專利名稱：利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，屬于超聲電機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用柱狀定子彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機是諸多類超聲電機中的一種，相對于其它類超聲電機，該類超聲電機的定子與輸出軸通過螺紋副傳動，通過激發(fā)定子空間上相互正交的兩個彎曲振動模態(tài)，利用振動的耦合與疊加，在定子驅(qū)動端的內(nèi)表面產(chǎn)生驅(qū)動行波，它能夠較容易的實現(xiàn)螺紋輸出軸旋轉(zhuǎn)-直線自由度運動的輸出。它與圓盤行波類超聲電機相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于微型化及定位精度高的特點。
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基于螺紋副傳動的螺紋驅(qū)動型超聲電機根據(jù)超聲電機定子結(jié)構(gòu)與激振模式的不同可分為以下幾種定子為多面體結(jié)構(gòu)的利用面內(nèi)彎曲振動模態(tài)耦合驅(qū)動行波的螺紋驅(qū)動多面體超聲電機，利用環(huán)狀超薄結(jié)構(gòu)定子面內(nèi)彎曲振動模態(tài)駐波驅(qū)動的螺紋驅(qū)動型超聲電機，這兩類電機的定子多采用多面體或圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通過激發(fā)定子的面內(nèi)振動模態(tài)實現(xiàn)電機輸出部件的旋轉(zhuǎn)-直線運動。為了降低電機定子的共振頻率，還提出了一種定子采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的一端固支的壓電復合彎曲梁驅(qū)動的螺紋直線電機，該類電機主要是利用柱狀懸臂梁結(jié)構(gòu)定子的空間正交彎曲振動模態(tài)的耦合產(chǎn)生驅(qū)動行波，實現(xiàn)輸出軸的運動輸出；另一種有代表意義的螺紋驅(qū)動型柱狀旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機主要有定子為粘貼壓電片的金屬管式與壓電管式兩種類型的超聲波導螺桿電動機，該超聲波導螺桿電動機主要是利用兩端自由約束的柱體定子空間上正交的兩個一階彎曲振動相互耦合，在定子自由端的內(nèi)表面產(chǎn)生驅(qū)動行波，定子與輸出軸通過螺紋副傳動，在軸向負載力的作用下實現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出；上述螺紋驅(qū)動型超聲電機定子所用的壓電元件多采用d31振動模式，該種振動模式在電機的微型化制造方面存在一定的優(yōu)勢，特別是對于超聲波導螺桿電動機來說，該優(yōu)勢體現(xiàn)得更為明顯，但卻同時不可避免的存在輸出力較小的實際問題。為了提高電機的輸出力，改善負載特性，出現(xiàn)了一類利用壓電元件d33振動模式的壓電片夾心式旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，以及利用模態(tài)轉(zhuǎn)換型的壓電螺紋傳動直線超聲電機，與利用壓電元件d31振動模式的螺紋驅(qū)動型超聲電機相比，該類電機在輸出力上具有明顯優(yōu)勢，但存在微型化較困難的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決柱狀定子彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機微型化時輸出力矩小的問題，提供一種利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機。本發(fā)明的第一種技術(shù)方案
利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，它包括螺紋輸出軸、金屬管彈性套筒和m組壓電陶瓷片，m為正整數(shù)，金屬管彈性套筒套接在螺紋輸出軸的外表面，并與螺紋輸出軸通過螺紋副相配合連接，金屬管彈性套筒橫截面的外輪廓呈正η邊形，η的取值為4的整數(shù)倍，金屬管彈性套筒外表面上沿軸向均勻分布m組壓電陶瓷片，每組壓電陶瓷片由η片壓電陶瓷片組成，每組壓電陶瓷片的η片壓電陶瓷片對應(yīng)分布在金屬管彈性套筒外表面的每個平面上；壓電陶瓷片沿厚度方向極化，壓電陶瓷片的上表面和下表面均鍍有銀電極。

