工作模態在定子中心螺紋孔耦合出繞中心軸旋轉的行波，行進的行波迫使螺紋孔微變形而壓緊絲桿1，由于摩擦作用驅動絲桿I轉動，同時由于螺紋連接，絲桿I繞軸線的轉動引起其沿軸線方向的直線運動；當施加在壓電陶瓷片3上的所有激勵電壓信號反向時，絲桿I的運動將反向。
[0010]當定子中心的螺紋孔處的行波沿周向行進的過程中，螺紋孔的振型傾斜繞絲桿I的軸線旋轉，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個通孔，所述通孔位于工作模態的節圓處，用于電機定子的固定安裝。
[0012]有益效果:
[0013]本實用新型的一種微型旋轉直線行波壓電電機不僅具有結構簡單、緊湊、易于微型化、制作成本低、效率高，適合在微型場合下實現高精度定位、快速響應，同時該電機還能夠輸出繞軸線的旋轉運動和沿軸線的直線運動。
【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明:
[0015]圖1是本實用新型提出的微型旋轉直線行波壓電電機的整體結構示意圖；
[0016]圖2是圓形薄板結構示意圖；
[0017]圖3是圓環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示意圖；
[0020]圖6是工作模態A的振型圖；
[0021 ] 圖7是工作模態B的振型圖；
[0022]其中:1-絲桿，2-圓形薄板，2.1-螺紋孔，3-圓環形壓電陶瓷片。
【具體實施方式】
[0023]本實用新型提供的微型旋轉直線行波壓電電機，為使本實用新型的目的，技術方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0024]本實用新型的一種微型旋轉直線行波壓電電機，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和兩片圓環形壓電陶瓷片3疊置而成，所述的圓形薄板2設置有一個中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了若干個通孔用于電機的固定安裝；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設置有一個中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了 8個通孔，所述通孔位于工作模態的節圓處，用于電機定子的固定安裝。如圖3所示，所述圓環形壓電陶瓷片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個扇形分區，所述圓形薄板2上下表面分別與圓環形壓電陶瓷片3的負極重合，并在圓環形壓電陶瓷片3表面上均勻分隔出4個扇形分區。如圖4所示為施加在所述的圓形薄板2上表面的圓環形壓電陶瓷片3的電壓激勵信號，其中，相鄰扇形分區施加具有π/2相位差的驅動信號。如圖5所示為施加在所述的圓形薄板2下表面的圓環形壓電陶瓷片3的電壓激勵信號，其中，相鄰扇形分區施加具有π/2相位差的驅動信號。
[0025]實施例1
[0026]工作模態A的激勵原理
[0027]當對圓形薄板2上表面的圓環形壓電陶瓷片3的扇形分區I施加Sin(Qt)的電壓激勵信號，扇形分區3施加-sin(on)的電壓激勵信號，同時對圓形薄板2下表面的圓環形壓電陶瓷片3的扇形分區I施加-sin(on)的電壓激勵信號，扇形分區3施加sin(on)的電壓激勵信號。如圖6所示，當正弦交流電壓信號的頻率接近與圓形薄板2的工作模態A(即圓形薄板2的B11模態，具有一個節圓和一個節徑)的頻率時，將激勵出圓形薄板2的工作模態A，此時，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的軸線有一個夾角Θ，圓形薄板外圓環處均布的8個通孔位于節圓處，由于沒有彈性變形，可用于電機定子的固定安裝。
[0028]工作模態B的激勵原理
[0029]當對圓形薄板2上表面的圓環形壓電陶瓷片3的扇形分區2施加COS(Ot)的電壓激勵信號，扇形分區4施加-cos (ω t)的電壓激勵信號，同時對圓形薄板2下表面的圓環形壓電陶瓷片3的扇形分區2施加-cos (ω t)的電壓激勵信號，扇形分區4施加cos (ω t)的電壓激勵信號。如圖7所示，當余弦交流電壓信號的頻率接近與圓形薄板2的工作模態B(即圓形薄板2的B11模態，具有一個節圓和一個節徑)的頻率時，將激勵出圓形薄板2的工作模態B，此時，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的軸線有一個夾角Θ，圓形薄板外圓環處均布的8個通孔位于節圓處，由于沒有彈性變形，可用于電機定子的固定安裝。
[0030]當同時激勵兩個模態時，由于所述的工作模態A與工作模態B在空間上具有/2相位差，同時由于施加在圓環形壓電陶瓷片3上的兩項交流電壓激勵信號在時間上具有
/2相位差，故上述兩個工作模態在定子中心的螺紋孔耦合出繞中心軸旋轉的行波，行進的行波迫使螺紋孔微變形而壓緊絲桿1，由于摩擦作用驅動絲桿I轉動，同時由于螺紋連接，絲桿I的繞軸線轉動引起其沿軸線的直線運動，因此，實現了電機的二自由度運動。若激勵電壓信號全部反向，絲桿I的旋轉-直線運動將反向。當定子中心的螺紋孔處的行波沿周向行進的過程中，螺紋孔的振型傾斜繞絲桿I的軸線旋轉，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，由于行波行進迫使螺紋孔產生微變形，導致孔的軸線與原來軸線產生夾角Θ，增大了螺紋與絲桿I配合的預壓力。
[0031]可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本實用新型所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種微型旋轉直線行波壓電電機，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)和兩片圓環形壓電陶瓷片(3)疊置而成，所述的圓形薄板(2)設置有一個中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了若干個通孔用于電機的固定安裝；所述絲桿(I)通過螺紋孔裝配在定子組件上。
2.根據權利要求1所述的微型旋轉直線行波壓電電機，其特征在于:所述圓環形壓電陶瓷片(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個扇形分區，所述圓形薄板(2)上下表面分別與圓環形壓電陶瓷片(3)的負極重合。
3.根據權利要求1所述的微型旋轉直線行波壓電電機，其特征在于:所述圓環形薄板(2)外圓周處均布8個通孔，所述通孔位于工作模態的節圓處，用于電機定子的固定安裝。
【專利摘要】本實用新型公開的微型旋轉直線行波壓電電機，包括定子組件和絲桿（1），所述定子組件由一片圓形薄板（2）和兩片圓環形壓電陶瓷片（3）疊置而成，所述圓形薄板（2）設置有一個中心螺紋孔，并且在外圓周處均布了若干個通孔用于電機的固定安裝；所述絲桿（1）通過螺紋孔裝配在定子組件上。通過對兩片圓環形壓電陶瓷片（3）上的相鄰扇形分區施加具有相位差的驅動信號，在圓形薄板（2）的螺紋孔處激勵出繞中心軸旋轉的行波，通過摩擦使驅動絲桿（1）轉動，由于螺紋連接，絲桿（1）的繞軸線轉動引起其沿軸線的直線運動；若激勵電壓信號全部反向，絲桿（1）的旋轉-直線運動將反向。該電機具有結構簡單、緊湊、易于微型化、定位精度高等優點。
【IPC分類】H02N2-12, H02N2-10
【公開號】CN204465382
【申請號】CN201420727132
【發明人】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, 達柳斯·馬澤卡
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2014年11月27日