專利名稱：模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直線型超聲電機(jī)，特別涉及一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型微電機(jī)，具有低速大轉(zhuǎn)矩、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、低噪聲、無(wú)電磁干擾、位置和速度控制性好等突出優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、精密儀器儀表、航空航天、汽車專用電器、智能機(jī)器人以及醫(yī)學(xué)儀器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。超聲電機(jī)按照所需激勵(lì)源可以分為兩大類一是通過(guò)雙相電源激勵(lì)產(chǎn)生定子所需的振動(dòng)，二是通過(guò)單相電源激勵(lì)獲得定子所需的振動(dòng)，模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲電機(jī)屬于第二類；按其實(shí)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換的方法又可以分為兩類一是通過(guò)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之間的耦合作用來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的模態(tài)。二是利用定子本體的結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的模態(tài)。模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)能夠直接輸出直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有更高的直線定位精度，與其他超聲電機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、僅需單相激勵(lì)的優(yōu)點(diǎn)。基于以上分析，本發(fā)明人試圖研發(fā)一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)， 本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題，是針對(duì)前述背景技術(shù)中的缺陷和不足，提供一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工、裝配、安裝和應(yīng)用，工作效率高，輸出精度高，應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明為解決以上技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案是
一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述定子包括支撐架、 縱振壓電陶瓷片組和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器，其中，支撐架中間設(shè)有用于固定電機(jī)的環(huán)片，縱振壓電陶瓷片組通過(guò)螺紋壓緊的方式固定在支撐架和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器之間；所述動(dòng)子是外圓柱面上加工有外螺紋的圓柱體，通過(guò)外螺紋和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器上的內(nèi)螺紋配合。上述縱振壓電陶瓷片組是縱振環(huán)形壓電疊堆或單向極化的環(huán)形縱振陶瓷片有序排列組成。采用上述方案后，本發(fā)明利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)，激出彈性體的縱向振動(dòng)， 由于彈性體上開有槽，將該縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，通過(guò)螺紋副的摩擦作用使動(dòng)子轉(zhuǎn)動(dòng)和縱向沿直線移動(dòng)，而研制成的直線型超聲電機(jī)。在前半周期，定子驅(qū)動(dòng)螺紋處于其縱向振動(dòng)平衡位置以上，定、動(dòng)子接觸，定子把它所具有的扭振速度，通過(guò)定、動(dòng)子螺紋副間的摩擦作用傳給轉(zhuǎn)子，使動(dòng)子也發(fā)生旋轉(zhuǎn)；后半周期，定子驅(qū)動(dòng)螺紋處于其縱向振動(dòng)平衡位置以下，定、動(dòng)子螺紋間脫離接觸，定子所具有的反向扭振速度傳不到動(dòng)子，動(dòng)子依靠它的慣性繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于螺紋副間的摩擦作用，動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)化為動(dòng)子縱向的直線運(yùn)動(dòng)。
3
該型電機(jī)與其它類型的縱扭復(fù)合型超聲電機(jī)最大的區(qū)別就是它不需要兩組壓電陶瓷來(lái)激勵(lì)電機(jī)的縱振模態(tài)和扭振模態(tài)，只需一組縱振陶瓷片(d33效應(yīng))激勵(lì)，即可通過(guò)模態(tài)轉(zhuǎn)換器的作用將縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。因而理論上這種電機(jī)不存在模態(tài)頻率一致性的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)角度來(lái)講大大地方便了電機(jī)的設(shè)計(jì)。實(shí)際上，縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲電機(jī)只有一個(gè)工作模態(tài)，即縱扭耦合模態(tài)，它的正反轉(zhuǎn)分別是在兩個(gè)不同頻率的縱扭耦合模態(tài)下進(jìn)行工作的。


圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)主視圖； 圖2是圖1的A-A剖視圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)主視圖； 圖4是圖3的B-B剖視圖； 圖5是本發(fā)明第一實(shí)施例的振型圖； 圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例的振型圖7是施加于壓電陶瓷組實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向和反向的電激勵(lì)信號(hào)； 圖8是本發(fā)明第一實(shí)施例的工作原理示意圖； 圖9是本發(fā)明第二實(shí)施例的工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，定子部分由支撐架、縱振壓電陶瓷片組和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器組成，所述支撐架中間環(huán)片用于固定電機(jī)，支撐架伸出有外表面加工有外螺紋的圓管，用于安裝縱振壓電陶瓷片組和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器；縱振壓電陶瓷片組采用環(huán)狀壓電陶瓷片，套裝在支撐架的伸出圓管上；縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器通過(guò)內(nèi)螺紋和支撐架伸出圓管的外螺紋連接，并為縱振壓電陶瓷片組提供預(yù)緊力， 其中支撐架、縱振壓電陶瓷片組及縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器形成一個(gè)夾心式蘭杰文振子結(jié)構(gòu)。所述動(dòng)子是外圓柱面上加工有外螺紋的圓柱體，通過(guò)外螺紋和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器上的內(nèi)螺紋配合。以下將結(jié)合具體實(shí)施結(jié)構(gòu)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖1和圖2所示，是本發(fā)明所提供的模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)的定子的第一實(shí)施結(jié)構(gòu)，包括支撐架1、縱振壓電陶瓷片組2和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3。所述縱振壓電陶瓷片組包括兩組，第一組包括縱振壓電陶瓷片2-1和縱振壓電陶瓷片2-2，第二組包括縱振壓電陶瓷片2-3和縱振壓電陶瓷片2-4 ；所述縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3 包括縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3-1和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3-2。上述兩組縱振壓電陶瓷片2-1、2-2和
2-3、2-4分組套裝在支撐架1的兩端伸出圓管上，形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。所述的縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器
3-1和3-2分別通過(guò)螺紋連接在所述支撐架1的兩端伸出圓管上，形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中的模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)的動(dòng)子 4，為加工有外螺紋的柱體，通過(guò)螺紋和上述的縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3-1、3-2配合。所述縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3-1、3_2是圓形管，其管壁上開有陣列矩形槽或者陣列圓孔等具有縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換功能的結(jié)構(gòu)，且圓形管的內(nèi)部一端加工有內(nèi)螺紋。
所述縱振壓電陶瓷片2-1、2-2、2-3、2_4為圓形環(huán)狀陶瓷片，每片壓電陶瓷片表面鍍銀，不分區(qū)，單向極化。極化后的壓電陶瓷片受電場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生變形。由于壓電陶瓷的 d33壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片在變化電場(chǎng)作用下，會(huì)發(fā)生如圖5所示的縱向縮短(或伸長(zhǎng))5和 6，分別經(jīng)過(guò)縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3的轉(zhuǎn)換，獲得如圖5所示的和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3上槽的旋向相同的順時(shí)針(或逆時(shí)針)扭轉(zhuǎn)7和8，二者耦合獲得縱扭耦合模態(tài)，驅(qū)動(dòng)所述動(dòng)子4轉(zhuǎn)動(dòng)， 由于螺紋配合的作用，動(dòng)子4在縱向表現(xiàn)出直線運(yùn)動(dòng)。再請(qǐng)參考圖3和圖4所示，是本發(fā)明的第二種實(shí)施結(jié)構(gòu)，包括支撐架1、縱振壓電陶瓷片組2和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3。所述縱振壓電陶瓷片組2包括縱振壓電陶瓷片2-1和縱振壓電陶瓷片2-2。上述縱振壓電陶瓷片2-1、2-2套裝在支撐架1的伸出圓管上。所述的縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3通過(guò)螺紋連接在所述支撐架1的伸出圓管上。 