一種產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)的圓筒狀壓電馬達(dá)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公布了一種產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)的圓筒狀壓電馬達(dá)，包括定子和轉(zhuǎn)子，定子由壓電陶瓷外圓筒與彈性體內(nèi)圓筒組成；定子與轉(zhuǎn)子之間有相互配合的螺紋，并通過(guò)螺紋副傳動(dòng)，施加一對(duì)交流信號(hào)于定子的壓電陶瓷外圓筒，可激發(fā)定子產(chǎn)生沿圓周方向的行波，通過(guò)螺紋副驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)輸出。本發(fā)明可解決現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)直線壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微型化困難等問(wèn)題，可省去其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能更好地適合微型化，在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，特別是微型光學(xué)模組中具有重要應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)的圓筒狀壓電馬達(dá)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密驅(qū)動(dòng)與定位【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種螺旋直線壓電馬達(dá)，尤其涉及一 種產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)的圓筒狀壓電馬達(dá)。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓電馬達(dá)是一種利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)激發(fā)振子（或稱(chēng)定子）產(chǎn)生微幅度、 高頻的超聲振動(dòng)，在振子表面特定點(diǎn)或特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)振子 與動(dòng)子間的摩擦耦合實(shí)現(xiàn)機(jī)械能輸出的新型馬達(dá)。壓電馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)緊湊、低轉(zhuǎn)速大力矩、 響應(yīng)快、斷電自鎖、不受磁電干擾等優(yōu)點(diǎn)，作為一種新型驅(qū)動(dòng)器有著十分廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已 開(kāi)始廣泛應(yīng)用到照相機(jī)、掃描電子顯微鏡、機(jī)器人、精密機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003] 按照動(dòng)子的輸出形式不同，壓電馬達(dá)能分為直線、旋轉(zhuǎn)與多自由度等幾種輸出類(lèi) 型。旋轉(zhuǎn)直線超聲馬達(dá)作為目前諸多輸出類(lèi)型壓電馬達(dá)中的一種，其振子與動(dòng)子之間主要 采用螺紋副進(jìn)行傳動(dòng)，通過(guò)螺紋副傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)直線兩自由度一螺旋直線運(yùn)動(dòng)的輸出。與 其它類(lèi)超聲馬達(dá)相比，旋轉(zhuǎn)直線超聲馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于微型化、定位精度高等優(yōu)勢(shì)， 可廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0004] 公布號(hào)為CN1767347的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種螺紋驅(qū)動(dòng)多面體超聲馬達(dá)，將4-12個(gè) 壓電元件粘貼到金屬薄壁圓筒定子外側(cè)的平面上，轉(zhuǎn)子與金屬薄壁圓筒定子通過(guò)螺紋相嚙 合，通過(guò)激勵(lì)壓電片使定子中產(chǎn)生沿圓周方向的面內(nèi)彎曲行波，通過(guò)螺紋直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的螺旋直線運(yùn)動(dòng)。但是該馬達(dá)的轉(zhuǎn)子為多面體管體結(jié)構(gòu)，多個(gè)壓電陶瓷片 粘貼在多面體的各個(gè)面上構(gòu)成驅(qū)動(dòng)體，對(duì)加工要求較高，制作工序也較為復(fù)雜，為馬達(dá)的批 量化生產(chǎn)與微型化帶來(lái)制作工藝復(fù)雜等技術(shù)難題。
[0005] 公布號(hào)為US6940209的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種桿狀型直線壓電馬達(dá)，其利用兩個(gè)壓 電堆元件在兩個(gè)端部產(chǎn)生"呼啦圈"(wobbling)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)螺紋驅(qū)動(dòng)原理推動(dòng)一個(gè)插入其內(nèi) 的螺桿產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，其可以做成小直徑的桿狀結(jié)構(gòu)，但是其在長(zhǎng)度方向上的尺寸較大，不 適合用于做超薄型的鏡頭模塊。此外，這種馬達(dá)的不足還在于需要較多的輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種可產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)的圓筒狀壓 電馬達(dá)，定子與轉(zhuǎn)子之間通過(guò)螺紋直接產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與直線兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，可省 去其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，能更好地適應(yīng)微型化以及批量化生產(chǎn)。
