CN206164395U - 一种微小型精密压电超声驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种微小型精密压电超声驱动装置，以解决当前的螺纹副驱动型超声电机使用时由于未进行封装而存在的可靠性、安全性与实用性差等问题。该驱动装置包括封装外架、电机输出轴、螺母弹性体、紧固螺钉、压电元件和封装后盖，封装外架通过紧固螺钉与螺母弹性体连接，螺母弹性体与压电元件胶粘固定，电机输出轴与螺母弹性体螺纹连接，封装后盖与封装外架螺纹连接；通过施加超声频段激励信号于压电元件，激发螺母弹性体产生两列驻波振动模态，利用振动模态叠加耦合产生行波，使得电机输出轴实现旋转‑直线运动输出。本实用新型具有定位精度高、响应速度快和环境应性强等优势，在数码产品、航空航天等微驱动领域具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微小型精密压电超声驱动装置，属于微驱动技术领域。
背景技术
利用定子弯曲振动模态的螺纹副驱动型旋转-直线超声电机是诸多类型超声电机中的一种，相对于其它类型的超声电机，该类超声电机的定子与输出轴通过螺纹副传动，通过激发定子空间上相互正交的两个弯曲振动模态，利用振动的耦合与叠加，在定子驱动端的内表面产生驱动行波，它能够较容易的实现螺纹输出轴旋转-直线自由度运动的输出。它与圆盘行波类型的超声电机相比，具有结构简单、易于微型化及定位精度高的特点。基于螺纹副传动的螺纹副驱动型超声电机根据超声电机定子结构与激振模式的不同可分为以下几种：定子为多面体结构的利用面内弯曲振动模态耦合驱动行波的螺纹驱动多面体超声电机，利用环状超薄结构定子面内弯曲振动模态驻波驱动的螺纹副驱动型超声电机，这几种电机的定子多采用多面体或圆环状结构，通过激发定子的面内振动模态实现电机输出部件的旋转-直线运动。
随着螺纹副驱动型超声电机的不断发展，一种定子采用悬臂梁结构的一端固支的压电复合弯曲梁螺纹副驱动型直线电机也被大量的研究学者研究了，该类电机主要是利用柱状悬臂梁结构定子的空间正交弯曲振动模态的耦合产生驱动行波，实现输出轴的运动输出；另一种具有代表意义的螺纹驱动型柱状旋转-直线超声电机主要有定子为粘贴压电片的金属管式与压电管式两种类型的超声波导螺杆电动机，该超声波导螺杆电动机主要是利用两端自由约束的柱体定子空间上正交的两个一阶弯曲振动相互耦合，在定子自由端的内表面产生驱动行波，定子与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转-直线运动输出；上述螺纹副驱动型超声电机定子所用的压电元件多采用d 31振动模式，利用该种振动模式使得电机在微型化制造方面存在一定的优势。综上所述，当前研究学者针对螺纹副驱动型超声电机所做的研究工作主要是集中在电机本体性能的提升，然而，在螺纹副驱动型超声电机的封装设计方面却鲜有报道，这使得螺纹副驱动型超声电机在精密驱动技术领域应用过程中严重的缺乏可靠性、安全性与实用性，这一定程度上限制了螺纹副驱动型超声电机在光学精密仪器、航空航天、数码产品、智能机器人以及医疗器械等精密驱动技术领域中的进一步发展与应用。
发明内容
为了解决螺纹副驱动型超声电机因未进行封装设计而导致其在微驱动技术领域应用过程中缺乏可靠性、安全性与实用性等技术问题，本实用新型公开了一种微小型精密压电超声驱动装置。
本实用新型所采用的技术方案是：
所述的一种微小型精密压电超声驱动装置包括封装外架、电机输出轴、螺母弹性体、紧固螺钉、压电元件和封装后盖，封装外架通过紧固螺钉与螺母弹性体固定，螺母弹性体与压电元件胶粘固定，电机输出轴与螺母弹性体螺纹连接，封装后盖与封装外架螺纹连接；所述封装外架设置有端部通孔、阶梯平面、端部外圆周面、紧固螺钉安装孔和封装内螺纹，所述端部通孔用于实现电机输出轴的运动输出，阶梯平面可作为封装外架与外围装置的连接平面，端部外圆周面通过与外围装置过盈配合固定封装外架，紧固螺钉安装孔通过紧固螺钉将螺母弹性体固定在封装外架上，封装内螺纹与封装后盖通过螺纹连接固定螺母弹性体；所述电机输出轴设置有输出轴外螺纹和解耦球头，所述输出轴外螺纹与螺母弹性体螺纹连接，解耦球头通过解耦可用于将输出的旋转-直线运动转换为直线运动；所述螺母弹性体设置有弹性体内螺纹、弹性体锥孔和弹性体外棱面，所述弹性体内螺纹与电机输出轴螺纹连接，弹性体锥孔通过紧固螺钉固定螺母弹性体，弹性体外棱面与压电元件胶粘连接；所述封装后盖设置有封装后盖外螺纹、导线孔和手动端面，所述封装后盖外螺纹通过封装内螺纹与封装外架螺纹连接，导线孔用于引出压电元件的导线，手动端面用于辅助旋紧封装后盖。