本發(fā)明的第二種技術(shù)方案利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，它包括螺紋輸出軸、金屬管彈性套筒和m組壓電陶瓷片，m為正整數(shù)，金屬管彈性套筒套接在螺紋輸出軸的外表面，并與螺紋輸出軸通過螺紋副相配合連接，金屬管彈性套筒橫截面的外輪廓為由圓弧和兩條直線段組成的形狀，其中圓弧大于或等于二分之一圓周，兩條直線段等長且相互垂直；金屬管彈性套筒外表面上沿軸向均勻分布m組壓電陶瓷片，每組壓電陶瓷片由兩片壓電陶瓷片組成，每組壓電陶瓷片的兩片壓電陶瓷片對應(yīng)分布在金屬管彈性套筒外表面的兩個平面上；壓電陶瓷片沿厚度方向極化，壓電陶瓷片的上表面和下表面均鍍有銀電極。上述兩種技術(shù)方案中，所述m組壓電陶瓷片分別位于金屬管彈性套筒的m階彎曲振動的m個振幅的中心波幅處。所述壓電陶瓷片通過環(huán)氧樹脂膠與金屬管彈性套筒外表面粘接固定。所述金屬管彈性套筒的材質(zhì)為鈦合金、銅合金、合金鋼或鋁合金；壓電陶瓷片的材質(zhì)為具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷材料。本發(fā)明的第三種技術(shù)方案利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，它包括螺紋輸出軸、壓電陶瓷管、兩個金屬帽和P組外電極，P為正整數(shù)，壓電陶瓷管的兩端分別粘接一個金屬帽形成定子，所述定子套接在螺紋輸出軸外偵牝并且兩個金屬帽與螺紋輸出軸通過螺紋副相配合連接，壓電陶瓷管內(nèi)表面上覆蓋有內(nèi)電極，壓電陶瓷管的外表面上沿軸向均勻分布P組外電極，每組外電極包括q個外電極，q的取值為4的整數(shù)倍，每組外電極中的q個外電極沿壓電陶瓷管的圓周方向均勻分布固定，壓電陶瓷管沿徑向方向極化。所述壓電陶瓷管與金屬帽之間采用環(huán)氧樹脂膠粘接固定。所述金屬帽的材質(zhì)為鈦合金、銅合金、合金鋼或鋁合金；壓電陶瓷管的材質(zhì)為具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷材料。上述三種技術(shù)方案中所述螺紋輸出軸的兩端為平頭結(jié)構(gòu)或者為球端結(jié)構(gòu)。螺紋輸出軸的材質(zhì)為銅合金、合金鋼類金屬或聚四氟乙烯類高聚物材料。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明通過激發(fā)自由定子空間上相互正交的兩個高階彎曲振動，如二階或三階彎曲振動模態(tài)，利用振動的疊加與耦合，在由金屬管彈性套管和m組壓電陶瓷片組成的定子驅(qū)動端的內(nèi)表面產(chǎn)生驅(qū)動行波，定子與螺紋輸出軸通過螺紋副傳動，在軸向負載力的作用下實現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出。本發(fā)明所述超聲電機的性能有明顯的改善，尤其在輸出力方面，在滿足微型化的同時，其最大輸出力與現(xiàn)在技術(shù)相比可提高約50%以上。本發(fā)明工作效率高，機械特性好，促進了彎曲振動模態(tài)旋轉(zhuǎn)-直線型超聲電機的實用化和微型化進程。本發(fā)明在航空航天、醫(yī)療器械、智能機器人、數(shù)碼產(chǎn)品以及精密驅(qū)動系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明實施方式一所述螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中壓電陶瓷片為兩組，金屬管彈性套管橫截面的外輪廓呈正方形；圖中“ + ”號和號表示壓·電陶瓷片的極化方向；圖2為圖I的沿軸向的剖視圖；圖3為圖I的側(cè)視方向剖視圖；圖中箭頭表示壓電陶瓷片的極化方向；圖4為圖I所示超聲電機的二階彎曲振動模態(tài)示意圖；圖5為本發(fā)明實施方式一所述螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中壓電陶瓷片為三組，金屬管彈性套管橫截面的外輪廓呈正方形；圖6為圖5的沿軸向的剖視圖；圖7為圖5所示超聲電機的三階彎曲振動模態(tài)示意圖；圖8為本發(fā)明實施方式二所述螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中壓電陶瓷片為兩組；圖9為圖8的側(cè)視方向剖視圖；圖10