CN101563839B - 一种直线驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种直线驱动器，由定子、转子和激励元件组成，定子由一圆板和一个固定并垂直于圆板的与转子通过螺纹连接的中心杆组成。激励元件的形状与该圆板的形状相应，并且与其粘贴为一体。定子、转子和激励元件具有一个共同的中心轴线。当激励元件连电后，激发定子振动，推动转子相对于定子进行螺旋转动，同时实现了转子的轴向直线运动。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种直线驱动器，特别是关于一种螺纹传动的直线驱动器。
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微型直线驱动器。原有的电磁驱动器在微小尺度下效率急剧降低，并且制造难度大。而压电驱动器是一种新型的驱动器，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超声电机，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6粘贴在管体1的四个侧面。对压电陶瓷片6施加特定的电压信号可激发管体1产生弯曲行波，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、需要的陶瓷片较多，粘贴比较复杂；3其结构不易薄型化，与集成电路工艺不兼容；4、该发明电机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直线驱动器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种直线驱动器，它由定子、转子和激励元件组成，其特征在于：所述定子由一圆板和一固定并垂直于所述圆板的与所述转子通过螺纹连接的中心杆组成，所述激励元件的形状与所述圆板相应，且与其粘贴为一体，所述定子、转子和激励元件具有一共同的中心轴线；激励元件连电后，激发所述定子振动，推动所述转子相对于所述定子进行螺旋转动的同时实现轴向直线运动。
所述定子的中心杆为一段固定在所述圆板中心的圆管，所述圆管内壁设置有内螺纹，所述转子外壁设置有与所述内螺纹配合的外螺纹。
所述圆管向所述圆板的一侧延伸。
所述圆管向所述圆板的两侧延伸。
所述定子的中心杆为一段固定在所述圆板中心的圆管，所述圆管向所述圆板的两侧延伸，所述圆管的两端分别设置有一螺塞，所述螺塞内壁设置有内螺纹，所述转子外壁设置有与所述内螺纹配合的外螺纹。
所述定子的中心杆为一段固定在所述圆板中心的螺纹杆，所述转子内壁设置有与所述螺纹杆配合的内螺纹。
所述激励元件为粘贴在所述定子圆板一侧的一片压电陶瓷片。
所述压电陶瓷片为表面电极均匀分为相互绝缘的四个扇区，沿着厚度方向极化，其中两个相邻分区的极化方向一致并与另两个分区的极化方向相反。
所述压电陶瓷片分为为四个独立扇形片，沿着厚度方向极化，其中两个相邻的极化方向一致并与另两个的极化方向相反。
所述激励元件为设置在所述定子的圆板两侧的两片压电陶瓷片。
所述两侧压电陶瓷片均为表面电极均匀分为相互绝缘的四个扇区，沿着厚度方向极化，其中两个相邻分区的极化方向一致并与另两个分区的极化方向相反，且两侧的两片激励元件中相对的分区极化方向一致。
所述两侧压电陶瓷片均分为四个独立扇形片，沿着厚度方向极化，其中两个相邻的极化方向一致并与另两个的极化方向相反。
所述的定子圆板有两个空间正交的含有一个节径和一个节圆的振动模态，这就是驱动器的工作模态。
所述的振动模态的频率大于20kHz。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将定子设置成一圆板形，可以方便地与激励元件配合，与现有技术的螺纹驱动多面体超声电机更为简单，因此降低了制造成本。2、本发明将压电陶瓷片设置为整体结构的圆环状或围成圆环状的扇形，因此与圆板粘贴容易，易于薄型化，与集成电路工艺兼容，适合批量生产。3、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。4、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，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超声电机的结构示意图
