模态转换型压电螺纹传动直线超声电机

摘要

本发明公开一种模态转换型压电螺纹传动直线超声电机，包括定子和动子，所述定子包括支撑架、纵振压电陶瓷片组和纵扭模态转换器，其中，支撑架中间设有用于固定电机的环片，纵振压电陶瓷片组通过螺纹压紧的方式固定在支撑架和纵扭模态转换器之间；所述动子是外圆柱面上加工有外螺纹的圆柱体，通过外螺纹和纵扭模态转换器上的内螺纹配合。此种电机结构简单，便于加工、装配、安装和应用，工作效率高，输出精度高，应用范围广。

权利要求

1.一种模态转换型压电螺纹传动直线超声电机，包括定子和动子，所述动子是外圆柱面上加工有外螺纹的圆柱体；所述定子包括支撑架、纵振压电陶瓷片组和纵扭模态转换器，其中，支撑架中间设有用于固定电机的环片；其特征在于：所述纵振压电陶瓷片组是纵振环形压电叠堆或单向极化的环形纵振陶瓷片有序排列组成，且纵振压电陶瓷片组通过螺纹压紧的方式固定在支撑架和纵扭模态转换器之间；所述纵扭模态转换器是管壁上开有阵列矩形槽或者阵列圆孔具有纵扭模态转换功能结构的圆形管，且圆形管的内部一端加工有与动子外圆柱面上的外螺纹相配合的内螺纹；所述的纵振压电陶瓷片组采用锯齿波信号作为驱动信号，在驱动信号激励下纵振陶瓷片组产生纵向振动，迫使与之压紧接触的纵扭模态转换器产生纵向振动；所述纵扭模态转换器利用管壁上的阵列矩形槽或者阵列圆孔将纵向振动转化为扭转振动，产生纵扭耦合模态；在驱动信号的前半周期，定子驱动螺纹处于其纵向振动平衡位置以上，定、动子接触，定子通过定、动子螺纹副间的摩擦作用把它所具有的扭振速度传给转子，使动子也发生旋转；在驱动信号的后半周期，定子驱动螺纹处于其纵向振动平衡位置以下，定、动子螺纹间脱离接触，定子所具有的反向扭振速度传不到动子，动子依靠它的惯性继续旋转；定子通过该摩擦作用和惯性脱离方式作用于动子，使动子在转动的同时输出纵向直线运动。

说明书

模态转换型压电螺纹传动直线超声电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种直线型超声电机，特别涉及一种模态转换型压电螺纹传动直线超声电机。

背景技术

[0002] 超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型微电机，具有低速大转矩、体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、无电磁干扰、位置和速度控制性好等突出优点，在工业控制、精密仪器仪表、航空航天、汽车专用电器、智能机器人以及医学仪器等领域有着广泛的应用前景。超声电机按照所需激励源可以分为两大类：一是通过双相电源激励产生定子所需的振动，二是通过单相电源激励获得定子所需的振动，模态转换型超声电机属于第二类；按其实现模态转换的方法又可以分为两类：一是通过定、转子结构之间的耦合作用来产生转换的模态。二是利用定子本体的结构来产生转换的模态。

[0003] 模态转换型压电螺纹传动直线超声电机能够直接输出直线运动，同时具有更高的直线定位精度，与其他超声电机相比具有结构简单、仅需单相激励的优点。

[0004] 基于以上分析，本发明人试图研发一种模态转换型压电螺纹传动直线超声电机，本案由此产生。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种模态转换型压电螺纹传动直线超声电机，其结构简单，便于加工、装配、安装和应用，工作效率高，输出精度高，应用范围广。

[0006] 本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

[0007] 一种模态转换型压电螺纹传动直线超声电机，包括定子和动子，所述定子包括支撑架、纵振压电陶瓷片组和纵扭模态转换器，其中，支撑架中间设有用于固定电机的环片，纵振压电陶瓷片组通过螺纹压紧的方式固定在支撑架和纵扭模态转换器之间；所述动子是外圆柱面上加工有外螺纹的圆柱体，通过外螺纹和纵扭模态转换器上的内螺纹配合。

