CN101227157A - 采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器 - Google Patents
采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器 Download PDFInfo
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Abstract
采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，属于精密驱动和精密机械技术领域，其特征在于，包括由两个对称部分组成的定子、一个与定子通过螺纹连接的螺纹杆、作为激励元件组的圆环形的多层压电陶瓷以及固定部件，定子的两部分均由一圆板和一圆管组成，圆管固定并垂直于圆板，向圆板的两侧延伸，圆板的边缘有通孔，螺纹杆通过其上的外螺纹与圆管的内螺纹连接，激励元件组由四片压电陶瓷片与四片电极片交替排列组成，固定部件包括螺栓和螺母，它们将定子的两个对称部分与夹在中间的激励元件组固定在一起，激励元件组、螺纹杆、组成定子的圆板和圆管共轴。与已有技术相比，该驱动器可以输出较大的推力，且陶瓷的抗疲劳特性好，工艺生产易于微型化。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，特别是关于压电螺纹驱动器实现螺纹传动的几种典型兰杰文压电振子的结构，属于精密驱动和精密机械技术领域。
背景技术
随着科学的发展，在光学调焦、精密驱动和微系统领域迫切需要各种微型驱动器，尤其是可以直接实现驱动，而不需要减速结构等复杂系统的小型化驱动器。传统的电磁电机在微小尺度下效率急剧降低，并且制造难度大。而压电驱动器作为一种新型驱动器，利用压电陶瓷的逆压电效应，通过结构设计将小幅度的振动转变为所需的运动，并且具有结构简单，易于微型化，断电自锁等优点，在上述领域内具有广阔的应用前景。
如图1所示，是美国6,940,209B2发明专利公开的一种螺纹杆压电驱动器，它包括一带有中心孔的多面管体1，一螺纹杆2，四片矩形压电陶瓷片3对称地粘贴在管体1的四个侧面。对压电陶瓷片3施加特定的电压信号可激发管体1产生弯曲运动，从而推动螺纹杆2旋转并沿轴向直线运动。该发明专利提出了一种有效的实现直线运动的压电驱动方案，有希望用于微机械，光学调焦领域。但该发明专利存在如下不足：1、定子的结构存在多个侧面平台相对复杂；2、陶瓷片需要通过胶粘接的方式与管体的四个侧面连接，工艺比较复杂；3、陶瓷片在使用过程中没有预压力作用，驱动器难以输出较大的推力，且陶瓷无夹持力作用易疲劳损耗；4、其结构不易薄型化，与集成电路工艺不兼容；5、四片陶瓷是分别粘接在不同位置上，其驱动原理不适合采用当前流行的内电极共烧技术制备出的陶瓷实现驱动；6、该发明驱动器定子的结构是非轴对称结构，不宜于产生理想的弯曲行波。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器。驱动器采用兰杰文振子结构的主要目的是解决上面所提到的陶瓷片在使用过程中没有预压力作用，驱动器难以输出较大的推力，且陶瓷无夹持力作用易疲劳损耗的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一：采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，包含定子、一个螺纹杆、激励元件组以及固定部件，其特征在于：
定子，由圆板和同轴地垂直于该圆板的带有内螺纹的圆管状中心杆组成，共有上、下两个定子，各自的圆管状中心杆相对称且朝向外侧；
固定部件由相互螺纹连接的螺栓和螺母组成；
激励元件组由四片环状压电陶瓷片和四片环状电极片依次交替排列组成，激励元件组被穿过上、下定子的圆板的固定部件夹持在所述两个定子中间，共同组成兰杰文振子结构，其中，压电陶瓷片的表面电极均匀分为相互绝缘的两个分区，每个分区都沿着陶瓷的厚度方向极化但极化的方向相反，每两片在空间上错开180度的压电陶瓷片组成一组，两组压电陶瓷片在空间上错开90度放置，并分别加上相位差为90度的正弦电信号和余弦电信号；