[0007] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：
[0008] 一種產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)的圓筒狀壓電馬達(dá)，包括定子與轉(zhuǎn)子，所述定子包括壓電 陶瓷外圓筒和內(nèi)表面帶有螺紋的彈性體內(nèi)圓筒；所述轉(zhuǎn)子為具有外螺紋的中空彈性體圓 環(huán)；所述轉(zhuǎn)子的外螺紋與所述定子的彈性體內(nèi)圓筒內(nèi)表面的螺紋相吻合并旋入定子中；所 述定子與所述轉(zhuǎn)子通過(guò)螺紋副傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的螺旋直線運(yùn)動(dòng)輸出。
[0009] 上述壓電馬達(dá)中，所述壓電陶瓷外圓筒沿筒壁方向極化，在筒的內(nèi)外壁分別鍍有 電極，內(nèi)壁的電極是一個(gè)整體，外壁的電極沿圓周方向分成多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)電 極；所述壓電陶瓷外圓筒內(nèi)壁的電極接地，外壁的多個(gè)電極接通一對(duì)高頻交流激勵(lì)信號(hào)； 定子的壓電陶瓷外圓筒在所述一對(duì)高頻交流激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，激發(fā)出兩個(gè)具有相位差的 彎曲諧振振動(dòng)模態(tài)，經(jīng)疊加耦合形成沿所述定子的彈性體內(nèi)外圓周方向上傳播的行波；通 過(guò)所述行波和定子與轉(zhuǎn)子之間的螺紋副，所述定子驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)子沿定子軸向做螺旋直線運(yùn) 動(dòng)。
[0010] 上述壓電馬達(dá)中，壓電陶瓷外圓筒的外壁分成多個(gè)區(qū)域具體是沿圓周方向均分成 四的倍數(shù)個(gè)區(qū)域；在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，壓電陶瓷外圓筒的外壁的電極為八個(gè)，按順時(shí) 針順序依次為電極11?電極18,所述電極11和15為A1激振組，電極13和17為A2激振 組，A1和A2激振組構(gòu)成A激振組；電極12和16為B1激振組，電極14和18為B2激振組， B1和B2激振組構(gòu)成B激振組；所述A激振組和B激振組所接通的高頻交流激勵(lì)信號(hào)為頻 率相同、電壓幅值相同，但相位不同的兩個(gè)超聲頻率電信號(hào)。本發(fā)明實(shí)施例中，兩個(gè)超聲頻 率電信號(hào)有士fl的相位差。
[0011] 上述壓電馬達(dá)中，壓電陶瓷外圓筒和彈性體內(nèi)圓筒通過(guò)膠粘或冷焊工藝固結(jié)。定 子和轉(zhuǎn)子彈性體的材料為鈦合金、銅合金、合金鋼、鋁合金或高強(qiáng)度彈性高分子聚合物。高 強(qiáng)度彈性高分子聚合物為聚酰胺（PA)、聚碳酸酯（PC)、聚甲醛（POM)、聚苯醚（PPO)、聚醚醚 酮（PEEK)等工程塑料。
[0012] 壓電陶瓷外圓筒的壓電陶瓷是具有強(qiáng)壓電效應(yīng)的鋯鈦酸鉛系列陶瓷或具有優(yōu)異 壓電性能的無(wú)鉛壓電陶瓷，包括鈦酸鋇（BaTi03)基無(wú)鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉（(Bia5Na a5) Ti03)基無(wú)鉛壓電陶瓷和堿金屬鈮酸鉀鈉（(K，Na)Nb03)基無(wú)鉛壓電陶瓷等。
[0013] 上述壓電馬達(dá)中，轉(zhuǎn)子的中空部分用于固定需要驅(qū)動(dòng)的元件。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 本發(fā)明提供的壓電馬達(dá)的定子與轉(zhuǎn)子之間通過(guò)螺紋直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)與直線兩個(gè)自 由度的運(yùn)動(dòng)，可省去其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，大幅減小了壓電馬達(dá)系統(tǒng)的體積，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，簡(jiǎn) 化了制造工藝，可解決現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)直線壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微型化困難等問(wèn)題，能更好地適應(yīng) 微型化以及批量化生產(chǎn)，在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，特別是微型光學(xué)模組中具有重要應(yīng)用前景。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 其中，1 一壓電陶瓷外圓筒；2-彈性體內(nèi)圓筒；3-轉(zhuǎn)子。
[0018] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中壓電陶瓷外圓筒的結(jié)構(gòu)示意圖，外電極沿圓周劃分為八 (4X2)等分；