[0008] 上述纵振压电陶瓷片组是纵振环形压电叠堆或单向极化的环形纵振陶瓷片有序排列组成。

[0009] 采用上述方案后，本发明利用压电陶瓷片的逆压电效应，激出弹性体的纵向振动，由于弹性体上开有槽，将该纵向振动转化为扭转振动，通过螺纹副的摩擦作用使动子转动和纵向沿直线移动，而研制成的直线型超声电机。

[0010] 在前半周期，定子驱动螺纹处于其纵向振动平衡位置以上，定、动子接触，定子把它所具有的扭振速度，通过定、动子螺纹副间的摩擦作用传给转子，使动子也发生旋转；后半周期，定子驱动螺纹处于其纵向振动平衡位置以下，定、动子螺纹间脱离接触，定子所具有的反向扭振速度传不到动子，动子依靠它的惯性继续逆时针旋转。由于螺纹副间的摩擦作用，动子的旋转运动就转化为动子纵向的直线运动。

[0011] 该型电机与其它类型的纵扭复合型超声电机最大的区别就是它不需要两组压电陶瓷来激励电机的纵振模态和扭振模态，只需一组纵振陶瓷片（d33 效应）激励，即可通过模态转换器的作用将纵向振动转换成扭转振动。因而理论上这种电机不存在模态频率一致性的问题，从设计角度来讲大大地方便了电机的设计。实际上，纵扭模态转换型超声电机只有一个工作模态，即纵扭耦合模态，它的正反转分别是在两个不同频率的纵扭耦合模态下进行工作的。

附图说明

[0012] 图1是本发明第一实施例的结构主视图；

[0013] 图2是图1的A-A剖视图；

[0014] 图3是本发明第二实施例的结构主视图；

[0015] 图4是图3的B-B剖视图；

[0016] 图5是本发明第一实施例的振型图；

[0017] 图6是本发明第二实施例的振型图；

[0018] 图7是施加于压电陶瓷组实现电机正向和反向的电激励信号；

[0019] 图8是本发明第一实施例的工作原理示意图；

[0020] 图9是本发明第二实施例的工作原理示意图。

具体实施方式

[0021] 以下将结合附图及具体实施例对本发明的结构进行详细说明。

[0022] 本发明提供一种模态转换型压电螺纹传动直线超声电机，包括定子和动子，定子部分由支撑架、纵振压电陶瓷片组和纵扭模态转换器组成，所述支撑架中间环片用于固定电机，支撑架伸出有外表面加工有外螺纹的圆管，用于安装纵振压电陶瓷片组和纵扭模态转换器；纵振压电陶瓷片组采用环状压电陶瓷片，套装在支撑架的伸出圆管上；纵扭模态转换器通过内螺纹和支撑架伸出圆管的外螺纹连接，并为纵振压电陶瓷片组提供预紧力，其中支撑架、纵振压电陶瓷片组及纵扭模态转换器形成一个夹心式兰杰文振子结构。所述动子是外圆柱面上加工有外螺纹的圆柱体，通过外螺纹和纵扭模态转换器上的内螺纹配合。以下将结合具体实施结构对本发明进行详细说明。

[0023] 如图1和图2所示，是本发明所提供的模态转换型压电螺纹传动直线超声电机的定子的第一实施结构，包括支撑架1、纵振压电陶瓷片组2和纵扭模态转换器3。

[0024] 所述纵振压电陶瓷片组包括两组，第一组包括纵振压电陶瓷片2-1和纵振压电陶瓷片2-2，第二组包括纵振压电陶瓷片2-3和纵振压电陶瓷片2-4；所述纵扭模态转换器3包括纵扭模态转换器3-1和纵扭模态转换器3-2。上述两组纵振压电陶瓷片2-1、2-2和2-3、2-4分组套装在支撑架1的两端伸出圆管上，形成对称结构。所述的纵扭模态转换器
3-1和3-2分别通过螺纹连接在所述支撑架1的两端伸出圆管上，形成对称结构。

