CN102751906B - 一种螺纹式空心旋转型行波超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种螺纹式空心旋转型行波超声电机，用于调节光阑，所述光阑包括光阑定圈和设有连杆的光阑动圈，本发明包括底座、压电陶瓷片、摩擦材料层、阻尼材料层以及均沿轴线空心设置的定子轴和转子轴。本发明能够使本发明不仅施加预压力大、调节精度高，而且安装方便、结构简单、输出扭矩大，同时能用于光阑调节系统。本发明也非常适合用于需要光阑调节精度高的精密光学系统中。

Description

一种螺纹式空心旋转型行波超声电机

技术领域

本发明专利涉及一种超声电机，尤其涉及一种螺纹施加预压力、空心轴输出的、可用于调节光阑的新结构旋转型行波超声电机。 

背景技术

光阑是控制光束通过多少的设备。主要用于调节通过的光束的强弱等。光阑通常是由光阑叶片、光阑动圈、定圈组成；并通过动圈和定圈的相对运动实现控制光阑叶片的运动，进而实现光阑的调节。目前光阑调节采用电磁电机带动减速机构来实现，其结构复杂，需要额外的减速机构，控制精度不高，体积大。而超声电机是一种利用逆压电效应，弹性体振动和摩擦传动原理的新型电机。与一般电磁电机相比，超声电机能直接输出低转速大力矩，结构紧凑、不产生磁场且瞬态响应快、定位精度高，非常适合取代传统的伺服电机。已应用于航空、航天、光学、医疗和微机电系统领域。 

但是，目前超声电机多为实心轴输出力矩（如中国专利：zl20102021943910），由于其结构限制，即采用实心轴输出，光路不能穿过，不能应用在光阑调节装置中。而环形超声电机由于采用叠弹簧施加预压力，其输出扭矩较小，不足以带动光阑的定圈和动圈实现相对运动。 

发明内容

本发明针对上述问题的不足，提出一种施加预压力大、调节精度高且能用于光阑调节系统的螺纹式空心旋转型行波超声电机。 

本发明专利为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种螺纹式空心旋转型行波超声电机，用于调节光阑，所述光阑包括光阑定圈和设有连杆的光阑动圈，包括底座、定子轴和转子轴；所述定子轴和转子轴均沿轴线空心设置，且转子轴置于定子轴的空腔内，同时转子轴的外壁与定子轴的内壁螺纹配合连接；所述定子轴的一端与底座固定连接，另一端向外延伸设置定子环形凸缘，而转子轴与定子环形凸缘相邻的端部向外延伸设置转子环形凸缘；转子环形凸缘位于定子环形凸缘外侧，且转子环形凸缘、定子环形凸缘两者的相邻面之间设置摩擦材料层，而定子环形凸缘与转子环形凸缘相背的表面粘贴有压电陶瓷片，转子环形凸缘与定子环形凸缘相背的表面设置阻尼材料层；所述转子轴内腔设置有用于光阑安装连接的安装部，且转子轴内腔依照转子轴运动轨迹开设用于限制光阑动圈与光阑定圈相对转动角度的限位槽；同时所述光阑动圈通过连杆穿过限位槽与定子轴连接固定。 

进一步地：所述定子轴与底座螺纹连接固定，所述底座设置有用于限制定子轴轴向运动的通孔阶梯面。 

优选的：所述底座沿周向通过设置螺钉或螺栓组件用于底座的安装固定。 

优选的：所述转子轴、定子轴以及光阑同轴设置。 

优选的：所述光阑安装在转子轴内腔所设置的阶梯环面的安装部。 

优选的：所述定子轴开设有固定螺纹孔，所述光阑动圈的连杆为双头螺杆，该双头螺杆一端与光阑动圈螺纹连接，另一端与固定螺纹孔相连。 

本发明的一种螺纹式空心旋转型行波超声电机，相比现有技术，具有以下有益效果： 

1.由于本发明设置有底座、定子轴和转子轴；所述定子轴和转子轴均沿轴线空心设置，且转子轴置于定子轴的空腔内，因此将光阑设置于定子轴的空腔内，可实现光路的通过，同时其空心直径大。