[0019] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中壓電陶瓷外圓筒的俯視圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中壓電陶瓷外圓筒采用第一種電壓激勵(lì)方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中壓電陶瓷外圓筒采用第二種電壓激勵(lì)方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2?圖5中，11?18為將外電極均分成的八個(gè)電極，其中，電極11和15為A1 激振組，電極13和17為A2激振組，A1和A2激振組構(gòu)成A激振組，電極12和16為B1激 振組，電極14和18為B2激振組；B1和B2激振組構(gòu)成B激振組；19為內(nèi)電極；
[0023] 圖4?圖5中，《-高頻交流信號(hào)的角頻率；t一時(shí)間。
[0024] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中壓電陶瓷外圓筒在電壓激勵(lì)下的彎曲振動(dòng)模態(tài)示意圖；
[0025] 其中，（a)為單獨(dú)對(duì)A激振組施加交變信號(hào)，壓電陶瓷外圓筒產(chǎn)生的駐波諧振振 動(dòng)；(b)為單獨(dú)對(duì)B激振組施加交變信號(hào)，壓電陶瓷外圓筒產(chǎn)生的駐波諧振振動(dòng)。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范 圍。
[0027] 圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中壓電陶瓷外圓筒的結(jié)構(gòu) 示意圖，外電極沿圓周劃分為八（4X2)等分；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中壓電陶瓷外圓筒的俯 視圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明提供的可產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)的圓筒狀壓電馬達(dá)主要由壓電陶瓷外 圓筒1、彈性體內(nèi)圓筒2和轉(zhuǎn)子3組成。
[0028] 其中，壓電陶瓷外圓筒1，沿著筒壁的方向極化。壓電陶瓷外圓筒1在筒壁的內(nèi)外 兩面鍍有電極，內(nèi)電極19是一個(gè)整體的電極，筒壁的外電極均分為八個(gè)部分（所分電極的 數(shù)量可以是4的整數(shù)倍），外電極為電極11、12、13、14、15、16、17、18。壓電陶瓷外圓筒1通 過(guò)膠粘（環(huán)氧樹(shù)脂）或者冷焊工藝實(shí)現(xiàn)與彈性體內(nèi)圓筒2的固結(jié)，壓電陶瓷外圓筒1跟彈 性體內(nèi)圓筒2共同構(gòu)成定子。
[0029] 轉(zhuǎn)子3為具有外螺紋的中空結(jié)構(gòu)的彈性體圓環(huán)，需要驅(qū)動(dòng)的元件（例如鏡頭）可 以固定在轉(zhuǎn)子3的內(nèi)部。轉(zhuǎn)子3外部帶有外螺紋，轉(zhuǎn)子3與彈性體內(nèi)圓筒2之間通過(guò)螺紋 副實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。
[0030] 壓電陶瓷外圓筒的外電極中，電極11跟電極15沿壓電陶瓷外圓筒的直徑方向?qū)?稱(chēng)分布，稱(chēng)為A1激振組；電極13跟電極17也是沿壓電陶瓷外圓筒的直徑方向?qū)ΨQ(chēng)分布，稱(chēng) 為A2激振組；A1激振組跟A2激振組構(gòu)成A激振組。電極12跟電極16也沿壓電陶瓷外圓 筒的直徑方向?qū)ΨQ(chēng)分布，稱(chēng)為B1激振組；電極14跟電極18也沿壓電陶瓷外圓筒的直徑方 向?qū)ΨQ(chēng)分布，稱(chēng)為B2激振組；B1激振組與B2激振組構(gòu)成B激振組。
[0031] 本實(shí)施方式的激勵(lì)方法：參照?qǐng)D4、圖5和圖6進(jìn)行說(shuō)明。單獨(dú)對(duì)A激振組中A1激 振組施加使其產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短變形的交變信號(hào)，對(duì)A2激振組施加使其產(chǎn)生縮短或伸長(zhǎng)變 形的交變信號(hào)，因?yàn)槟鎵弘娦?yīng)的作用，在兩個(gè)垂直的方向上分別產(chǎn)生伸長(zhǎng)和收縮的形變， 整個(gè)壓電陶瓷外圓筒將產(chǎn)生一個(gè)如圖6(a)所示的駐波諧振振動(dòng)R1。單獨(dú)對(duì)B激振組中B1 激振組施加使其產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短變形的交變信號(hào)，B2激振組施加使其產(chǎn)生縮短或伸長(zhǎng)變形 的交變信號(hào)，因?yàn)槟鎵弘娦?yīng)的作用，在兩個(gè)垂直的方向上分別產(chǎn)生伸長(zhǎng)和收縮的形變，整 個(gè)壓電陶瓷外圓筒將產(chǎn)生一個(gè)如圖6(b)所示的駐波諧振振動(dòng)R2。駐波諧振振動(dòng)R1跟R2 在空間上存在45°的角度差。
[0032] A激振組與B激振組所接交變信號(hào)的頻率相同，都處于超聲頻段，電壓幅值相同， 但有的相位差。當(dāng)A激振組與B激振組同時(shí)被激發(fā)時(shí)，壓電陶瓷外圓筒1將會(huì)同時(shí)激勵(lì) R1和R2兩個(gè)駐波諧振振動(dòng)，它們的疊加會(huì)耦合形成一個(gè)行波諧振振動(dòng)。其中，當(dāng)加載在A 激振組和B激振組上交變信號(hào)的相位差滿(mǎn)足.土fi的正交關(guān)系時(shí)，如圖4所示，A激振組與B 激振組激發(fā)壓電陶瓷外圓筒1產(chǎn)生2個(gè)波長(zhǎng)的行波，整個(gè)定子也將隨之振動(dòng)，通過(guò)螺紋副傳 動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子3順時(shí)針螺旋直線輸出。當(dāng)加載在A激振組和B激振組上交變信號(hào)的相位差 滿(mǎn)足-fl的正交關(guān)系時(shí)，如圖5所示，A激振組與B激振組激發(fā)壓電陶瓷外圓筒1產(chǎn)生2個(gè) 波長(zhǎng)的反向行波，整個(gè)定子也將隨之振動(dòng)，通過(guò)螺紋副傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子3逆時(shí)針螺旋直線輸