如圖3和圖4所示，本實(shí)施結(jié)構(gòu)中的模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)的動(dòng)子4，為加工有外螺紋的柱體，通過(guò)螺紋和上述的縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3配合。所述縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3是圓形管，其管壁上開有陣列矩形槽或者陣列圓孔等具有縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換功能的結(jié)構(gòu)，且圓形管的內(nèi)部一端加工有內(nèi)螺紋。所述縱振壓電陶瓷片2-1、2_2為圓形環(huán)狀陶瓷片，每片壓電陶瓷片表面鍍銀，不分區(qū)，單向極化。極化后的壓電陶瓷片受電場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生變形。由于壓電陶瓷的d33壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片在變化電場(chǎng)作用下，會(huì)發(fā)生如圖6所示的縱向縮短(或伸長(zhǎng))9，經(jīng)過(guò)縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3的轉(zhuǎn)換，獲得如圖6所示的和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3上槽的旋向相同的逆時(shí)針(或順時(shí)針)扭轉(zhuǎn)10，二者耦合獲得縱扭耦合模態(tài)，驅(qū)動(dòng)所述動(dòng)子4轉(zhuǎn)動(dòng)，由于螺紋配合的作用， 動(dòng)子4在縱向表現(xiàn)出直線運(yùn)動(dòng)。另外，采用如圖7所示的鋸齒波信號(hào)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，波形從點(diǎn)a開始上升，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子產(chǎn)生如圖8與圖9所示A方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。可以看到鋸齒波信號(hào)在到達(dá)峰值點(diǎn)b前以一個(gè)很小的斜率慢慢上升，在峰值點(diǎn)b處加在縱振壓電陶瓷片組2上的電壓信號(hào)達(dá)到最大值，縱振壓電陶瓷片組2的變形亦達(dá)到最大。由于電壓值是慢慢上升的，因此縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3和動(dòng)子4的配合螺紋之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，動(dòng)子4在A方向上會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)短的距離。電信號(hào)在從峰值點(diǎn)b到最小值點(diǎn)c之間突然下降，導(dǎo)致縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3突然產(chǎn)生如圖8與圖9所示B 方向的運(yùn)動(dòng)。由于這個(gè)運(yùn)動(dòng)非常迅速，系統(tǒng)力學(xué)特性如慣性和摩擦嚙合等會(huì)妨礙動(dòng)子4跟隨縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器3的軸向運(yùn)動(dòng)。如此往復(fù)循環(huán)加載從點(diǎn)a到c的波形信號(hào)可以獲得動(dòng)子 4產(chǎn)生如圖8與圖9中所示A方向的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，這使得動(dòng)子產(chǎn)生旋進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子；其特征在于所述定子包括支撐架、縱振壓電陶瓷片組和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器，其中，支撐架中間設(shè)有用于固定電機(jī)的環(huán)片，縱振壓電陶瓷片組通過(guò)螺紋壓緊的方式固定在支撐架和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器之間； 所述動(dòng)子是外圓柱面上加工有外螺紋的圓柱體，通過(guò)外螺紋和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器上的內(nèi)螺紋配合。
2.如權(quán)利要求1所述的模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)，其特征在于所述縱振壓電陶瓷片組是縱振環(huán)形壓電疊堆或單向極化的環(huán)形縱振陶瓷片有序排列組成。
全文摘要
本發(fā)明公開一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述定子包括支撐架、縱振壓電陶瓷片組和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器，其中，支撐架中間設(shè)有用于固定電機(jī)的環(huán)片，縱振壓電陶瓷片組通過(guò)螺紋壓緊的方式固定在支撐架和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器之間；所述動(dòng)子是外圓柱面上加工有外螺紋的圓柱體，通過(guò)外螺紋和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器上的內(nèi)螺紋配合。此種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工、裝配、安裝和應(yīng)用，工作效率高，輸出精度高，應(yīng)用范圍廣。
文檔編號(hào)H02N2/04GK102185519SQ20111012048
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者劉衛(wèi)東, 時(shí)運(yùn)來(lái), 朱華 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)