所述封装外架的端部通孔的内径与电机输出轴的外径满足的比值范围为1.1~1.5；封装外架的外径与端部外圆周面的外径比值满足的范围为1.5~3。所述螺母弹性体沿圆周方向设置有2个弹性体外棱面，弹性体外棱面与压电元件胶粘连接；封装外架的长度与螺母弹性体的长度比的取值范围为1~3；所述封装外架沿圆周方向设置有4个紧固螺钉安装孔，分别与4个紧固螺钉螺纹连接。
本实用新型的有益效果：本实用新型公开了一种微小型精密压电超声驱动装置。通过对螺纹副驱动型超声电机的封装，很好的解决了螺纹副驱动型超声电机在应用过程中存在的可靠性、安全性与实用性差等问题。同时，由于该微小型精密压电超声驱动装置具有定位精度高、响应速度快、环境适用能力强等技术优势，其在光学精密仪器、航空航天、数码产品、智能机器人以及医疗器械等精密驱动技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1所示为本实用新型提出的一种微小型精密压电超声驱动装置的爆炸视图；
图2所示为本实用新型提出的一种微小型精密压电超声驱动装置的整装结构示意图；
图3所示为本实用新型提出的一种微小型精密压电超声驱动装置的封装外架结构示意图；
图4所示为本实用新型提出的一种微小型精密压电超声驱动装置的封装外架结构侧视图；
图5所示为本实用新型提出的一种微小型精密压电超声驱动装置的电机输出轴结构示意图；
图6所示为本实用新型提出的一种微小型精密压电超声驱动装置的螺母弹性体结构示意图；
图7所示为本实用新型提出的一种微小型精密压电超声驱动装置的封装后盖结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图7说明本实施方式。本实施方式提供了一种微小型精密压电超声驱动装置的具体实施方案。所述一种微小型精密压电超声驱动装置由封装外架1、电机输出轴2、螺母弹性体3、紧固螺钉4、压电元件5和封装后盖6组成；封装外架1通过紧固螺钉4与螺母弹性体3连接，螺母弹性体3与压电元件5胶粘固定，电机输出轴2与螺母弹性体3螺纹连接，封装后盖6与封装外架1螺纹连接。
所述封装外架1为一种微小型精密压电超声驱动装置的封装组件，所述封装外架1设置有端部通孔1-1、阶梯平面1-2、端部外圆周面1-3、紧固螺钉安装孔1-4和封装内螺纹1-5，所述端部通孔1-1可用于实现电机输出轴2的运动输出，阶梯平面1-2可以作为封装外架1与外围装置的连接平面，主要起到限位与定位的作用。端部外圆周面1-3通过与外围装置的固定孔过盈配合固定封装外架1，进而实现该驱动模块驱动外围装置。所述紧固螺钉安装孔1-4通过紧固螺钉4固定螺母弹性体3，封装内螺纹1-5与封装后盖6螺纹连接固定螺母弹性体3。
所述电机输出轴2为一种微小型精密压电超声驱动装置的螺纹输出轴组件，所述电机输出轴2设置有输出轴外螺纹2-1和解耦球头2-2，所述输出轴外螺纹2-1与螺母弹性体3螺纹连接，解耦球头2-2通过解耦可将输出的旋转-直线运动转换为直线运动。
所述螺母弹性体3为一种微小型精密压电超声驱动装置的振动变形产生组件。所述螺母弹性体3设置有弹性体内螺纹3-1、弹性体锥孔3-2和弹性体外棱面3-3，所述弹性体内螺纹3-1与电机输出轴2螺纹连接，弹性体锥孔3-2通过紧固螺钉4固定螺母弹性体3，弹性体外棱面3-3与压电元件5胶粘连接，螺母弹性体3包含4个弹性体锥形孔3-2，它们分别对应弹性体锥形孔一3-2-1、弹性体锥形孔二3-2-2、弹性体锥形孔三3-2-3和弹性体锥形孔四3-2-4。
所述封装后盖6为一种微小型精密压电超声驱动装置的限位组件，所述封装后盖6设置有封装后盖外螺纹6-1、导线孔6-2和手动端面6-3，所述封装后盖外螺纹6-1通过封装内螺纹1-5与封装外架1螺纹连接，用来限制螺母弹性体3轴向窜动；所述导线孔6-2用于将压电元件5的导线导出，便于接线；所述手动端面6-3用于手动旋转封装后盖6，便于旋紧封装后盖6。