為圖8所示超聲電機的二階彎曲振動模態(tài)示意圖；圖11為本發(fā)明實施方式二所述螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中壓電陶瓷片為三組；圖12為圖11所示超聲電機的三階彎曲振動模態(tài)示意圖；圖13為本發(fā)明實施方式六所述螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中外電極為兩組；圖14為圖13的沿軸向的剖視圖；圖15為圖13所示超聲電機的二階彎曲振動模態(tài)示意圖；圖16為本發(fā)明實施方式六所述螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中外電極為三組；圖17為圖16的沿軸向的剖視圖；圖18為圖16所示超聲電機的三階彎曲振動模態(tài)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖I至圖7說明本實施方式，本實施方式所述利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，它包括螺紋輸出軸I、金屬管彈性套筒2和m組壓電陶瓷片3，m為正整數(shù)，金屬管彈性套筒2套接在螺紋輸出軸I的外表面，并與螺紋輸出軸I通過螺紋副相配合連接，金屬管彈性套筒2橫截面的外輪廓呈正η邊形，η的取值為4的整數(shù)倍，金屬管彈性套筒2外表面上沿軸向均勻分布m組壓電陶瓷片3，每組壓電陶瓷片3由η片壓電陶瓷片組成，每組壓電陶瓷片3的η片壓電陶瓷片對應(yīng)分布在金屬管彈性套筒2外表面的每個平面上；壓電陶瓷片3沿厚度方向極化，壓電陶瓷片3的上表面和下表面均鍍有銀電極。圖I至圖4所示為利用二階彎曲振動模態(tài)對稱結(jié)構(gòu)金屬管定子的旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機，其金屬管彈性套筒2為對稱結(jié)構(gòu)，金屬管彈性套筒2的橫截面為四方的中空柱狀對稱結(jié)構(gòu)，并且其內(nèi)孔中加工有螺紋副，金屬管彈性套筒2與兩組壓電陶瓷片3構(gòu)成超聲電機的 定子，螺紋輸出軸I的外表面加工有與金屬管彈性套筒2相配合的螺紋副。本實施方式中所有壓電陶瓷片3采用d31振動模式，壓電陶瓷片3表面上具有薄的銀電極，當壓電陶瓷片3通電激勵時應(yīng)變即形變方向與極化方向相垂直。圖I至圖4中，壓電陶瓷片3沿金屬管彈性套筒2軸向分為兩個激振組，沿金屬管彈性套筒2軸向相鄰的壓電陶瓷片3的極化方向相反，沿金屬管彈性套筒2圓周方向，壓電陶瓷片3的按極化方向均分為兩組，一組為由外向內(nèi)，一組為由內(nèi)向外。壓電陶瓷片3的極化方向與通電方式相互配合，能夠達到最大的輸出力矩。圖2和圖3所示，將兩組壓電陶瓷片3放置于金屬管彈性套筒2的二階彎曲振動的兩個振幅的中心波幅處，超聲電機使用時可通過法蘭與螺釘配合固定在定子的振動節(jié)點處。具體通電方式為第一組激振組中兩片相對設(shè)置的一對壓電陶瓷片3通交流電信號可以為sinon，ω為交流電信號的頻率，t為時間；另外一對壓電陶瓷片3通交流電信號為simDt+(p，(p為相位差；第二組激振組中與第一組激振組中一對壓電陶瓷片3相應(yīng)的那對壓電陶瓷片3通交流電信號為-sinon，第二組激振組中與第一組激振組中另外一對壓電陶瓷片3相應(yīng)的那對壓電陶瓷片3通交流電信號為-sincat+cp;金屬管彈性套筒2外表面接地。其中交流電信號的頻率ω —般應(yīng)與該定子二階彎曲振動共振頻率相吻合或相近，由此達到激發(fā)定子空間相互正交的二階彎曲振動模態(tài)的效果，相位差φ—般為90或270度，利用振動耦合在定子的兩個自由端的內(nèi)表面耦合產(chǎn)生驅(qū)動行波，在軸向負載力的作用下經(jīng)由螺紋副實現(xiàn)螺紋輸出軸I 一個方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出；當相位差φ由90變?yōu)?70度時，可使螺紋輸出軸I產(chǎn)生相反方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出，參見圖4。