CN1964175A - 带有预压力机构的螺纹驱动多面体超声微电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有预压力机构的螺纹驱动多面体超声微电机，属于超声应用技术领域。它由定子、转子以及与定子或转子粘接成一体的压电元件构成；定子与转子相接触的表面带有螺纹，所说的转子也带有与定子相配合的螺纹；其特征在于，所述的定子为单定子、双定子或多定子，还包括预压力机构使得定、转子之间的螺纹相互压紧。本发明可广泛地应用于光学设备(如相机，摄像机、望远镜，显微镜，手机，照明，激光器，医疗器械)中的各种调焦镜头，及光圈、快门调节；也可用于其它直线定位系统，如微动工作台，或螺旋测位计、微泵中的流量调节等。本发明结构简单，效率较高，在体积、成本、效率等方面具有多重优越性，具有很强的实用性。

Description

带有预压力机构的螺纹驱动多面体超声微电机
技术领域
本发明属于超声应用技术领域，特别涉及一种带有预压力机构的螺纹驱动多面体超声微电机结构设计。
背景技术
压电超声微电机是利用压电材料的逆压电效应，采取特定的结构制成的驱动机构，它一般由定子、转子以及预压力机构等功能部件构成。它利用压电陶瓷的逆压电效应，在定子表面产生超声振动，并由定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动。超声微电机具有低转速、大转矩，不需要减速机构可直接驱动负载等优点。
由压电片激励的超声电机目前已经实现产业化，但很难微型化。压电圆柱微电机虽然可以做的很细，然而由于电极表面呈弧形，极化工艺和焊接工艺困难。已有的压电方柱超声微电机针对弧形表面问题采用了平面电极面，但是在相同尺寸下的弯曲刚度偏高。
本申请发明人已提出一种螺纹驱动多面体超声电机(中国专利申请号：200510114849.2)，它由定子、转子以及与定子或转子粘接成一体的多个压电陶瓷片构成；定子与转子相接触的表面带有螺纹，所说的转子也带有与定子相配合的螺纹。
其中一种具体结构为螺纹驱动四面体管式超声电机，如图1所示，包括上部有凸台的内管式定子11，凸台部分的外表面带有外螺纹，定子的下部的外表面为四面体，压电片12(共有四片：121、122、123、124)分别粘贴在四面体上构成振动体，具有内螺纹的外管式转子13套在定子11的外面，与定子的外螺纹相配合；定子内插有一固定的管件14，管件14的底端与定子的底端被固定支撑在一起。当压电片被激励时，定子通过外螺纹驱动带有内螺纹的转子沿轴向直线运动。由于内外螺纹间没有预紧(张)力，虽然其结构简单，但螺纹间会产生回程间隙，使运行不够稳定，如图3所示。
另一种结构如图2所示，8个压电片22分别粘接到金属8面体的外表面构成定子21，定子21产生面内弯曲行波或驻波，仅靠其螺纹表面直接接触转子螺纹表面去驱动转子23作螺旋运动。这种结构没有额外的施加预压力的机构，虽其结构简单，但运行不够稳定，会产生回程间隙，影响运行精度。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提供一种带有预紧(张)
力机构的螺纹驱动多面体超声微电机，使其不但性能稳定，而且结构简单。不但可产生面内弯曲行波，还可以形成面内弯曲行波或驻波的其他排列和激励方式。既可用于一体化光学设备焦距调节系统，又可用于其他被驱动元件的位置调节系统和微泵中的流量调节系统。
本发明提出的带有预紧(张)力机构的螺纹驱动多面体超声微电机，它由定子、转子以及与定子或转子粘接成一体的多个压电陶瓷片构成；定子与转子相接触的表面带有螺纹，所说的转子也带有与定子相配合的螺纹；其特征在于，所述的定子为单定子或多定子，还包括预压力机构使得定、转子之间的螺纹相互压紧。
上述的预紧(张)力机构采用弹簧或U形(或其他形状)弹性片或磁性元件的方式提供预紧(张)力。
