利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超
声电机
技术领域
背景技术
[0002] 利用柱状定子弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转-直线超声电机是诸多类超声电机中的一种，相对于其它类超声电机，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。
[0003] 基于螺纹副传动的螺纹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
驻波驱动的螺纹驱动型超声电机，这两类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。
[0004] 为了降低电机定子的共振
频率，还提出了一种定子采用
悬臂梁结构的一端固支的压电复合弯曲梁驱动的螺纹直线电机，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；上述螺纹驱动型超声电机定子所用的压电元件多采用d31振动模式，该种振动模式在电机的微型化制造方面存在一定的优势，特别是对于超声
波导螺杆电动机来说，该优势体现得更为明显，但却同时不可避免的存在输出力较小的实际问题。
[0005] 为了提高电机的输出力，改善负载特性，出现了一类利用压电元件d33振动模式的压电片夹心式旋转直线超声电机，以及利用模态转换型的压电螺纹传动直线超声电机，与利用压电元件d31振动模式的螺纹驱动型超声电机相比，该类电机在输出力上具有明显优势，但存在微型化较困难的问题。
发明内容
[0006] 本发明是为了解决柱状定子弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转-直线超声电机微型化时输出力矩小的问题，提供一种利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机。
[0007] 本发明的第一种技术方案：
[0008] 利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴、金属管弹性套筒和m组压电陶瓷片，m为正整数，
[0009] 金属管弹性套筒套接在螺纹输出轴的外表面，并与螺纹输出轴通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒横截面的外轮廓呈正n边形，n的取值为4的整数倍，[0010] 金属管弹性套筒外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片，每组压电陶瓷片由n片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片的n片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒外表面的每个平面上；
[0011] 压电陶瓷片沿厚度方向极化，压电陶瓷片的上表面和下表面均
镀有
银电极。
[0012] 本发明的第二种技术方案：
[0013] 利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴、金属管弹性套筒和m组压电陶瓷片，m为正整数，
[0014] 金属管弹性套筒套接在螺纹输出轴的外表面，并与螺纹输出轴通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒横截面的外轮廓为由圆弧和两条直线段组成的形状，其中圆弧大于或等于二分之一圆周，两条直线段等长且相互垂直；
[0015] 金属管弹性套筒外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片，每组压电陶瓷片由两片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片的两片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒外表面的两个平面上；
[0016] 压电陶瓷片沿厚度方向极化，压电陶瓷片的上表面和下表面均镀有银电极。
[0017] 上述两种技术方案中，所述m组压电陶瓷片分别位于金属管弹性套筒的m阶弯曲振动的m个振幅的中心波幅处。
[0018] 所述压电陶瓷片通过环
氧树脂胶与金属管弹性套筒外表面粘接固定。