2.由于转子轴置于定子轴的空腔内，同时转子轴的外壁与定子轴的内壁螺纹配合连接，且转子轴的转子环形凸缘、定子轴的定子环形凸缘两者的相邻面之间设置摩擦材料层，因此，当转子轴与定子轴通过转子轴外壁与定子轴内壁螺纹配合连接时，转子环形凸缘与定子环形凸缘两者之间的距离就会减小，此时转子环形凸缘与定子环形凸缘之间产生相互作用，对摩擦材料层产生预应力。由于预压力时通过螺纹连接产生，因此其预压力大小可通过调节螺纹进行控制，因而可以施加的预压力比用叠弹簧施加的预压力大，进而其输出力矩大。当转子轴转动时，转子轴沿着转子轴的外壁与定子轴的内壁配合的螺旋旋转，转子环形凸缘与定子环形凸缘两者之间的距离就会产生变化，也就是他们之间的相互作用大小产生变化，因而预应力产生变化。当转子轴与定子轴之间的转动的转角较小时，转子环形凸缘与定子环形凸缘的距离变化小，因此转子环形凸缘与定子环形凸缘相互作用小，从而预应力产生变化小，此时可以近似认为预压力恒定。 

3.转子轴置于定子轴的空腔内，转子设计为空心。同时转子轴的外壁与定子轴的内壁螺纹配合连接，定子轴的环形凸缘高频微观振动通过定、转子轴摩擦作用实现转子轴垂直于定子轴的平面上作旋转运动。同时沿定子轴作伸缩运动，因此只需通过合理地设计定子轴的内壁螺纹的螺纹螺距，使得转子轴沿定子轴作伸缩运动的距离近似为零，即可使得转子轴只在垂直于定子轴的平面上作旋转运动。由于所述光阑与转子轴内腔所设置的安装部安装连接，同时所述光阑动圈的连杆穿过限位槽与定子轴连接固定，当转子轴转动时，由于光阑动圈通过连杆与定子轴连接，因此使得光阑定圈和动圈产生相对运动，从而能实现控制光阑叶片的运动，进而实现光阑的调节。由于本发明只有定子、转子和底座三个部件，大大减少了电机的零件数量，同时由于超声电机位置和速度控制性能好，位置分辨率高，响应快，因此可实现光阑的高精度自动调节，并且本发明也非常适合应用于卫星合成孔径雷达、医疗光学影像装置和激光精密加工中的光阑调节。 

4.由于底座设置有通孔阶梯面，因此所述定子轴与底座螺纹连接固定，所述当所述定子轴与底座螺纹连接时，能够限制定子轴轴向运动，防止定子轴伸出底座。 

5.由于所述底座沿周向通过设置螺钉或螺栓组件用于底座的安装固定，因此在其他器件上使用本发明时，可方便地将本发明固定在该器件上。 

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图； 

图2是图1的局部示意图，其中图2b为图1中1的结构示意图，图2a为图2b的俯视图；

图3是图1中定子轴的结构示意图；

图4是图1中定子轴和底座的结构示意图；

其中：1为转子轴，2为定子轴，3为底座，4为阻尼材料层，5为摩擦材料层，6为压电陶瓷片，7为限位槽，8为固定孔，9为底座螺钉孔，11为转子环形凸缘，12为安装部，13为第一外螺纹，21为定子环形凸缘，22为第一内螺纹，23为第二外螺纹，α为限位槽的角度。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。 