所述的多面体超声电机定子上贴有数块压电元件(片状、弧形片、柱状或各种多面体、整体环形或锥形压电元件)，由信号电源激励面内超声振动，形成面内行波或驻波，定子与转子通过螺纹面直接摩擦驱动。
所述螺纹的截面可以是三角形、梯形、矩形以及凸面等各种形式及其组合，螺纹的形式可以是连续的、分段的或特定轨迹的曲线。
所述螺纹表面可经耐磨处理或涂有弹性耐磨材料。
所述的定子为单定子或者双(多)定子结构，采用弹簧或U型弹性片或磁性元件的方式提供预紧(张)力，使得定、转子之间的螺纹相互压紧，消除回程间隙，增大驱动力。
所述的单定子或者双(多)定子中的一个，其一端通过薄壁的振动隔离带固定在底座上。
所述的单定子或者双定子中的一个，其一端也可直接固定在底座上。
所述的转子为双(多)转子结构，采用弹簧或U型弹性片或磁性元件的方式提供预紧(张)力，使得定、转子之间的螺纹相互压紧，消除回程间隙，增大驱动力。
所述的定子上的螺纹表面通过摩擦方式驱动转子旋转，并使其产生相对的轴向运动，驱动相关元件直线运动。用于光学调焦，既可使得光学透镜组和成像元件的距离发生变化，实现简单或复合的光学调焦、变焦作用；又可用于其它被驱动元件，可实现位置调节或微泵中的流量调节功能。
本发明可广泛地应用于光学设备(如相机，摄像机、望远镜，显微镜，手机，照明，激光器，医疗器械)中的各种调焦镜头，及光圈、快门调节；也可用于其它直线定位系统，如微动工作台，或螺旋测位计、微泵中的流量调节等。
附图说明
图1为已有螺纹驱动四面体超声微电机的示意图；
A为正视图，B为俯视图；
图2为已有螺纹驱动多面体超声电微机的示意图；
A为正视图，B为俯视图；
图3为图1和图2的多面体超声电微机定、转子间螺纹驱动示意图；
图4为本发明实施例1，带预紧(张)力弹簧的多面体超声微电机螺纹驱动系统剖面结构示意图；
图5为本发明实施例3带转子帽和预紧(张)力弹簧的多面体超声微电机螺纹驱动系统剖面结构示意图；
图6为本发明实施例4带预紧(张)力弹簧的双定子多面体超声微电机螺纹驱动系系统剖面结构示意图；
图7为本发明实施例5带预紧(张)力U型弹性片的双定子多面体超声微电机螺纹驱动系统剖面结构示意图；
图8为本发明实施例6带预紧(张)力弹簧的双转子多面体超声微电机螺纹驱动系统剖面结构示意图；
图9为本发明实施例7带预紧(张)力U型弹性片的双转子多面体超声微电机螺纹驱动系统剖面结构示意图；
图10为本发明实施例8带磁性环的双转子多面体超声微电机螺纹驱动系统剖面结构示意图。
图11为本发明实施例8单压电片激励驻波超声微电机螺纹驱动的结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1：带预紧(张)力弹簧的螺纹驱动多面体超声微电机
本实施例的带预紧(张)力弹簧的螺纹驱动多面体超声微电机结构，如图4所示，包括超声电机，采用预紧(张)力弹簧48的预压力机构。超声电机包括转子41和定子43，定子43上贴有12块压电元件42(压电元件42可以是片状、弧形片、柱状或各种多面体、整体环形或锥形压电元件)。定子和转子上有相互配合的螺纹，螺纹的截面可以是三角形、梯形、矩形以及凸面等各种形式及其组合，螺纹的形式可以是连续的、分段的或特定轨迹的曲线。
定子的一端设有一薄壁隔离带45，隔离带的一端固定在基座44上，隔离带的作用是减弱基座对定子振动的影响。普通的螺纹接触对之间存在螺纹间隙(如图2所示，螺纹间隙的存在不但减小了螺纹31和32之间的传动力)，而且往复运动时会产生回程间隙，影响运动精度。为此有必要对螺纹副进行预紧(张)。本实施例中利用了压缩弹簧48，在转子41和基座44之间增加一个轴向预紧(张)力，轴向预紧(张)力的存在使得螺纹的齿总是在一个方向接触，消除了回程间隙，同时预紧(张)力的存在，也为调节摩擦驱动力的大小提供了一个手段。带钢珠的轴承46可以设置在底座上，也可以设置在定子上，用于在转子转动时减小摩擦力。压缩弹簧48的形式也可以是弹性片，轴承的形式也可以是容纳有滚珠的凹槽或者滑动片。
