CN104410324B - 一种微型旋转直线行波压电电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开的微型旋转直线行波压电电机，包括定子组件和丝杆（1），所述定子组件由一片圆形薄板（2）和两片圆环形压电陶瓷片（3）叠置而成，所述圆形薄板（2）设置有一个中心螺纹孔，并且在外圆周处均布了若干个通孔用于电机的固定安装；所述丝杆（1）通过螺纹孔装配在定子组件上。通过对两片圆环形压电陶瓷片（3）上的相邻扇形分区施加具有相位差的驱动信号，将在圆形薄板（2）的螺纹孔处激励出绕中心轴旋转的行波，通过摩擦作用驱动丝杆（1）转动，由于螺纹连接，丝杆（1）的绕轴线转动引起其沿轴线的直线运动；若激励电压信号全部反向，丝杆（1）的旋转‑直线运动将反向。该电机具有结构简单、紧凑、易于微型化、定位精度高等优点。

Description

一种微型旋转直线行波压电电机

技术领域

本发明涉及一种微型旋转直线行波压电电机，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

超声电机是上世纪八十年代发展起来的一种具有全新概念的微特电机，它利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、转子之间的摩擦将其转换为转子(动子)的回转(直线)运动，驱动负载。

超声电机在近三十年的发展中，已经取得了丰硕成果。部分超声电机已经在航空航天、武器、生物医学、光学、机器人等领域应用并商业化，特别值得一提的是行波旋转型超声电机，由于其定位精度高，响应时间短，已经应用在Canon公司照相机上AF镜头上的聚焦。但是行波旋转型超声电机定子上加工有齿槽结构，结构较复杂，制作成本高，且只能实现一个自由度的旋转运动。

发明内容

所要解决的技术问题：

本发明所要解决的问题是提出一种成本低、效率高、结构简单、紧凑、易于微型化、响应时间短、定位精度高，能够在微型场合下使用的微型旋转直线行波压电电机。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种微型旋转直线行波压电电机，包括定子组件和丝杆1，其特征在于：所述的定子组件由一片圆形薄板2和两片圆环形压电陶瓷片3叠置而成，所述的圆形薄板2设置有一个中心螺纹孔，并且在外圆周处均布了若干个通孔用于电机的固定安装；所述的丝杆1与定子组件的螺纹孔之间为过盈配合。

所述圆环形压电陶瓷片3分别粘贴在圆形薄板2的上下表面，其中心处均设有与中心螺纹孔同轴的中心通孔，丝杆1穿过中心通孔；该圆环形压电陶瓷片3沿厚度方向极化，且其表面上的电极均匀分隔出4个扇形分区，所述圆形薄板2上下表面分别与圆环形压电陶瓷片3的负极重合。

所述对圆环形压电陶瓷片3上相邻扇形分区的正极分别施加具有π/2相位差的正弦交流电压信号，激励出圆形薄板2在空间上正交的两个工作模态，所述两个工作模态在定子中心螺纹孔耦合出绕中心轴旋转的行波，行进的行波迫使螺纹孔微变形而压紧丝杆1，由于摩擦作用驱动丝杆1转动，同时由于螺纹连接，丝杆1绕轴线的转动引起其沿轴线方向的直线运动；当施加在压电陶瓷片3上的所有激励电压信号反向时，丝杆1的运动将反向。

当定子中心的螺纹孔处的行波沿周向行进的过程中，螺纹孔的振型倾斜绕丝杆1的轴线旋转，且其轴线与所述的丝杆1的轴线的夹角θ等于丝杆1的螺旋升角。

所述圆形薄板2外圆周处均布8个通孔，所述通孔位于工作模态的节圆处，用于电机定子的固定安装。

有益效果：

本发明的一种微型旋转直线行波压电电机不仅具有结构简单、紧凑、易于微型化、制作成本低、效率高，适合在微型场合下实现高精度定位、快速响应，同时该电机还能够输出绕轴线的旋转运动和沿轴线的直线运动。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明提出的微型旋转直线行波压电电机的整体结构示意图；

图2是圆形薄板结构示意图；

图3是圆环形压电陶瓷片的极化方式和安装示意图；

图4是施加在圆形薄板上表面的压电陶瓷片正极的电压信号示意图；

图5是施加在圆形薄板下表面的压电陶瓷片正极的电压信号示意图；

图6是工作模态A的振型图；

图7是工作模态B的振型图；

其中：1-丝杆，2-圆形薄板，2.1-螺纹孔，3-圆环形压电陶瓷片。

具体实施方式

本发明提供的微型旋转直线行波压电电机，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种微型旋转直线行波压电电机，如图1所示，包括定子组件和丝杆1，所述的定子组件由一片圆形薄板2和两片圆环形压电陶瓷片3叠置而成，所述的圆形薄板2设置有一个中心螺纹孔，并且在外圆周处均布了若干个通孔用于电机的固定安装；所述丝杆1通过螺纹孔装配在定子组件上。如图2所示，所述的圆形薄板2设置有一个中心螺纹孔，并且在外圆周处均布了8个通孔，所述通孔位于工作模态的节圆处，用于电机定子的固定安装。如图3所示，所述圆环形压电陶瓷片3分别粘贴在圆形薄板2的上下表面，其中心处均设有与中心螺纹孔同轴的中心通孔，丝杆1穿过中心通孔；该圆环形压电陶瓷片3沿厚度方向极化，且其表面上的电极均匀分隔出4个扇形分区，所述圆形薄板2上下表面分别与圆环形压电陶瓷片3的负极重合，并在圆环形压电陶瓷片3表面上均匀分隔出4个扇形分区。如图4所示为施加在所述的圆形薄板2上表面的圆环形压电陶瓷片3的电压激励信号，其中，相邻扇形分区施加具有π/2相位差的驱动信号。如图5所示为施加在所述的圆形薄板2下表面的圆环形压电陶瓷片3的电压激励信号，其中，相邻扇形分区施加具有π/2相位差的驱动信号。