圖5至圖7為利用三階彎曲振動模態(tài)對稱結(jié)構(gòu)金屬管定子的旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機，其壓電陶瓷片3為三組，三組壓電陶瓷片3形成三個激振組，三組壓電陶瓷片3分別放置于金屬管彈性套筒2的三階彎曲振動的三個振幅的中心波幅處，超聲電機使用時可通過法蘭與螺釘配合固定在定子的振動節(jié)點處，如圖6和圖7所示，具體通電方式為第一激振組中一對相對的壓電陶瓷片3通交流電信號可以為sin ω t,另對一對陶瓷片3通sincot+ip;第二激振組中壓電陶瓷片3與第一激振組中相應(yīng)的壓電陶瓷片3的通電信號相反；第二激振組中壓電陶瓷片3的通電方向與上述類同，金屬管彈性套筒2接地。其中該交流電信號的頻率ω —般應(yīng)與該定子三階彎曲振動共振頻率相吻合或相近，由此達到激發(fā)定子空間相互正交的三階彎曲振動模態(tài)的效果，相位差φ—般為90或270度，利用振動耦合在定子的兩個自由端的內(nèi)表面耦合產(chǎn)生驅(qū)動行波，在軸向負載力的作用下經(jīng)由螺紋副實現(xiàn)螺紋輸出軸I 一個方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出；當相位差φ由90變?yōu)?70度時，可使螺紋輸出軸I產(chǎn)生相反方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出，參見圖7。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖8至圖12說明本實施方式，本實施方式所述利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，它包括螺紋輸出軸I、金屬管彈性套筒2和m組壓電陶瓷片3，m為正整數(shù)，金屬管彈性套筒2套接在螺紋輸出軸I的外表面，并與螺紋輸出軸I通過螺紋副相配合連接，金屬管彈性套筒2橫截面的外輪廓為由圓弧和兩條直線段組成的形狀，其中圓弧大于或等于二分之一圓周，兩條直線段等長且相互垂直；金屬管彈性套筒2外表面上沿軸向均勻分布m組壓電陶瓷片3，每組壓電陶瓷片3由兩片壓電陶瓷片組成，每組壓電陶瓷片3的兩片壓電陶瓷片對應(yīng)分布在金屬管彈性套筒2外表面的兩個平面上；
壓電陶瓷片3沿厚度方向極化，壓電陶瓷片3的上表面和下表面均鍍有銀電極。圖8至圖10是利用二階彎曲振動模態(tài)非對稱結(jié)構(gòu)金屬管定子的旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機，金屬管彈性套筒2的橫截面為半圓半方的中空柱狀非對稱結(jié)構(gòu)，其內(nèi)孔中加工有螺紋副，金屬管彈性套筒2和兩組壓電陶瓷片3構(gòu)成超聲電機定子，螺紋輸出軸I上加工有與金屬管彈性套筒2相配合的螺紋副。壓電陶瓷片3采用d31振動模式，其上下表面鍍有薄的銀電極，通電激勵時應(yīng)變即形變方向與極化方向相垂直。壓電陶瓷片3沿金屬管彈性套筒2圓周方向分為兩個激振組，每組壓電陶瓷片3的極化方向均為由外向內(nèi)或由內(nèi)向外。壓電陶瓷片3的極化方向與通電方式相互配合，能夠達到最大的輸出力矩。將兩組壓電陶瓷片3放置于金屬管彈性套筒2的二階彎曲振動的兩個振幅的中心波幅處，超聲電機使用時可通過法蘭與螺釘配合固定在定子的振動節(jié)點處，參見圖9和圖10，具體通電方式為第一激振組中兩片壓電陶瓷片3分別通交流電信號可以為Sincot與-sinon，第二激振組中兩片壓電陶瓷片3不通電，金屬管彈性套筒2接地。本實施方式中交流電信號的頻率ω —般應(yīng)與該非對稱結(jié)構(gòu)定子的二階彎曲振動共振頻率相吻合或相近，由此達到激發(fā)定子一個方向的二階彎曲振動模態(tài)的效果，由于定子采用非對稱結(jié)構(gòu)，由此可通過利用振動耦合在定子的兩個自由端的內(nèi)表面耦合產(chǎn)生驅(qū)動行波，在軸向負載力的作用下經(jīng)由螺紋副實現(xiàn)螺紋輸出軸I一個方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出；當?shù)诙ふ窠M中兩片壓電陶瓷片3分別通交流電信號sinon與-Sinon時，第一激振組中兩片壓電陶瓷片3不通電，金屬管彈性套筒2接地。利用相同原理則可實現(xiàn)螺紋輸出軸I相反方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出。圖11和圖12為利用三階彎曲振動模態(tài)非對稱結(jié)構(gòu)金屬管定子的旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機，金屬管彈性套筒2橫截面為半圓半方的中空柱狀非對稱結(jié)構(gòu)，其內(nèi)孔中加工有螺紋畐0，金屬管彈性套筒2與三組壓電陶瓷片3構(gòu)成超聲電機的定子，螺紋輸出軸I外表面上加工有與金屬管彈性套筒2相配合的螺紋副。