本实施例可应用于调焦，光学透镜体(组)可以选择设置在定子43的空腔49或/和转子41的空腔47中，成像元件可以设置在定子43一端的中心部位或光路中的某一位置。图中没有给出光学透镜体(组)和成像元件的具体位置。在压电元件42上施加交变电压后，定子43通过摩擦直接驱动转子41旋转，并通过螺纹的传动作用将转子41的旋转运动转化为相对的沿轴向的直线运动，带动光学透镜体(组)(或其他被驱动元件)运动，起到光学调焦(或位置调节)作用。
对于其它应用，被驱动元件可安放到转子上或转子空腔中。
实施例2：带转子帽和预紧(张)力弹簧的螺纹驱动多面体超声微电机
如图5所示，本实施例与实施例1的主要区别在于：在本实施例中，预紧(张)力弹簧512放在了定子53的外部，弹簧512的两个支撑端一个在转子帽511上，一个在轴承54上，轴承54可以设置在底座59上，也可以设置在定子53上，用于在转子511转动时减小摩擦力。弹簧的形式也可以是弹性片，轴承的形式也可以是容纳有滚珠的凹槽或者滑动片。57是耐磨涂层。
本实施例的预压力机构的另一种结构为：定子53和转子511之间的断面处，可以改用两个磁性环；或者一个是磁性环，另一个是铁磁环。由此产生磁性吸力，提供预紧(张)力。
实施例3：带预紧(张)力弹簧的双定子螺纹驱动多面体超声微电机
本实施例中采用的带预紧(张)力弹簧的双定子螺纹驱动多面体超声微电机，如图6所示。定子62和66同时驱动转子610运动，定子66的一端通过隔离带68固定在底座上69上，两个定子之间用弹簧63提供预紧(张)力，使得定、转子之间的螺纹相互压紧。堵块61和67粘贴在定子62、66上，挡在弹簧的两端。堵块的材料可为金属或者非金属。两个定子通过卡槽613定位，使定子62不发生转动。
本实施例应用时光学透镜组可以安装在转子空腔611和/或定子空腔612中。向压电元件64、65施加交变电压后，定子62和66同时驱动转子运动，既可驱动相关定位元件，也可带动光学透镜组运动，起到光学调焦作用。
其它部分结构和使用方法与实施例1或2所述相同或相似，此处不再赘述。
实施例4：带预紧(张)力U型弹性片的双定子螺纹驱动多面体超声微电机
如图7所示，本实施例与实施例3的主要区别在于：在本实施例中，采用了U型弹性片74连接两个定子71和76，使得定子71不发生转动，但支撑在定子71和76之间提供预紧(张)力，使得定、转子之间的螺纹相互压紧。
其它部分结构和使用方法与实施例3或2所述相同或相似，此处不再赘述。
实施例5：带预紧(张)力弹簧的双转子螺纹驱动多面体超声微电机
如图8所示，本实施例中采用了带预紧(张)力弹簧的双转子结构。本实施例采用了两个转子83和85，两个转子83和85之间用弹簧84提供预紧(张)力，使得定、转子之间的螺纹相互压紧。两个转子通过卡槽89定位，使其不发生相对转动，定子81同时驱动转子83和85运动，定子81的一端直接固定在底座87上；定子也可以采用实施例3中采用的隔离带的方式固定在底座上。
本实施例用于调焦，光学透镜体(组)可以安装在转子空腔810和/或定子空腔88中。向压电元件82施加交变电压后，转子83和85同时运动，带动光学透镜组运动，起到光学调焦作用。
实施例6：带预紧(张)力U型弹性片的双转子螺纹驱动多面体超声微电机
如图9所示，本实施例与实施例5的主要区别在于：在本实施例中，采用了U型弹性片94连接两个转子93和95，使其不发生相对转动，并支撑在转子93和95之间提供预紧(张)力，使得定、转子之间的螺纹相互压紧。
其它部分结构和使用方法与实施例5所述相同或相似，此处不再赘述。
实施例7：带磁性环的双转子螺纹驱动多面体超声微电机