[0019] 所述金属管弹性套筒的材质为
钛合金、
铜合金、合金
钢或
铝合金；
[0020] 压电陶瓷片的材质为具有
压电效应的压电陶瓷材料。
[0021] 本发明的第三种技术方案：
[0022] 利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴、压电陶瓷管、两个金属帽和p组外电极，p为正整数，
[0023] 压电陶瓷管的两端分别粘接一个金属帽形成定子，所述定子套接在螺纹输出轴外侧，并且两个金属帽与螺纹输出轴通过螺纹副相配合连接，
[0024] 压电陶瓷管内表面上
覆盖有内电极，压电陶瓷管的外表面上沿轴向均匀分布p组外电极，每组外电极包括q个外电极，q的取值为4的整数倍，每组外电极中的q个外电极沿压电陶瓷管的圆周方向均匀分布固定，
[0025] 压电陶瓷管沿径向方向极化。
[0026] 所述压电陶瓷管与金属帽之间采用
环氧树脂胶粘接固定。
[0027] 所述金属帽的材质为钛合金、铜合金、
合金钢或
铝合金；
[0028] 压电陶瓷管的材质为具有压电效应的压电陶瓷材料。
[0029] 上述三种技术方案中：
[0030] 所述螺纹输出轴的两端为平头结构或者为球端结构。
[0031] 螺纹输出轴的材质为铜合金、合金钢类金属或聚四氟乙烯类高聚物材料。
[0032] 本发明的优点是：本发明通过激发自由定子空间上相互正交的两个高阶弯曲振动，如二阶或三阶弯曲振动模态，利用振动的叠加与耦合，在由金属管弹性
套管和m组压电陶瓷片组成的定子驱动端的内表面产生驱动行波，定子与螺纹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。本发明所述超声电机的性能有明显的改善，尤其在输出力方面，在满足微型化的同时，其最大输出力与现在技术相比可提高约50％以上。
[0033] 本发明工作效率高，机械特性好，促进了弯曲振动模态旋转-直线型超声电机的实用化和微型化
进程。
[0034] 本发明在航空航天、医疗器械、智能
机器人、数码产品以及精密驱动系统等领域有着广阔的应用前景。
附图说明
[0035] 图1为本发明实施方式一所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中压电陶瓷片为两组，金属管弹性套管横截面的外轮廓呈正方形；图中“+”号和“-”号表示压电陶瓷片的极化方向；
[0036] 图2为图1的沿轴向的剖视图；
[0037] 图3为图1的侧视方向剖视图；图中箭头表示压电陶瓷片的极化方向；
[0038] 图4为图1所示超声电机的二阶弯曲振动模态示意图；
[0039] 图5为本发明实施方式一所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中压电陶瓷片为三组，金属管弹性套管横截面的外轮廓呈正方形；
[0040] 图6为图5的沿轴向的剖视图；
[0041] 图7为图5所示超声电机的三阶弯曲振动模态示意图；
[0042] 图8为本发明实施方式二所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中压电陶瓷片为两组；
[0043] 图9为图8的侧视方向剖视图；
[0044] 图10为图8所示超声电机的二阶弯曲振动模态示意图；
[0045] 图11为本发明实施方式二所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中压电陶瓷片为三组；
[0046] 图12为图11所示超声电机的三阶弯曲振动模态示意图；
[0047] 图13为本发明实施方式六所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中外电极为两组；
[0048] 图14为图13的沿轴向的剖视图；
[0049] 图15为图13所示超声电机的二阶弯曲振动模态示意图；
[0050] 图16为本发明实施方式六所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中外电极为三组；
[0051] 图17为图16的沿轴向的剖视图；
[0052] 图18为图16所示超声电机的三阶弯曲振动模态示意图。
具体实施方式
[0053] 具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴1、金属管弹性套筒2和m组压电陶瓷片3，m为正整数，