壓電陶瓷片3采用d31振動模式，該類型壓電片沿厚度方向極化，上下表面鍍有薄的銀電極，通電激勵時應(yīng)變即形變方向與極化方向相垂直。所有壓電陶瓷片3沿圓周方向分為兩個激振組，每個激振組包括3片壓電陶瓷片3，兩個激振組的壓電陶瓷片3放置于金屬管彈性套筒2的三階彎曲振動的三個振幅的中心波幅處，超聲電機使用時可通過法蘭與螺釘配合固定在定子的振動節(jié)點處，參見圖12。具體通電方式為第一個激振組中三片壓電陶瓷片3分別通交流電信號可以為sin ω t、-sin ω t與sin ω t，第二個激振組中三片壓電陶瓷片3不通電，金屬管彈性套筒2接地。其中該交流電信號的頻率ω —般應(yīng)與該非對稱結(jié)構(gòu)定子的三階彎曲振動共振頻率相吻合或相近，由此達到激發(fā)定子一個方向的三階彎曲振動模態(tài)的效果，由于定子采用非對稱結(jié)構(gòu)，由此可通過利用振動耦合在定子的兩個自由端的內(nèi)表面耦合產(chǎn)生驅(qū)動行波，在軸向負載力的作用下經(jīng)由螺紋副實現(xiàn)螺紋輸出軸I一個方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出；當?shù)诙ふ窠M中三片壓電陶瓷片3分別通交流電信號sincot、-sincot與sincot,第一激振組中三片壓電陶瓷片3不通電，金屬管彈性套筒2接地，利用相同原理則可實現(xiàn)螺紋輸出軸I相反方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出。
具體實施方式
三下面結(jié)合圖2和圖6說明本實施方式，本實施方式為對實施方式 一或二的進一步說明，所述m組壓電陶瓷片3分別位于金屬管彈性套筒2的m階彎曲振動的m個振幅的中心波幅處。
具體實施方式
四本實施方式為對實施方式一、二或三的進一步說明，所述壓電陶瓷片3通過環(huán)氧樹脂膠與金屬管彈性套筒2外表面粘接固定。壓電陶瓷片3與金屬管彈性套筒2也可以通過冷焊的方式固定。
具體實施方式
五本實施方式為對實施方式一、二、三或四的進一步說明，所述金屬管彈性套筒2的材質(zhì)為鈦合金、銅合金、合金鋼或鋁合金；壓電陶瓷片3的材質(zhì)為具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷材料。本實施方式所述的壓電陶瓷片3的材質(zhì)可以為ΡΖΤ4、ΡΖΤ-5、ΡΖΤ_8或PMNT。
具體實施方式
六下面結(jié)合圖13至圖18說明本實施方式，本實施方式所述利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，它包括螺紋輸出軸I、壓電陶瓷管4、兩個金屬帽5和P組外電極6-2，P為正整數(shù)，壓電陶瓷管4的兩端分別粘接一個金屬帽5形成定子，所述定子套接在螺紋輸出軸I外側(cè)，并且兩個金屬帽5與螺紋輸出軸I通過螺紋副相配合連接，壓電陶瓷管4內(nèi)表面上覆蓋有內(nèi)電極6-1，壓電陶瓷管4的外表面上沿軸向均勻分布P組外電極6-2，每組外電極6-2包括q個外電極，q的取值為4的整數(shù)倍，每組外電極6-2中的q個外電極沿壓電陶瓷管4的圓周方向均勻分布固定，壓電陶瓷管4沿徑向方向極化。圖13至圖15所示，為利用二階彎曲振動模態(tài)壓電管定子的旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機，壓電陶瓷管4外表面均勻分布有八個沿徑向極化的供激勵振動通電所用的外電極6-2，為了有效激振外電極優(yōu)選布置于相應(yīng)彎曲振動的振動波幅中心處，主要利用壓電管定子的二階或更高階彎曲振動模態(tài)，電機使用時可通過法蘭與螺釘配合固定在定子的振動節(jié)點處；金屬帽5內(nèi)孔加工有螺紋副，螺紋輸出軸I的外表面加工有與金屬帽5相配合的螺紋副。壓電陶瓷管4沿徑向方向極化，采用d31振動模式，該八個外電極沿壓電陶瓷管4的軸向分為兩個激振組，具體通電方式為第一激振組中四片外電極6-2沿圓周方向順次通交流電信號可以為sinco t、sincot+(p、-sinco t和-sincot+φ;第二個激振組中外電極6-2與第一個激振組中相應(yīng)的外電極6-2的通電信號相反；壓電陶瓷管4內(nèi)表面虛地。