实施例

本实施例的一种螺纹式空心旋转型行波超声电机如图1-4所示，用于调节光阑，所述光阑包括光阑定圈和设有连杆的光阑动圈，本实施例包括底座、定子轴和转子轴，所述定子轴和转子轴均沿轴线空心设置，且转子轴置于定子轴的空腔内，同时转子轴的外壁与定子轴的内壁螺纹配合连接，所述转子轴为带柔性变形结构的柔性转子轴；所述定子轴的一端与底座固定连接，另一端向外延伸设置定子环形凸缘，而转子轴与定子环形凸缘相邻的端部向外延伸设置转子环形凸缘；所述定子轴固定在底座的一端内侧设置有第一内螺纹，外侧设置有第二外螺纹，所述转子轴与转子环形凸缘相背离的一端设置有与第一内螺纹相配合的第一外螺纹，所述转子轴与定子轴通过第一内螺纹、第一外螺纹螺纹连接；所述底座设置有与第二外螺纹相配合的第二内螺纹，同时所述底座设置有用于限制定子轴轴向运动的通孔阶梯面，所述定子轴与底座通过第二外螺纹、第二内螺纹螺纹连接；所述转子环形凸缘位于定子环形凸缘外侧，且转子环形凸缘、定子环形凸缘两者的相邻面之间设置摩擦材料层，而定子环形凸缘与转子环形凸缘相背的表面粘贴有压电陶瓷片，转子环形凸缘与定子环形凸缘相背的表面设置阻尼材料层；所述转子轴内腔设置有用于光阑安装连接的安装部，且转子轴内腔依照转子轴运动轨迹开设用于限制光阑动圈与光阑定圈相对转动角度的限位槽；同时所述光阑动圈通过连杆穿过限位槽与定子轴连接固定。即光阑动圈通过连杆与定子轴连接，光阑与转子轴安装固定，且光阑随转子轴在垂直于定子轴的平面上作旋转运动，由于光阑动圈通连杆与定子轴相连接，因此当转子轴转动时，带动光阑转动，由于光阑动圈通连杆与定子轴相连接，使得连杆不动，因而使得连杆驱动光阑动圈与光阑定圈进行相对运动，进而实现光阑的调节。同时转子轴内腔依照转子轴运动轨迹开设用于限制限位槽，即所述限位槽的开槽角度根据光阑定圈与动圈之间相对运动时的转动角度决定。 

所述底座沿周向通过设置螺钉或螺栓组件用于底座的安装固定，该底座沿周向开设有四个安装孔，用于通过螺钉或螺栓组件固定底座。 

所述转子轴、定子轴以及光阑同轴设置。 

所述光阑安装在转子轴内腔所设置的阶梯环面的安装部。 

所述定子轴开设有固定螺纹孔，所述光阑动圈的连杆为双头螺杆，该双头螺杆一端与光阑动圈螺纹连接，另一端与固定螺纹孔相连。 

由上述可知，本实施例的有益效果有： 

1. 由于本实施例设置有底座、定子轴和转子轴；所述定子轴和转子轴均沿轴线空心设置，且转子轴置于定子轴的空腔内，因此将光阑设置于定子轴的空腔内，可实现光路的通过，同时其空心直径大。

2.由于转子轴置于定子轴的空腔内，所述定子轴一端向外设置有定子环形凸缘，而另一端分别设置有第一内螺纹；所述转子轴一端向外设置有转子环形凸缘，而另一端设置有与第一内螺纹相配合的第一外螺纹，所述转子轴与定子轴通过第一内螺纹、第一外螺纹螺纹连接；同时转子轴的转子环形凸缘、定子轴的定子环形凸缘两者的相邻面之间设置摩擦材料层，因此，当转子轴与定子轴通过第一内螺纹、第一外螺纹螺纹连接时，转子环形凸缘与定子环形凸缘两者之间的距离就会减小，此时转子环形凸缘与定子环形凸缘之间产生相互作用，对摩擦材料层产生预压力。由于预压力时通过螺纹连接产生，因此其预压力大小可通过调节螺纹进行控制，因而可以施加的预压力比用叠弹簧施加的预压力大，进而其输出力矩大。当转子轴转动时，转子轴沿着第一内螺纹（第一外螺纹）螺旋旋转，转子环形凸缘与定子环形凸缘两者之间的距离就会产生变化，也就是他们之间的相互作用大小产生变化，因而预应力产生变化。当转子轴与定子轴之间的转动的转角较小时，转子环形凸缘与定子环形凸缘的距离变化小，因此转子环形凸缘与定子环形凸缘相互作用小，从而预应力产生变化小，可以近似认为预压力恒定。同时通过柔性转子改进了定、转子间的变形匹配，减少径向滑动和能量损耗。 