[0054] 金属管弹性套筒2套接在螺纹输出轴1的外表面，并与螺纹输出轴1通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒2横截面的外轮廓呈正n边形，n的取值为4的整数倍，[0055] 金属管弹性套筒2外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片3，每组压电陶瓷片3由n片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片3的n片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒2外表面的每个平面上；
[0056] 压电陶瓷片3沿厚度方向极化，压电陶瓷片3的上表面和下表面均镀有银电极。
[0057] 图1至图4所示为利用二阶弯曲振动模态对称结构金属管定子的旋转-直线超声电机，其金属管弹性套筒2为对称结构，金属管弹性套筒2的横截面为四方的中空柱状对称结构，并且其内孔中加工有螺纹副，金属管弹性套筒2与两组压电陶瓷片3构成超声电机的定子，螺纹输出轴1的外表面加工有与金属管弹性套筒2相配合的螺纹副。
[0058] 本实施方式中所有压电陶瓷片3采用d31振动模式，压电陶瓷片3表面上具有薄的银电极，当压电陶瓷片3通电激励时应变即形变方向与极化方向相垂直。图1至图4中，压电陶瓷片3沿金属管弹性套筒2轴向分为两个激振组，沿金属管弹性套筒2轴向相邻的压电陶瓷片3的极化方向相反，沿金属管弹性套筒2圆周方向，压电陶瓷片3的按极化方向均分为两组，一组为由外向内，一组为由内向外。压电陶瓷片3的极化方向与通电方式相互配合，能够达到最大的输出力矩。
[0059] 图2和图3所示，将两组压电陶瓷片3放置于金属管弹性套筒2的二阶弯曲振动的两个振幅的中心波幅处，超声电机使用时可通过
法兰与螺钉配合固定在定子的振动
节点处。具体通电方式为：第一组激振组中两片相对设置的一对压电陶瓷片3通交流电
信号可以为sinωt，ω为交流
电信号的频率，t为时间；另外一对压电陶瓷片3通交流电信号为为
相位差；第二组激振组中与第一组激振组中一对压电陶瓷片3相应的那对压电陶瓷片3通交流电信号为-sinωt，第二组激振组中与第一组激振组中另外一对压电陶瓷片3相应的那对压电陶瓷片3通交流电信号为 金属管弹性套筒2外表面接地。其中交流电信号的频率ω一般应与该定子二阶弯曲振动共振频率相吻合或相近，由此达到激发定子空间相互正交的二阶弯曲振动模态的效果，
相位差 一般为90或270度，利用振动耦合在定子的两个自由端的内表面耦合产生驱动行波，在轴向负载力的作用下经由螺纹副实现螺纹输出轴1一个方向的旋转-直线运动输出；当相位差 由90变为270度时，可使螺纹输出轴1产生相反方向的旋转-直线运动输出，参见图4。
[0060] 图5至图7为利用三阶弯曲振动模态对称结构金属管定子的旋转-直线超声电机，其压电陶瓷片3为三组，三组压电陶瓷片3形成三个激振组，三组压电陶瓷片3分别放置于金属管弹性套筒2的三阶弯曲振动的三个振幅的中心波幅处，超声电机使用时可通过法兰与螺钉配合固定在定子的振动节点处，如图6和图7所示，具体通电方式为：第一激振组中一对相对的压电陶瓷片3通交流电信号可以为sinωt，另对一对陶瓷片3通 第二激振组中压电陶瓷片3与第一激振组中相应的压电陶瓷片3的通电信号相反；第二激振组中压电陶瓷片3的通电方向与上述类同，金属管弹性套筒2接地。其中该交流电信号的频率ω一般应与该定子三阶弯曲振动共振频率相吻合或相近，由此达到激发定子空间相互正交的三阶弯曲振动模态的效果，相位差 一般为90或270度，利用振动耦合在定子的两个自由端的内表面耦合产生驱动行波，在轴向负载力的作用下经由螺纹副实现螺纹输出轴1一个方向的旋转-直线运动输出；当相位差 由90变为270度时，可使螺纹输出轴1产生相反方向的旋转-直线运动输出，参见图7。
[0061] 具体实施方式二：下面结合图8至图12说明本实施方式，本实施方式所述利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴1、金属管弹性套筒2和m组压电陶瓷片3，m为正整数，
[0062] 金属管弹性套筒2套接在螺纹输出轴1的外表面，并与螺纹输出轴1通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒2横截面的外轮廓为由圆弧和两条直线段组成的形状，其中圆弧大于或等于二分之一圆周，两条直线段等长且相互垂直；