其中該交流電信號的頻率ω —般應(yīng)與該定子二階彎曲振動共振頻率相吻合或相近，由此達到激發(fā)定子空間相互正交的二階彎曲振動模態(tài)的效果，相位差φ—般為90或270度，利用振動耦合在定子的兩個自由端金屬帽5的內(nèi)表面耦合產(chǎn)生驅(qū)動行波，在軸向負載力的作用下經(jīng)由螺紋副實現(xiàn)螺紋輸出軸I 一個方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出；當相位差φ由90變?yōu)?70度時，可使螺紋輸出軸I產(chǎn)生相反方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出，參見圖13與圖14。圖16至圖18所示，為利用三階彎曲振動模態(tài)壓電管定子的旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機，壓電陶瓷管4外表面均勻分布有十二個沿徑向極化的供激勵振動通電所用的外電極，為了有效激振外電極優(yōu)選布置于相應(yīng)彎曲振動的振動波幅中心處，主要利用壓電管定子的三階或更高階彎曲振動模態(tài)，電機使用時可通過法蘭與螺釘配合固定在定子的振動節(jié)點處；該十二個外電極可分為三組進行激振，該十二個外電極沿壓電陶瓷管4的軸向分為三個激振組，具體通電方式為第一激振組中四片外電極6-2沿圓周方向順次通交流電信號可以為sin ω t、sinu)t+cp、-sin ω t和-sincot+φ;第二個激振組中外電極6-2與第一個激振組中相應(yīng)的外電極6-2的通電信號相反；第三個激振組中外電極6-2與第一個激振組中相應(yīng)的外電極6-2的通電信號相同，壓電陶瓷管4內(nèi)表面虛地。其中該交流電信號的頻率ω —般應(yīng)與該定子三階彎曲振動共振頻率相吻合或相近，由此達到激發(fā)定子空間相互正交的三階彎曲振·動模態(tài)的效果，相位差φ—般為90或270度，利用振動耦合在定子的兩個自由端金屬帽5的內(nèi)表面耦合產(chǎn)生驅(qū)動行波，在軸向負載力的作用下經(jīng)由螺紋副實現(xiàn)螺紋輸出軸I 一個方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出；當相位差φ由90變?yōu)?70度時，可使螺紋輸出軸I產(chǎn)生相反方向的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出，參見圖18。
具體實施方式
七本實施方式為對實施方式六的進一步說明，本實施方式所述壓電陶瓷管4與金屬帽5之間采用環(huán)氧樹脂膠粘接固定。壓電陶瓷管4與金屬帽5之間還可以通過冷焊的方式固定。
具體實施方式
八本實施方式為對實施方式六或七的進一步說明，所述金屬帽5的材質(zhì)為鈦合金、銅合金、合金鋼或招合金；壓電陶瓷管4的材質(zhì)為具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷材料。
具體實施方式
九本實施方式為對實施方式一、二、三、四、五、六、七或八的進一步說明，所述螺紋輸出軸I的兩端為平頭結(jié)構(gòu)或者為球端結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
十本實施方式為對實施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的進一步說明，螺紋輸出軸I的材質(zhì)為銅合金、合金鋼類金屬或聚四氟乙烯類高聚物材料。本發(fā)明所述上述各個實施方式中，壓電陶瓷片3或壓電陶瓷管4采用的壓電材料也可選擇磁致收縮材料或靜電材料等智能材料。
權(quán)利要求
1.一種利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于它包括螺紋輸出軸(I)、金屬管彈性套筒(2)和m組壓電陶瓷片(3)，m為正整數(shù)， 金屬管彈性套筒(2)套接在螺紋輸出軸(I)的外表面，并與螺紋輸出軸(I)通過螺紋副相配合連接，金屬管彈性套筒(2)橫截面的外輪廓呈正η邊形，η的取值為4的整數(shù)倍， 金屬管彈性套筒(2)外表面上沿軸向均勻分布m組壓電陶瓷片(3)，每組壓電陶瓷片(3)由η片壓電陶瓷片組成，每組壓電陶瓷片(3)的η片壓電陶瓷片對應(yīng)分布在金屬管彈性套筒(2)外表面的每個平面上； 壓電陶瓷片(3)沿厚度方向極化，壓電陶瓷片(3)的上表面和下表面均鍍有銀電極。
