[发明专利]螺纹式直线超声电机

说明书

技术领域

本发明涉及超声波应用装置技术领域，具体是一种螺纹式直线超声电机。

背景技术

超声电机是一种压电电机，其利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声电机定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子(动子)及预压力机构等组成。与传统电磁电机相比，超声波电机具有许多特点和优点，比如：结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化；低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动；电机响应速度快，并且能实现断电自锁；位置和速度控制性好，位移分辨率高；超声波电机是通过振动摩擦进行能量转换的，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强；安静无噪声，超声波电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行；设计灵活，结构形式多样化。

螺纹超声电机定子和转子之间的驱动表面是螺纹面，可以直接将转子的旋转运动转化为直线运动，且将传统螺纹传动中需要克服的沿螺纹线的摩擦力变为驱动力，具有力放大作用，并提高了系统的效率。

螺纹超声电机已出现了两种类型，一种是摇头型棒状螺纹超声电机，由DavidHanderson等人在美国专利US 7170214 B2中提出来，其在一个压电陶瓷金属复合管定子的两端构造螺纹驱动端，使得螺纹驱动端的内螺纹与转子轴上的外螺纹配合，两路激励信号在压电陶瓷金属复合管上激励出摇头运动，驱动端驱动螺纹转子旋转，并将旋转转化转子的直线运动。定子整体结构较长。另一种类型是薄型面内行波螺纹电机，周铁英等人在中国专利200510114849(美国专利US 7902723 B2)中提出了一种采用螺母形状的压电陶瓷金属复合定子驱动的螺纹电机。

低速大力矩是微型超声电机的一个重要发展方向。目前存在的螺纹电机方案，电机在驱动时，定、转子的接触为点接触或线接触，出力不是很大。因此，仍旧需要发展新型原理的螺纹超声电机以满足狭小空间里的相对较大的驱动力的需求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种螺纹式直线超声电机。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种螺纹式直线超声电机，包括定子和转子，其中，所述定子包括定子基体和粘贴在定子基体上的纵振压电片和扭振压电片，所述定子基体为，在中空圆柱体上切出均布的四个平面，用于粘贴纵振压电片和扭振压电片，所述纵振压电片和扭振压电片均对称安装，成对使用；所述转子贯穿于定子，并通过转子的外螺纹与定子上的两个螺纹驱动端的内螺纹相配合；所述纵振压电片和扭振压电片在定子上激励出纵振和扭振的复合振动，使得定子螺纹驱动端上的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转，并将旋转运动转化为直线运动。

所述定子通过纵振压电片和扭振压电片形成一阶纵振和二阶扭振的复合振动模态作为工作模态，所述一阶纵振模态和二阶扭振模态频率接近，用同一频率激励信号对电机进行激励，从而在定子上激励出的纵、扭振动的相位差接近90度。

所述扭振压电片，其上表面电极分成左右两部分，下表面被完整电极，且与定子基体粘接在一起，扭振压电片左右两部分极化方向相反，施加相同的交变激励信号，贴在定子基体的两侧，单片使用时，在压电片上激励二阶弯曲变形，成对使用时则将扭振压电片的弯曲变形转化为定子基体的二阶扭转变形。

所述纵振压电片，沿厚度方向极化，其上、下表面被完整电极，且与定子基体粘接在一起，贴在定子基体的两侧，成对使用时，施加相同的交变激励信号，从而在定子基体上激励出一阶纵振变形。

所述转子的外螺纹牙型为三角形、梯形、矩形或圆弧形。

所述定子和/或转子上设有摩擦副。

所述纵振压电片和扭振压电片为压电陶瓷材料或压电单晶。

本发明提供的螺纹式直线超声电机，将常规直线驱动方案中原本需要克服的螺纹间的摩擦力变成了驱动力，并将转子的旋转运动转化为直线运动；定子采用贴片式结构，工艺简单、易于微型化；由于定、转子之间的接触为面接触，能提供更大的驱动力，并能实现调速和双向驱动，具有成本低、精度高(微米甚至纳米精度)、制作简单等优点。该方案的显著效果是克服了常规纵扭驱动模式中，扭振压电片难于微型化的困难，利于微型化，并能在狭小空间里提供稳定的相对较大的力矩输出。

附图说明

图1为纵向振动陶瓷片及其变型示意图，其中，(a)为极化方向图，(b)为变形图，图中，11为纵振压电片，12、13为电极面，14为极化方向，15为电场方向；