[0063] 金属管弹性套筒2外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片3，每组压电陶瓷片3由两片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片3的两片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒2外表面的两个平面上；
[0064] 压电陶瓷片3沿厚度方向极化，压电陶瓷片3的上表面和下表面均镀有银电极。
[0065] 图8至图10是利用二阶弯曲振动模态非对称结构金属管定子的旋转-直线超声电机，金属管弹性套筒2的横截面为半圆半方的中空柱状非对称结构，其内孔中加工有螺纹副，金属管弹性套筒2和两组压电陶瓷片3构成超声电机定子，螺纹输出轴1上加工有与金属管弹性套筒2相配合的螺纹副。
[0066] 压电陶瓷片3采用d31振动模式，其上下表面镀有薄的银电极，通电激励时应变即形变方向与极化方向相垂直。压电陶瓷片3沿金属管弹性套筒2圆周方向分为两个激振组，每组压电陶瓷片3的极化方向均为由外向内或由内向外。压电陶瓷片3的极化方向与通电方式相互配合，能够达到最大的输出力矩。
[0067] 将两组压电陶瓷片3放置于金属管弹性套筒2的二阶弯曲振动的两个振幅的中心波幅处，超声电机使用时可通过法兰与螺钉配合固定在定子的振动节点处，参见图9和图10，具体通电方式为：第一激振组中两片压电陶瓷片3分别通交流电信号可以为sinωt与-sinωt，第二激振组中两片压电陶瓷片3不通电，金属管弹性套筒2接地。本实施方式中交流电信号的频率ω一般应与该非对称结构定子的二阶弯曲振动共振频率相吻合或相近，由此达到激发定子一个方向的二阶弯曲振动模态的效果，由于定子采用非对称结构，由此可通过利用振动耦合在定子的两个自由端的内表面耦合产生驱动行波，在轴向负载力的作用下经由螺纹副实现螺纹输出轴1一个方向的旋转-直线运动输出；当第二激振组中两片压电陶瓷片3分别通交流电信号sinωt与-sinωt时，第一激振组中两片压电陶瓷片3不通电，金属管弹性套筒2接地。利用相同原理则可实现螺纹输出轴1相反方向的旋转-直线运动输出。
[0068] 图11和图12为利用三阶弯曲振动模态非对称结构金属管定子的旋转-直线超声电机，金属管弹性套筒2横截面为半圆半方的中空柱状非对称结构，其内孔中加工有螺纹副，金属管弹性套筒2与三组压电陶瓷片3构成超声电机的定子，螺纹输出轴1外表面上加工有与金属管弹性套筒2相配合的螺纹副。
[0069] 压电陶瓷片3采用d31振动模式，该类型压电片沿厚度方向极化，上下表面镀有薄的银电极，通电激励时应变即形变方向与极化方向相垂直。所有压电陶瓷片3沿圆周方向分为两个激振组，每个激振组包括3片压电陶瓷片3，两个激振组的压电陶瓷片3放置于金属管弹性套筒2的三阶弯曲振动的三个振幅的中心波幅处，超声电机使用时可通过法兰与螺钉配合固定在定子的振动节点处，参见图12。
[0070] 具体通电方式为：第一个激振组中三片压电陶瓷片3分别通交流电信号可以为sinωt、-sinωt与sinωt，第二个激振组中三片压电陶瓷片3不通电，金属管弹性套筒2接地。其中该交流电信号的频率ω一般应与该非对称结构定子的三阶弯曲振动共振频率相吻合或相近，由此达到激发定子一个方向的三阶弯曲振动模态的效果，由于定子采用非对称结构，由此可通过利用振动耦合在定子的两个自由端的内表面耦合产生驱动行波，在轴向负载力的作用下经由螺纹副实现螺纹输出轴1一个方向的旋转-直线运动输出；当第二激振组中三片压电陶瓷片3分别通交流电信号sinωt、-sinωt与sinωt，第一激振组中三片压电陶瓷片3不通电，金属管弹性套筒2接地，利用相同原理则可实现螺纹输出轴1相反方向的旋转-直线运动输出。
[0071] 具体实施方式三：下面结合图2和图6说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述m组压电陶瓷片3分别位于金属管弹性套筒2的m阶弯曲振动的m个振幅的中心波幅处。
[0072] 具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述压电陶瓷片3通过环氧树脂胶与金属管弹性套筒2外表面粘接固定。
[0073] 压电陶瓷片3与金属管弹性套筒2也可以通
过冷焊的方式固定。
[0074] 具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述金属管弹性套筒2的材质为钛合金、铜合金、合金钢或铝合金；
[0075] 压电陶瓷片3的材质为具有压电效应的压电陶瓷材料。