实施例1

工作模态A的激励原理

当对圆形薄板2上表面的圆环形压电陶瓷片3的扇形分区1施加sin(ωt)的电压激励信号，扇形分区3施加-sin(ωt)的电压激励信号，同时对圆形薄板2下表面的圆环形压电陶瓷片3的扇形分区1施加-sin(ωt)的电压激励信号，扇形分区3施加sin(ωt)的电压激励信号。如图6所示，当正弦交流电压信号的频率接近与圆形薄板2的工作模态A(即圆形薄板2的B₁₁模态，具有一个节圆和一个节径)的频率时，将激励出圆形薄板2的工作模态A，此时，圆形薄板2中心处的螺纹孔倾斜，即螺纹孔的轴线与所述的丝杆1的轴线有一个夹角θ，圆形薄板外圆环处均布的8个通孔位于节圆处，由于没有弹性变形，可用于电机定子的固定安装。

工作模态B的激励原理

当对圆形薄板2上表面的圆环形压电陶瓷片3的扇形分区2施加cos(ωt)的电压激励信号，扇形分区4施加-cos(ωt)的电压激励信号，同时对圆形薄板2下表面的圆环形压电陶瓷片3的扇形分区2施加-cos(ωt)的电压激励信号，扇形分区4施加cos(ωt)的电压激励信号。如图7所示，当余弦交流电压信号的频率接近与圆形薄板2的工作模态B(即圆形薄板2的B₁₁模态，具有一个节圆和一个节径)的频率时，将激励出圆形薄板2的工作模态B，此时，圆形薄板2中心处的螺纹孔倾斜，即螺纹孔的轴线与所述的丝杆1的轴线有一个夹角θ，圆形薄板外圆环处均布的8个通孔位于节圆处，由于没有弹性变形，可用于电机定子的固定安装。

当同时激励两个模态时，由于所述的工作模态A与工作模态B在空间上具有π/2相位差，同时由于施加在圆环形压电陶瓷片3上的两项交流电压激励信号在时间上具有π/2相位差，故上述两个工作模态在定子中心的螺纹孔耦合出绕中心轴旋转的行波，行进的行波迫使螺纹孔微变形而压紧丝杆1，由于摩擦作用驱动丝杆1转动，同时由于螺纹连接，丝杆1的绕轴线转动引起其沿轴线的直线运动，因此，实现了电机的二自由度运动。若激励电压信号全部反向，丝杆1的旋转-直线运动将反向。当定子中心的螺纹孔处的行波沿周向行进的过程中，螺纹孔的振型倾斜绕丝杆1的轴线旋转，且其轴线与所述的丝杆1的轴线的夹角θ等于丝杆1的螺旋升角，同时，由于行波行进迫使螺纹孔产生微变形，导致孔的轴线与原来轴线产生夹角θ，增大了螺纹与丝杆1配合的预压力。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种微型旋转直线行波压电电机，包括定子组件和丝杆(1)，其特征在于：所述的定子组件由一片圆形薄板(2)和两片圆环形压电陶瓷片(3)叠置而成，所述的圆形薄板(2)设置有一个中心螺纹孔，并且在外圆周处均布了若干个通孔用于电机的固定安装；所述的丝杆(1)与定子组件的螺纹孔之间为过盈配合；

所述圆环形压电陶瓷片(3)分别粘贴在圆形薄板(2)的上下表面，其中心处均设有与中心螺纹孔同轴的中心通孔，丝杆(1)穿过中心通孔；该圆环形压电陶瓷片(3)沿厚度方向极化，且其表面上的电极均匀分隔出4个扇形分区，所述圆形薄板(2)上下表面分别与圆环形压电陶瓷片(3)的负极重合；

对所述圆环形压电陶瓷片(3)上相邻扇形分区的正极分别施加具有π/2相位差的正弦交流电压信号，激励出圆形薄板(2)在空间上正交的两个工作模态，所述两个工作模态在定子中心螺纹孔耦合出绕中心轴旋转的行波，行进的行波迫使螺纹孔微变形而压紧丝杆(1)，由于摩擦作用驱动丝杆(1)转动，同时由于螺纹连接，丝杆(1)绕轴线的转动引起其沿轴线方向的直线运动；当施加在压电陶瓷片(3)上的所有激励电压信号反向时，丝杆(1)的运动将反向。

2.根据权利要求1所述的微型旋转直线行波压电电机，其特征在于：当定子中心的螺纹孔处的行波沿周向行进的过程中，螺纹孔的振型倾斜绕丝杆(1)的轴线旋转，且其轴线与所述的丝杆(1)的轴线的夹角θ等于丝杆(1)的螺旋升角。

3.根据权利要求1或2所述的微型旋转直线行波压电电机，其特征在于：所述圆环形薄板(2)外圆周处均布8个通孔，所述通孔位于工作模态的节圆处，用于电机定子的固定安装。