图2是本发明的一种结构示意图
图3是图2的部件分解示意图
图4是本发明的压电陶瓷片的分区极化和接线示意图
图5是本发明具有两片压电陶瓷片的结构示意图
图6是图5的结构装配关系示意图
图7是本发明的定子具有两个圆管的结构示意图
图8是本发明的定子具有两个螺塞的结构示意图
图9是图8的结构装配关系示意图
图10是本发明的四片扇形压电陶瓷片的结构示意图
图11是图10的结构装配关系示意图
图12是本发明的另一种结构示意图
图13是图12的结构装配关系示意图
图14是两个正交的B(1，1)模态示意图
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所示，本发明包括一定子4、一与定子4通过螺纹连接的转子5以及一作为激励元件的圆环形的压电陶瓷片6。如图3所示，定子4由一圆板41和一中心杆组成，本实施例的中心杆是一圆管42，圆管42的一端固定在圆板41中心，并垂直于圆板41。转子5通过其上的外螺纹与圆管42的内螺纹连接，压电陶瓷片6与定子4的圆板41粘贴为一体。压电陶瓷片6、组成定子4的圆板41和圆管42，以及转子5具有共同的中心轴线7。定子圆板41存在有两个空间正交的含有一个节径和一个节圆的面外弯曲振动模态，振动模态的频率大于20kHz，定义该模态为B(1，1)模态(如图4所示)，图中实线代表圆板边界，虚线即为所谓节线，该节线是圆板B(1，1)模态振动时振幅为零的地方。
如图5所示，压电陶瓷片6的表面电极均匀分为四个分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其中分区Ⅰ和Ⅱ沿厚度方向一致极化，分区Ⅲ和Ⅳ的极化方向一致并与分区Ⅰ和Ⅱ的极化方向相反，分区Ⅰ和Ⅳ接入电压信号Vx，分区Ⅱ和Ⅲ接入电压信号Vy；电压信号Vx和Vy是B(1，1)模态对应的频率下相位差为90度的正弦信号和余弦信号。此时定子圆板41中产生B(1，1)模态下的弯曲行波，定子4的圆管42放大了圆板41的振动幅度，圆管42的端部运动轨迹类似于摇头运动，转子5在上述运动产生的摩擦力的推动下沿周向旋转，并通过螺纹传动产生沿中心轴线7方向的运动。交换两路信号Vx和Vy可实现转子5的反向旋转和反向直线运动。
实施例2：
如图6、图7所示，本实施例中作为激励元件的圆环形压电陶瓷片可以设置两片6、8，两片压电陶瓷片6、8分别粘贴在定子4的圆板41两侧，两片压电陶瓷片6、8的分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在周向位置一致，转子5通过外螺纹与定子4的圆管42内螺纹连接，压电陶瓷片6、8，定子4和转子5具有共同的中心轴线7。
实施例3：
如图8所示，本实施例中定子4由一圆板41和一两端都伸出圆板41的圆管42组成，转子5通过外螺纹与定子4的圆管42内壁的内螺纹连接。圆板41、圆管42及转子5共有中心轴线7。
实施例4：
如图9、图10所示，本实施例中定子4由一圆板41，一个两端伸出圆板41的圆管42和两个螺塞43、44组成，两个螺塞43和44分别塞入圆管42的两端部，转子5通过外螺纹与两个螺塞44的内螺纹连接。
如图11、图12所示，上述各实施例中，每一个压电陶瓷片6可以由四片独立的扇形压电陶瓷片61、62、63、64组成，它们相互绝缘均匀地粘贴于定子4的圆板41一侧。独立的扇形压电陶瓷片61、62、63、64也可以是两组，分别粘贴在圆板41的两侧。扇形压电陶瓷片61和62沿厚度方向一致极化，扇形压电陶瓷片63和64的极化方向一致并与61和62的极化方向相反，扇形压电陶瓷片62和64接入电压信号Vx，扇形压电陶瓷片61和63接入电压信号Vy；Vx和Vy是B(1，1)模态对应的频率下相位差为90度的正弦信号和余弦信号。