[0033] 需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技 術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是 可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求 書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種產(chǎn)生螺旋直線運(yùn)動(dòng)的圓筒狀壓電馬達(dá)，包括定子與轉(zhuǎn)子，其特征是，所述定子 包括壓電陶瓷外圓筒和內(nèi)表面帶有螺紋的彈性體內(nèi)圓筒；所述轉(zhuǎn)子為具有外螺紋的中空彈 性體圓環(huán)；所述轉(zhuǎn)子的外螺紋與所述定子的彈性體內(nèi)圓筒內(nèi)表面的螺紋相吻合并旋入定子 中；所述定子與所述轉(zhuǎn)子通過(guò)螺紋副傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的螺旋直線運(yùn)動(dòng)輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述定子的壓電陶瓷外圓筒沿筒壁方向極 化，在筒的內(nèi)外壁分別鍍有電極，內(nèi)壁的電極是一個(gè)整體，外壁的電極沿圓周方向分成多個(gè) 區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)電極；所述壓電陶瓷外圓筒內(nèi)壁的電極接地，外壁的多個(gè)電極接通一 對(duì)高頻交流激勵(lì)信號(hào)；所述定子的壓電陶瓷外圓筒在所述一對(duì)高頻交流激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì) 下，激發(fā)出兩個(gè)具有相位差的彎曲諧振振動(dòng)模態(tài)，經(jīng)疊加耦合形成沿所述定子的彈性體內(nèi) 外圓周方向上傳播的行波；通過(guò)所述行波和定子與轉(zhuǎn)子之間的螺紋副，所述定子驅(qū)動(dòng)所述 轉(zhuǎn)子沿定子軸向做螺旋直線運(yùn)動(dòng)。
3. 如權(quán)利要求2所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述壓電陶瓷外圓筒的外壁分成多個(gè)區(qū)域， 具體是沿圓周方向均分成四的倍數(shù)個(gè)區(qū)域。
4. 如權(quán)利要求2所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述壓電陶瓷外圓筒的外壁的電極為八個(gè)， 按順時(shí)針順序依次為電極11?電極18,所述電極11和15為Al激振組，電極13和17為 A2激振組，Al和A2激振組構(gòu)成A激振組；電極12和16為Bl激振組，電極14和18為B2 激振組，Bl和B2激振組構(gòu)成B激振組；所述A激振組和B激振組所接通的一對(duì)高頻交流激 勵(lì)信號(hào)為兩個(gè)頻率相同、電壓幅值相同，但相位不同的超聲頻率電信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求4所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述一對(duì)高頻交流激勵(lì)信號(hào)的相位差為 +三。 -2
6. 如權(quán)利要求1所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述壓電陶瓷外圓筒和彈性體內(nèi)圓筒通過(guò) 膠粘或冷焊工藝固結(jié)。
7. 如權(quán)利要求1所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述定子和轉(zhuǎn)子彈性體的材料為鈦合金、 銅合金、合金鋼、鋁合金或高強(qiáng)度彈性高分子聚合物；所述高強(qiáng)度彈性高分子聚合物為聚酰 胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚或聚醚醚酮。
8. 如權(quán)利要求1所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述壓電陶瓷外圓筒的壓電陶瓷是鋯鈦酸 鉛系列陶瓷或無(wú)鉛壓電陶瓷。
9. 如權(quán)利要求8所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述無(wú)鉛壓電陶瓷包括鈦酸鋇基無(wú)鉛壓電 陶瓷、鈦酸鉍鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷和堿金屬鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷。
10. 如權(quán)利要求1所述壓電馬達(dá)，其特征是，所述轉(zhuǎn)子的中空部分用于固定需要驅(qū)動(dòng)的 元件。
【文檔編號(hào)】H02N2/12GK104506081SQ201510002335
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月5日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月5日
【發(fā)明者】董蜀湘, 陳治江, 李曉天 申請(qǐng)人:北京大學(xué)