如图10所示，本实施例与实施例6的主要区别在于：在本实施例中，采用两个磁性环1012在转子103和105之间提供预紧(张)力，使得定、转子之间的螺纹相互压紧。同时采用了卡槽109连接两个转子103和105，使其不发生相对转动。两个磁性环1012也可一个是磁性环，另一个是铁磁体。1012也可以施加在转子和底座(或定子)之间或双(多)定子之间。
其它部分结构和使用方法与实施例4所述相同或相似，此处不再赘述。
在上述具有双定子或双转子结构的实施例中预压力机构的实现方式还可将双定子(或双转子)错一个小角度同轴粘在一起，起到对螺纹副预紧的目的。
实施例8：螺纹驱动的单压电片激励驻波超声微电机
本实施例的结构如图11，转子113是实心的，只用一个压电片1121(也可用1，2.3及其倍数个压电片)粘贴在定子111上，单相信号电压激励定子产生面内驻波，该驻波通过定、转子间螺纹接触摩擦驱动转子旋转和直线运动。转子或定子也可是单、双、多转子或定子，可采用如实施例4-7的预压机构加预紧力。该转子可驱动微定位机构或微泵。
本实施例的压电片的数目和排列方式可用能形成面内弯曲行波或驻波的任何的压电片数目，如1，2，3或其倍数，以及采用相应的激励方式代替。
根据上述各实施例，通过采用单定转子或双定子或双转子结构，以及采用弹簧、U型弹性片以及磁性元件提供预紧(张)力，使得定、转子之间的螺纹相互压紧，消除回程间隙，增大驱动力，使定子与转子之间产生相对的轴向运动，被驱动元件安装在转子上则可获得沿轴向的直线运动。如果带动光学透镜体(组)运动，则起到光学调焦作用。光学透镜体(组)和成像元件的距离发生变化，实现简单或复合的光学调焦、变焦作用等。
提供预紧(张)力的办法还有将双定子(或双转子)错一个小角度同轴粘在一起，起到对螺纹副预紧的目的。这些预紧力的施加办法同样适合本发明一体化结构的多定子、多转子的超声微电机，并均可构成螺纹驱动光学调焦/变焦系统。也可使用于其他微定位机构或微泵系统。

Claims (10)

1、一种带有预压力机构的螺纹驱动多面体超声微电机，它由定子、转子以及与定子或转子粘接成一体的压电元件构成；定子与转子相接触的表面带有螺纹，所说的转子也带有与定子相配合的螺纹；其特征在于，所述的定子为单定子、双定子或多定子，还包括预压力机构使得定、转子之间的螺纹相互压紧。
2、根据权利要求1所述的超声微电机，其特征在于：所述的单定子、双定子或多定子中的一个的一端部直接粘结到底座上，或其一端部为薄壁的振动隔离带，该振动隔离带粘结到底座上。
3、根据权利要求1所述的超声微电机，其特征在于：所述的转子为单转子、双转子或多转子结构，该转子为实心或空心。
4、根据权利要求1、2或3所述的超声微电机，其特征在于：所述的预压力机构采用弹簧或U形弹性片或磁性元件，使得定、转子之间的螺纹相互压紧。
5、根据权利要求1或2所述的超声微电机，其特征在于：所述的预压力机构采用将双定子错一个小角度同轴粘在一起，对定、转子之间的螺纹副预紧。
6、根据权利要求2或3所述的超声微电机，其特征在于：所述的预压力机构采用将双转子错一个小角度同轴粘在一起，对定、转子之间的螺纹副预紧。
7、根据权利要求1、2或3所述的超声微电机，其特征在于：所述压电元件的数目和排列、激励方式是能形成面内弯曲行波或驻波的压电元件数目1，2，3或其倍数和相应的排列、激励方式。
8、根据权利要求7所述的超声微电机，其特征在于：所述压电元件为片状、弧形片、柱状、多面体、整体环形或锥形压电元件。
9、根据权利要求1、2、3、4或5所述的超声微电机，其特征在于：所述定子和转子上的相互配合的螺纹的截面为三角形、梯形、矩形或凸面及其组合，螺纹的形式为连续的、分段的或按轨迹的曲线所规定的形式。
10、根据权利要求1、2、3、4或5所述的超声微电机，其特征在于：所述定子和转子上的相互配合的螺纹表面进行耐磨处理或涂耐磨材料。
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