实施例5：
如图13、图14所示，本实施例包括一定子4、一转子9以及一压电陶瓷片6。定子4由一圆板41和一螺纹杆45组成，螺纹杆46位于圆板41中心，并垂直于圆板41。转子9为一内壁具有内螺纹的圆管，转子9与定子4上的螺纹杆45连接，压电陶瓷片6、组成定子4的圆板41和螺纹杆45和转子9具有共同的中心轴线7。压电陶瓷片6与定子4的圆板41粘贴为一体，定子圆板41存在有两个空间正交的含有一个节径和一个节圆的面外弯曲振动模态，振动模态的频率大于20kHz，定义该模态为B(1，1)模态(如图4所示)。
本实施例压电陶瓷片6的表面电极分区与上述各实施例相同(如图5所示)，压电陶瓷片6的表面电极分为四个分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其中分区Ⅰ和Ⅱ沿厚度方向一致极化，分区Ⅲ和Ⅳ的极化方向一致并与分区Ⅰ和Ⅱ的极化方向相反，分区Ⅰ和Ⅳ接入电压信号Vx，分区Ⅱ和Ⅲ接入电压信号Vy；电压信号Vx和Vy是B(1，1)模态对应的频率下相位差为90度的正弦信号和余弦信号。如图13所示，此时定子4的圆板41中产生B(1，1)模态的弯曲行波，定子4上的螺纹杆45放大了圆板41的振动幅度，螺纹杆45的端部运动轨迹类似于摇头运动，转子9在上述运动产生的摩擦力的推动下沿周向旋转，并通过螺纹传动产生沿中心轴线7方向的直线运动，交换两路信号Vx和Vy可实现转子9的反向旋转和反向直线运动。
上述实施例中的压电陶瓷片6，也可以是设置在圆板41两侧的两片；同时每片压电陶瓷片6也可以是由四片独立扇形片组成。
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、人工肌肉、形状记忆合金等。
Claims (8)
1.一种直线驱动器，它由定子、转子和激励元件组成，其特征在于：所述定子由一圆板和一固定并垂直于所述圆板的与所述转子通过螺纹连接的中心杆组成，所述激励元件的形状与所述圆板相应，且与其粘贴为一体，所述定子、转子和激励元件具有一共同的中心轴线；所述定子的圆板存在有两个空间正交的含有一个节径和一个节圆的面外弯曲振动模态；所述激励元件的表面电极均匀分为四个分区I、II、III、IV，其中所述分区I和II沿厚度方向一致极化，所述分区III和IV的极化方向一致并与分区I和II的极化方向相反，所述分区I和IV接入电压信号Vx，所述分区II和III接入电压信号Vy；所述电压信号Vx和Vy是所述振动模态对应的频率下相位差为90度的正弦信号和余弦信号；所述激励元件连电后，激发所述定子振动，推动所述转子相对于所述定子进行螺旋转动的同时实现轴向直线运动。
2.如权利要求1所述的一种直线驱动器，其特征在于：所述定子的中心杆为一段固定在所述圆板中心的圆管，所述圆管内壁设置有内螺纹，所述转子外壁设置有与所述内螺纹配合的外螺纹。
3.如权利要求2所述的一种直线驱动器，其特征在于：所述圆管向所述圆板的一侧延伸。
4.如权利要求2所述的一种直线驱动器，其特征在于：所述圆管向所述圆板的两侧延伸。
5.如权利要求1所述的一种直线驱动器，其特征在于：所述定子的中心杆为一段固定在所述圆板中心的圆管，所述圆管向所述圆板的两侧延伸，所述圆管的两端分别设置有一螺塞，所述螺塞内壁设置有内螺纹，所述转子外壁设置有与所述内螺纹配合的外螺纹。
6.如权利要求1所述的一种直线驱动器，其特征在于：所述定子的中心杆为一段固定在所述圆板中心的螺纹杆，所述转子内壁设置有与所述螺纹杆配合的内螺纹。
7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种直线驱动器，其特征在于：所述激励元件为粘贴在所述定子圆板一侧的一片压电陶瓷片。
8.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种直线驱动器，其特征在于：所述激励元件为设置在所述定子的圆板两侧的两片压电陶瓷片。
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