所述封装外架1的端部通孔1-1的内径与电机输出轴2的外径比值K满足的范围为1.1~1.5，本具体实施方式中，K的取值等于1.2，电机输出轴2的外径为15 mm，端部通孔1-1的内径为18 mm。所述封装外架1的外径与端部外圆周面1-3的外径比值H满足的范围为1.5~3，本具体实施方式中，H的取值等于2，封装外架1的外径为36 mm，端部外圆周面1-3的外径为18 mm。所述螺母弹性体3沿圆周方向设置有2个弹性体外棱面3-3，弹性体外棱面3-3与压电元件5胶粘连接；所述压电元件5为2片矩形压电陶瓷片，保定市宏声声学电子器材有限公司生产的PZT4型号和PTZ8型号。所述封装外架1中的封装内螺纹1-5的直径为30 mm，螺母弹性体3的横截面积为20 mm×20 mm，封装外架1的长度与螺母弹性体3的长度比L的取值范围为1~3，本具体实施方式中L的取值为3。所述封装外架1沿圆周方向设置有4个紧固螺钉安装孔1-4，分别与4个紧固螺钉4螺纹连接。
所述一种微小型精密压电超声驱动装置的激励方案如下所示。所述1片压电元件5构成一个激振组，并通以某一超声频段内（一般大于16 kHz）的正弦波激励电信号，激发螺母弹性体3产生某一驻波振动模态；所述其余的1片压电元件5构成另一个激振组，并通以某一超声频段内（一般大于16 kHz）的余弦波激励电信号，激发螺母弹性体3产生另一驻波振动模态；当上述两个激振组所施加激励电信号的相位差为90度时，两列驻波振动模态叠加耦合形成正向运动行波，使得电机输出轴2实现正向运动输出；当上述两个激振组所施加激励电信号的相位差为270度时，两列驻波振动模态叠加耦合形成反向运动行波，使得电机输出轴2实现反向运动输出。
综上所述，本实用新型公开了一种微小型精密压电超声驱动装置，较好的解决了螺纹副驱动型超声电机在实际应用过程中存在的可靠性、安全性与实用性差等问题。同时微小型精密压电超声驱动装置具有定位精度高、响应速度快、环境适用能力强等技术优势，在航空航天、数码产品、智能机器人以及医疗器械等精密驱动技术领域具有广泛的应用前景。
Claims (3)
1.一种微小型精密压电超声驱动装置，其特征在于该驱动装置包括封装外架（1）、电机输出轴（2）、螺母弹性体（3）、紧固螺钉（4）、压电元件（5）和封装后盖（6），封装外架（1）通过紧固螺钉（4）与螺母弹性体（3）固定，螺母弹性体（3）与压电元件（5）胶粘固定，电机输出轴（2）与螺母弹性体（3）螺纹连接，封装后盖（6）与封装外架（1）螺纹连接；所述封装外架（1）设置有端部通孔（1-1）、阶梯平面（1-2）、端部外圆周面（1-3）、紧固螺钉安装孔（1-4）和封装内螺纹（1-5），所述端部通孔（1-1）用于实现电机输出轴（2）的运动输出，阶梯平面（1-2）作为封装外架（1）与外围装置的连接平面，端部外圆周面（1-3）通过与外围装置过盈配合固定封装外架（1），紧固螺钉安装孔（1-4）通过紧固螺钉（4）固定螺母弹性体（3），封装内螺纹（1-5）与封装后盖（6）通过螺纹连接固定螺母弹性体（3）；所述电机输出轴（2）设置有输出轴外螺纹（2-1）和解耦球头（2-2），所述输出轴外螺纹（2-1）与螺母弹性体（3）螺纹连接，解耦球头（2-2）用于将输出的旋转-直线运动转换为直线运动；所述螺母弹性体（3）设置有弹性体内螺纹（3-1）、弹性体锥孔（3-2）和弹性体外棱面（3-3），所述弹性体内螺纹（3-1）与电机输出轴（2）螺纹连接，弹性体锥孔（3-2）通过紧固螺钉（4）将螺母弹性体（3）固定在封装外架（1）上，弹性体外棱面（3-3）与压电元件（5）胶粘连接；所述封装后盖（6）设置有封装后盖外螺纹（6-1）、导线孔（6-2）和手动端面（6-3），所述封装后盖外螺纹（6-1）通过封装内螺纹（1-5）与封装外架（1）螺纹连接，导线孔（6-2）用于引出压电元件（5）的导线，手动端面（6-3）用于辅助旋紧封装后盖（6）。
2.根据权利要求1所述的一种微小型精密压电超声驱动装置，其特征在于所述封装外架（1）的端部通孔（1-1）的内径与电机输出轴（2）的外径满足的比值范围为1.1~1.5；封装外架（1）的外径与端部外圆周面（1-3）的外径比值满足的范围为1.5~3。
3.根据权利要求1所述的一种微小型精密压电超声驱动装置，其特征在于所述螺母弹性体（3）沿圆周方向设置有2个弹性体外棱面（3-3），弹性体外棱面（3-3）与压电元件（5）胶粘连接；封装外架（1）长度与螺母弹性体（3）长度的比值范围为1~3；所述封装外架（1）沿圆周方向设置有4个紧固螺钉安装孔（1-4），分别与4个紧固螺钉（4）螺纹连接。
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