[0025] 如图1和图2所示，本实施例中的模态转换型压电螺纹传动直线超声电机的动子4，为加工有外螺纹的柱体，通过螺纹和上述的纵扭模态转换器3-1、3-2配合。

[0026] 所述纵扭模态转换器3-1、3-2是圆形管，其管壁上开有阵列矩形槽或者阵列圆孔等具有纵扭模态转换功能的结构，且圆形管的内部一端加工有内螺纹。

[0027] 所述纵振压电陶瓷片2-1、2-2、2-3、2-4为圆形环状陶瓷片，每片压电陶瓷片表面镀银，不分区，单向极化。极化后的压电陶瓷片受电场作用会产生变形。由于压电陶瓷的d33压电效应，压电陶瓷片在变化电场作用下，会发生如图5所示的纵向缩短（或伸长）5和6，分别经过纵扭模态转换器3的转换，获得如图5所示的和纵扭模态转换器3上槽的旋向相同的顺时针（或逆时针）扭转7和8，二者耦合获得纵扭耦合模态，驱动所述动子4转动，由于螺纹配合的作用，动子4在纵向表现出直线运动。

[0028] 再请参考图3和图4所示，是本发明的第二种实施结构，包括支撑架1、纵振压电陶瓷片组2和纵扭模态转换器3。

[0029] 所述纵振压电陶瓷片组2包括纵振压电陶瓷片2-1和纵振压电陶瓷片2-2。上述纵振压电陶瓷片2-1、2-2套装在支撑架1的伸出圆管上。所述的纵扭模态转换器3通过螺纹连接在所述支撑架1的伸出圆管上。

[0030] 如图3和图4所示，本实施结构中的模态转换型压电螺纹传动直线超声电机的动子4，为加工有外螺纹的柱体，通过螺纹和上述的纵扭模态转换器3配合。

[0031] 所述纵扭模态转换器3是圆形管，其管壁上开有阵列矩形槽或者阵列圆孔等具有纵扭模态转换功能的结构，且圆形管的内部一端加工有内螺纹。

[0032] 所述纵振压电陶瓷片2-1、2-2为圆形环状陶瓷片，每片压电陶瓷片表面镀银，不分区，单向极化。极化后的压电陶瓷片受电场作用会产生变形。由于压电陶瓷的d33压电效应，压电陶瓷片在变化电场作用下， 会发生如图6所示的纵向缩短（或伸长）9，经过纵扭模态转换器3的转换，获得如图6所示的和纵扭模态转换器3上槽的旋向相同的逆时针（或顺时针）扭转10，二者耦合获得纵扭耦合模态，驱动所述动子4转动，由于螺纹配合的作用，动子4在纵向表现出直线运动。

[0033] 另外，采用如图7所示的锯齿波信号为驱动信号，波形从点a开始上升，驱动动子产生如图8与图9所示A方向的转动。可以看到锯齿波信号在到达峰值点b前以一个很小的斜率慢慢上升，在峰值点b处加在纵振压电陶瓷片组2上的电压信号达到最大值，纵振压电陶瓷片组2的变形亦达到最大。由于电压值是慢慢上升的，因此纵扭模态转换器3和动子4的配合螺纹之间没有相对滑动，动子4在A方向上会转动一个短的距离。电信号在从峰值点b到最小值点c之间突然下降，导致纵扭模态转换器3突然产生如图8与图9所示B方向的运动。由于这个运动非常迅速，系统力学特性如惯性和摩擦啮合等会妨碍动子4跟随纵扭模态转换器3的轴向运动。如此往复循环加载从点a到c的波形信号可以获得动子4产生如图8与图9中所示A方向的持续运动，这使得动子产生旋进的运动。

[0034] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。