所述螺纹杆的外螺纹与所述圆管状中心杆的内螺纹相螺纹结合；
所述两个定子、螺纹杆和激励元件组共轴，对所述激励元件组按以上所述方法极化并加上电信号后，激发两个定子弯曲振动，推动螺纹杆相对于定子进行螺纹转动的同时，实现该螺纹杆作直线运动。
所述激励元件组的平面形状与所述定子的圆板的形状相对应。
本发明采取以下技术方案二：采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，包含定子、一个螺纹杆、激励元件组以及固定部件，其特征在于：
定子，由一块圆板和同轴地垂直于该圆板且带有内螺纹和外螺纹的圆管状中心杆组成，该圆管状中心杆向垂直于所述圆板的内侧以及外侧延伸；
螺纹杆的外螺纹与所述向外侧延伸的圆管状中心杆的内螺纹相螺纹结合；
固定部件是与所述圆管状中心杆的外螺纹结合的一个或两个螺母；
激励元件组由四片环状压电陶瓷片和四片环状电极片依次交替排列组成，该激励元件组夹持在所述定子和固定部件之间，共同组成兰杰文振子结构，其中，压电陶瓷片的表面电极均匀分为相互绝缘的两个分区，每个分区都沿着陶瓷的厚度方向极化但极化的方向相反，每两片在空间上错开180度的压电陶瓷片组成一组，两组压电陶瓷片在空间上错开90度放置，并分别加上相位差为90度的正弦电信号和余弦电信号；
所述一个定子、一个螺纹杆、激励元件组和固定部件共轴连接，当所述激励元件组按以上所述方法极化并加上电信号后，激发定子弯曲振动，推动螺纹杆相对于定子进行螺纹转动的同时，实现该螺纹杆作直线运动。
所述激励元件组的平面形状与所述定子的圆板的形状相对应。
所述固定部件包括一块圆板和一个向外侧延伸的圆管，圆管固定并共轴垂直于圆板，该固定部件的圆管设置有与定子向外侧延伸并穿过激励元件组的圆管状中心杆的外螺纹相配合的内螺纹，从而用定子的所述向外侧延伸的圆管状中心杆和固定部件的所述向外侧延伸的圆管把激励元件组夹持在定子和固定部件之间。
所述定子的圆管状中心杆只向外侧延伸。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用兰杰文振子结构，压电陶瓷上下被金属块通过螺栓所夹持，整体在工作模态下的谐振频率较其它现有结构的压电驱动器有所降低。2、本发明通过紧固螺栓固定激励元件组，压电陶瓷不需要粘结，工艺简单，且压电陶瓷片设置为整体结构的圆环状，可以采用内电极与陶瓷共烧制备，易于薄型化，与集成电路工艺兼容，适合批量生产。3、陶瓷片即激励元件组在使用过程中有预压力作用，驱动器可以输出较大的推力，且夹持力改善了激励元件组的抗疲劳特性。4、本发明中夹持激励元件组的金属块增大了驱动器的惯性质量，也改善了散热性能，提高了驱动器的效率。5、本发明中兰杰文振子通过紧固螺栓对压电陶瓷施加较大的预应力，大功率驱动时压电陶瓷片处在收缩状态，提高了单位质量的功率。6、本发明中的中心杆放大了圆板的振动幅度，而驱动器的性能是与中心杆驱动端的振动幅度直接相关的，因此提高了驱动器的位移、速度等输出性能。7、本发明定子的结构为轴对称结构，可以产生理想的弯曲行波，因此提高了驱动器的输出稳定性。综上所述，本发明制造工艺简单，适合工业化生产，与已有技术相比，易于微型化，驱动器的输出性能更为稳定且输出力大，在光学调焦、精密驱动和微系统领域具广阔有应用前景。
附图说明
图1是现有技术中的一种螺纹杆压电驱动器的结构示意图；
图2是本发明的第一种结构的示意图；
图3是图2的结构装配关系示意图；
图4是图2中定子的剖面图；
图5是陶瓷片示意图；
图6是加激励后第一种结构的变形；
图7是本发明的第二种结构的示意图；
图8是图7的结构装配关系示意图；
图9是图7中定子的剖面图；
图10是本发明的第三种结构的示意图；
图11是图10的结构装配关系示意图；
图12是本发明的第四种结构的示意图；
图13是图12的结构装配关系示意图；
图14是图12中定子的剖面图；
图15是本发明的第五种结构的示意图；