3. 由于转子轴置于定子轴的空腔内，同时定子轴、转子轴通过第一内螺纹、第一外螺纹连接，因此转子轴转动时，转子轴沿着第一内螺纹（第一外螺纹）螺旋旋转，因而转子轴能沿定子能在在垂直于定子轴的平面上做旋转运动，同时转子轴沿定子轴作伸缩运动，因此只需通过合理地设计定子轴的内壁螺纹（第一内螺纹）的螺纹螺距，使得转子轴沿定子轴作伸缩运动的距离近似为零，即可使得转子轴只在垂直于定子轴的平面上作旋转运动。由于所述光阑与转子轴内腔所设置的安装部安装连接，同时所述光阑动圈的连杆穿过限位槽与定子轴连接固定，当转子轴转动时，由于光阑动圈通过连杆与定子轴连接，因此使得光阑定圈和动圈产生相对运动，从而能实现控制光阑叶片的运动，进而实现光阑的调节，因而能调节光阑通过的光束强弱。同时由于本发明只有定子、转子和底座三个部件，大大减少了电机的零件数量，同时由于超声电机位置和速度控制性能好，位置分辨率高，响应快，因此可实现光阑的高精度自动调节，并且本发明也非常适合应用于卫星合成孔径雷达、医疗光学影像装置和激光精密加工中的光阑调节。 

4.由于底座设置有通孔阶梯面，因此所述定子轴与底座螺纹连接固定，所述当所述所述定子轴与底座通过第二外螺纹、第二内螺纹螺纹连接接时，能够限制定子轴轴向运动，防止定子轴伸出底座。 

5.由于所述底座沿周向通过设置螺钉或螺栓组件用于底座的安装固定，因此在其他器件上使用本实施例时，可方便地将本实施例固定在该器件上。 

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。 

Claims (1)

1.一种螺纹式空心旋转型行波超声电机，用于调节光阑，所述光阑包括光阑定圈和设有连杆的光阑动圈，包括底座、定子轴和转子轴；所述定子轴和转子轴均沿轴线空心设置，且转子轴置于定子轴的空腔内，同时转子轴的外壁与定子轴的内壁螺纹配合连接；所述定子轴的一端与底座固定连接，另一端向外延伸设置定子环形凸缘，而转子轴与定子环形凸缘相邻的端部向外延伸设置转子环形凸缘；转子环形凸缘位于定子环形凸缘远离底座的一侧，且转子环形凸缘、定子环形凸缘两者的相邻面之间设置摩擦材料层，而定子环形凸缘与转子环形凸缘相背的表面粘贴有压电陶瓷片，转子环形凸缘与定子环形凸缘相背的表面设置阻尼材料层；所述转子轴内腔设置有用于光阑安装连接的安装部，且转子轴内腔依照转子轴运动轨迹开设用于限制光阑动圈与光阑定圈相对转动角度的限位槽；同时所述光阑动圈通过连杆穿过限位槽与定子轴连接固定；所述定子轴与底座螺纹连接固定，所述底座设置有用于限制定子轴轴向运动的通孔阶梯面；所述底座沿周向通过设置螺钉或螺栓组件用于底座的安装固定；所述转子轴、定子轴以及光阑同轴设置；所述光阑安装在转子轴内腔所设置的阶梯环面的安装部；所述定子轴开设有固定螺纹孔，所述光阑动圈的连杆为双头螺杆，该双头螺杆一端与光阑动圈螺纹连接，另一端与固定螺纹孔相连。