[0076] 本实施方式所述的压电陶瓷片3的材质可以为PZT4、PZT-5、PZT-8或PMNT。
[0077] 具体实施方式六：下面结合图13至图18说明本实施方式，本实施方式所述利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴1、压电陶瓷管4、两个金属帽5和p组外电极6-2，p为正整数，
[0078] 压电陶瓷管4的两端分别粘接一个金属帽5形成定子，所述定子套接在螺纹输出轴1外侧，并且两个金属帽5与螺纹输出轴1通过螺纹副相配合连接，
[0079] 压电陶瓷管4内表面上覆盖有内电极6-1，压电陶瓷管4的外表面上沿轴向均匀分布p组外电极6-2，每组外电极6-2包括q个外电极，q的取值为4的整数倍，每组外电极6-2中的q个外电极沿压电陶瓷管4的圆周方向均匀分布固定，
[0080] 压电陶瓷管4沿径向方向极化。
[0081] 图13至图15所示，为利用二阶弯曲振动模态压电管定子的旋转-直线超声电机，压电陶瓷管4外表面均匀分布有八个沿径向极化的供激励振动通电所用的外电极6-2，为了有效激振外电极优选布置于相应弯曲振动的振动波幅中心处，主要利用压电管定子的二阶或更高阶弯曲振动模态，电机使用时可通过法兰与螺钉配合固定在定子的振动节点处；金属帽5内孔加工有螺纹副，螺纹输出轴1的外表面加工有与金属帽5相配合的螺纹副。
[0082] 压电陶瓷管4沿径向方向极化，采用d31振动模式，该八个外电极沿压电陶瓷管4的轴向分为两个激振组，具体通电方式为：第一激振组中四片外电极6-2沿圆周方向顺次通交流电信号可以为sinωt、 -sinωt和 第二个激振组中外电极6-2与第一个激振组中相应的外电极6-2的通电信号相反；压电陶瓷管4内表面虚地。其中该交流电信号的频率ω一般应与该定子二阶弯曲振动共振频率相吻合或相近，由此达到激发定子空间相互正交的二阶弯曲振动模态的效果，相位差 一般为90或270度，利用振动耦合在定子的两个自由端金属帽5的内表面耦合产生驱动行波，在轴向负载力的作用下经由螺纹副实现螺纹输出轴1一个方向的旋转-直线运动输出；当相位差 由90变为270度时，可使螺纹输出轴1产生相反方向的旋转-直线运动输出，参见图13与图14。
[0083] 图16至图18所示，为利用三阶弯曲振动模态压电管定子的旋转-直线超声电机，压电陶瓷管4外表面均匀分布有十二个沿径向极化的供激励振动通电所用的外电极，为了有效激振外电极优选布置于相应弯曲振动的振动波幅中心处，主要利用压电管定子的三阶或更高阶弯曲振动模态，电机使用时可通过法兰与螺钉配合固定在定子的振动节点处；该十二个外电极可分为三组进行激振，该十二个外电极沿压电陶瓷管4的轴向分为三个激振组，具体通电方式为：第一激振组中四片外电极6-2沿圆周方向顺次通交流电信号可以为sinωt、 -sinωt和 第二个激振组中外电极6-2与第一个激振组中相应的外电极6-2的通电信号相反；第三个激振组中外电极6-2与第一个激振组中相应的外电极
6-2的通电信号相同，压电陶瓷管4内表面虚地。其中该交流电信号的频率ω一般应与该定子三阶弯曲振动共振频率相吻合或相近，由此达到激发定子空间相互正交的三阶弯曲振动模态的效果，相位差 一般为90或270度，利用振动耦合在定子的两个自由端金属帽5的内表面耦合产生驱动行波，在轴向负载力的作用下经由螺纹副实现螺纹输出轴1一个方向的旋转-直线运动输出；当相位差 由90变为270度时，可使螺纹输出轴1产生相反方向的旋转-直线运动输出，参见图18。
[0084] 具体实施方式七：本实施方式为对实施方式六的进一步说明，本实施方式所述压电陶瓷管4与金属帽5之间采用环氧树脂胶粘接固定。
[0085] 压电陶瓷管4与金属帽5之间还可以通过冷焊的方式固定。
[0086] 具体实施方式八：本实施方式为对实施方式六或七的进一步说明，所述金属帽5的材质为钛合金、铜合金、合金钢或铝合金；
[0087] 压电陶瓷管4的材质为具有压电效应的压电陶瓷材料。
[0088] 具体实施方式九：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六、七或八的进一步说明，所述螺纹输出轴1的两端为平头结构或者为球端结构。
[0089] 具体实施方式十：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的进一步说明，螺纹输出轴1的材质为铜合金、合金钢类金属或聚四氟乙烯类高聚物材料。
[0090] 本发明所述上述各个实施方式中，压电陶瓷片3或压电陶瓷管4采用的压电材料也可选择磁致收缩材料或静电材料等智能材料。