图16是图15的结构装配关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细地描述。
实施例1：
如图2、图3所示，本实施例包括由两个对称部分组成的定子4、一与定子4通过螺纹连接的螺纹杆5、作为激励元件组的圆环形的多层压电陶瓷6以及固定部件7。定子4的两部分均由一圆板41和一圆管42组成，圆管42固定并垂直于圆板41，向圆板41的两侧延伸，圆板41的边缘有四个绕中心轴线对称分布的通孔43，定子4的剖面图如图4所示。螺纹杆5通过其上的外螺纹与圆管42的内螺纹连接。激励元件组6由四片压电陶瓷片61与四片电极片62交替排列组成。固定部件7包括四个螺栓71和四个螺母72，它们将定子4的两个对称部分与夹在中间的激励元件组6固定在一起。压电陶瓷片61、电极片62、组成定子4的圆板41和圆管42，以及螺纹杆5具有共同的中心轴线。
如图5所示，激励元件组6激励时分成压电陶瓷611和压电陶瓷612两组，每片陶瓷的表面电极均匀分为两个分区，每个分区都沿着陶瓷的厚度方向极化，但极化的方向相反，图中以“+”“-”符号代表不同的极化方向。如图3，在放置压电陶瓷611和压电陶瓷612两组陶瓷时，空间上错开90度。压电陶瓷611和压电陶瓷612两组陶瓷分别加相位差为90度的正弦信号和余弦信号。
当相位差为90度的两相交流信号通过电极片62加载在压电陶瓷611和612上时，定子将被激发作旋转式摇头弯曲振动，如图6所示。该行波波动将使定子表面质点产生椭圆运动，此椭圆运动通过定子4上的圆管42和螺纹杆5之间的接触摩擦驱动螺纹杆5沿周向旋转并产生扭矩输出，同时通过螺纹传动螺纹杆5产生沿中心轴线方向的直线运动。交换两路信号Vx和Vy可实现螺纹杆5的反向旋转和反向直线运动。
实施例2：
如图7、图8所示，本实施例中定子4由一圆板41和圆管42、44组成，圆管42、44固定并垂直于圆板41，分别向圆板41的两侧延伸，其中圆管42同时设置有外螺纹，定子4的剖面图如图9所示。螺纹杆5通过其上的外螺纹与圆管42、44的内螺纹连接。激励元件组6由四片压电陶瓷片61与四片电极片62交替排列组成。固定部件7包括一圆板73和圆管74，圆管74固定并垂直于圆板73，圆管74设置有与圆管42的外螺纹相配合的内螺纹。圆管74与圆管42将激励元件组6夹持在定子4和固定部件7之间。压电陶瓷片61、电极片62、螺纹杆5、组成定子4的圆板41和圆管42、44及组成固定部件7的圆板73和圆管74具有共同的中心轴线。
实施例3：
如图10、图11所示，本实施例中定子4由一圆板41和圆管42、44组成，圆管42、44固定并垂直于圆板41，分别向圆板41的两侧延伸，其中圆管42同时设置有外螺纹。螺纹杆5通过其上的外螺纹与圆管42、44的内螺纹连接。激励元件组6由四片压电陶瓷片61与四片电极片62交替排列组成。实施例中固定部件7为一螺母75，螺母75与圆管42的外螺纹相配合。通过螺母75与圆管42将激励元件组6夹持在中间并固定。压电陶瓷片61、电极片62、螺纹杆5、组成定子4的圆板41和圆管42、44及螺母75具有共同的中心轴线。
实施例4：
如图12、图13所示，本实施例中定子4由一圆板41和一圆管42组成，圆管42固定并垂直于圆板41，向圆板41的两侧延伸，圆管42同时设置有外螺纹，定子4的剖面图如图14所示。螺纹杆5通过其上的外螺纹与圆管42的内螺纹连接。激励元件组6分为两组，每组由两片压电陶瓷片61与两片电极片62交替排列组成，分别放置于圆板41的两侧。固定部件7包括螺母75和螺母76，螺母75和螺母76与圆管42的外螺纹相配合。通过螺母75和螺母76与圆管42将激励元件组6分别夹持在圆板41的两侧并固定。压电陶瓷片61、电极片62、螺纹杆5、组成定子4的圆板41和圆管42、螺母75和螺母76具有共同的中心轴线。
实施例5：