2.一種利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于它包括螺紋輸出軸(I)、金屬管彈性套筒(2)和m組壓電陶瓷片(3)，m為正整數(shù)， 金屬管彈性套筒(2)套接在螺紋輸出軸(I)的外表面，并與螺紋輸出軸(I)通過螺紋副相配合連接，金屬管彈性套筒(2)橫截面的外輪廓為由圓弧和兩條直線段組成的形狀，其中圓弧大于或等于二分之一圓周，兩條直線段等長且相互垂直； 金屬管彈性套筒(2)外表面上沿軸向均勻分布m組壓電陶瓷片(3)，每組壓電陶瓷片(3)由兩片壓電陶瓷片組成，每組壓電陶瓷片(3)的兩片壓電陶瓷片對應(yīng)分布在金屬管彈性套筒(2)外表面的兩個平面上； 壓電陶瓷片(3)沿厚度方向極化，壓電陶瓷片(3)的上表面和下表面均鍍有銀電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于所述m組壓電陶瓷片(3)分別位于金屬管彈性套筒(2)的m階彎曲振動的m個振幅的中心波幅處。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于所述壓電陶瓷片(3)通過環(huán)氧樹脂膠與金屬管彈性套筒(2)外表面粘接固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于所述金屬管彈性套筒(2)的材質(zhì)為鈦合金、銅合金、合金鋼或鋁合金； 壓電陶瓷片(3)的材質(zhì)為具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷材料。
6.一種利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于它包括螺紋輸出軸(I)、壓電陶瓷管(4)、兩個金屬帽(5)和P組外電極(6-2)，p為正整數(shù)， 壓電陶瓷管(4)的兩端分別粘接一個金屬帽(5)形成定子，所述定子套接在螺紋輸出軸(I)外側(cè)，并且兩個金屬帽(5)與螺紋輸出軸(I)通過螺紋副相配合連接， 壓電陶瓷管(4)內(nèi)表面上覆蓋有內(nèi)電極￠-1)，壓電陶瓷管(4)的外表面上沿軸向均勻分布P組外電極(6-2)，每組外電極(6-2)包括q個外電極，q的取值為4的整數(shù)倍，每組外電極(6-2)中的q個外電極沿壓電陶瓷管(4)的圓周方向均勻分布固定， 壓電陶瓷管⑷沿徑向方向極化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于所述壓電陶瓷管(4)與金屬帽(5)之間采用環(huán)氧樹脂膠粘接固定。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于所述金屬帽(5)的材質(zhì)為鈦合金、銅合金、合金鋼或招合金； 壓電陶瓷管(4)的材質(zhì)為具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或6所述的利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于所述螺紋輸出軸α)的兩端為平頭結(jié)構(gòu)或者為球端結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2或6所述的利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其特征在于螺紋輸出軸(I)的材質(zhì)為銅合金、合金鋼類金屬或聚四氟乙烯類高聚物材料。
全文摘要
利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，屬于超聲電機技術(shù)領(lǐng)域。它解決了柱狀定子彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機微型化時輸出力矩小的問題。它包括螺紋輸出軸、金屬管彈性套筒和m組壓電陶瓷片，或者包括螺紋輸出軸、壓電陶瓷管、兩個金屬帽和p組外電極，本發(fā)明為通過激發(fā)自由定子空間上相互正交的兩個高階彎曲振動，如二階或三階彎曲振動模態(tài)，利用振動的疊加與耦合，在由金屬管彈性套管和m組壓電陶瓷片組成的定子驅(qū)動端的內(nèi)表面產(chǎn)生驅(qū)動行波，定子與螺紋輸出軸通過螺紋副傳動，在軸向負載力的作用下實現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出。本發(fā)明作為旋轉(zhuǎn)直線超聲電機。
文檔編號H02N2/00GK102843063SQ20121032565
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者包鋼, 程廷海, 高焓, 郭向東, 肖承豐, 王維, 張宏宇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學