如图15、图16所示，本实施例中定子4由一底座45和一圆管42组成，圆管42固定并垂直于底座45，向底座45的一侧延伸，圆管42同时设置有外螺纹。螺纹杆5通过其上的外螺纹与圆管42的内螺纹连接。固定部件7包括一圆管77和一螺母78，螺母78与圆管42的外螺纹相配合。通过螺母78与圆管42将激励元件组6夹持在定子4和固定部件7之间。压电陶瓷片61、电极片62、螺纹杆5、组成定子4的底座45和圆管42、组成固定部件的圆管77和螺母78具有共同的中心轴线。
上述各实施例中，激励元件除采用压电陶瓷材料外，还可以采用磁致伸缩材料、电致伸缩材料、压电单晶材料等。
Claims (6)
1.采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，包含定子、一个螺纹杆、激励元件组以及固定部件，其特征在于：
定子，由圆板和同轴地垂直于该圆板的带有内螺纹的圆管状中心杆组成，共有上、下两个定子，各自的圆管状中心杆相对称且朝向外侧；
固定部件由相互螺纹连接的螺栓和螺母组成；
激励元件组由四片环状压电陶瓷片和四片环状电极片依次交替排列组成，激励元件组被穿过上、下定子的圆板的固定部件夹持在所述两个定子中间，共同组成兰杰文振子结构，其中，压电陶瓷片的表面电极均匀分为相互绝缘的两个分区，每个分区都沿着陶瓷的厚度方向极化但极化的方向相反，每两片在空间上错开180度的压电陶瓷片组成一组，两组压电陶瓷片在空间上错开90度放置，并分别加上相位差为90度的正弦电信号和余弦电信号；
所述螺纹杆的外螺纹与所述圆管状中心杆的内螺纹相螺纹结合；
所述两个定子、螺纹杆和激励元件组共轴，对所述激励元件组按以上所述方法极化并加上电信号后，激发两个定子弯曲振动，推动螺纹杆相对于定子进行螺纹转动的同时，实现该螺纹杆作直线运动。
2.根据权利要求1所述的采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，其特征在于，所述激励元件组的平面形状与所述定子的圆板的形状相对应。
3.采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，包含定子、一个螺纹杆、激励元件组以及固定部件，其特征在于：
定子，由一块圆板和同轴地垂直于该圆板且带有内螺纹和外螺纹的圆管状中心杆组成，该圆管状中心杆向垂直于所述圆板的内侧以及外侧延伸；
螺纹杆的外螺纹与所述向外侧延伸的圆管状中心杆的内螺纹相螺纹结合；
固定部件是与所述圆管状中心杆的外螺纹结合的一个或两个螺母；
激励元件组由四片环状压电陶瓷片和四片环状电极片依次交替排列组成，该激励元件组夹持在所述定子和固定部件之间，共同组成兰杰文振子结构，其中，压电陶瓷片的表面电极均匀分为相互绝缘的两个分区，每个分区都沿着陶瓷的厚度方向极化但极化的方向相反，每两片在空间上错开180度的压电陶瓷片组成一组，两组压电陶瓷片在空间上错开90度放置，并分别加上相位差为90度的正弦电信号和余弦电信号；
所述一个定子、一个螺纹杆、激励元件组和固定部件共轴连接，当所述激励元件组按以上所述方法极化并加上电信号后，激发定子弯曲振动，推动螺纹杆相对于定子进行螺纹转动的同时，实现该螺纹杆作直线运动。
4.根据权利要求3所述的用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，其特征在于，所述激励元件组的平面形状与所述定子的圆板的形状相对应。
5.根据权利要求3所述的采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，其特征在于，所述固定部件包括一块圆板和一个向外侧延伸的圆管，圆管固定并共轴垂直于圆板，该固定部件的圆管设置有与定子向外侧延伸并穿过激励元件组的圆管状中心杆的外螺纹相配合的内螺纹，从而用定子的所述向外侧延伸的圆管状中心杆和固定部件的所述一个向外侧延伸的圆管把激励元件组夹持在定子和固定部件之间。
6.根据权利要求3所述的采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动器，其特征在于，所述定子的圆管状中心杆只向外侧延伸。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |