[发明专利]压电片夹心式旋转直线超声电机定子

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电片夹心式旋转直线超声电机定子，属于超声电机技术领域。

背景技术

旋转直线超声电机是目前出现的诸多类型超声电机中的一种，它相对于其它类型超声电机来说，输出轴可以实现旋转、直线两自由度运动的输出，具有结构简单、易于微型化、定位精度高等优势。

根据定子的构成方式与驱动激励模式的不同，旋转直线超声电机主要有超声波导螺杆电动机、基于模态转换的金属方体定子旋转直线超声电机，以及螺纹驱动多面体超声电机等。其中美国专利《MECHANISM COMPRISED OF ULTRASONIC LEAD SCREW MOTOR》，公开号为US2006049720-A1，公开日为Mar.9，2006，公开的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。此类电机当前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；日本专利《基于模态转换的金属方体定子旋转直线超声电机》，公开号为JP2009261494-A，公开日为2009年11月12日，主要是利用粘贴压电片的复合金属方体定子的径向收缩振动(R₃振动模态)和轴向伸缩振动(T₁振动模态)两种模态间的转换来实现旋转与直线运动的输出，并且这两种运动是相互独立的，可以实现单独控制；中国专利《螺纹驱动多面体超声电机》，公开号为CN1767347A，公开日为2006年5月3日，主要是将压电元件粘贴到金属薄壁圆筒定子外侧的平面上，转子与金属薄壁圆筒定子通过螺纹相啮合，通过激励压电片使定子中产生沿圆周方向的面内弯曲行波，该面内弯曲行波通过螺纹直接驱动转子旋转并转换成转子的轴向直线运动。

上述三种旋转超声电机虽然在定子的构成方式与驱动激励模式上有所不同，但其共同点在于均利用压电元件较低机电耦合效率的d₃₁模式对定子进行激励，d₃₁振动模式是压电元件沿长度方向伸缩振动的模式，这种振动模式材料抗拉强度低并且实现能量转换的机电耦合效率低，使得电机的输出功率与输出效率受限，此外由于压电片与金属定子多是采用胶粘工艺进行粘接，因此在高低温环境下容易出现胶的脆化与软化等问题，并且为电机的批量化生产与微型化带来制作工艺复杂等技术难题。

发明内容

本发明为了解决现有旋转超声电机利用压电元件较低机电耦合效率的d₃₁模式对定子进行激励，使电机的输出功率与输出效率受限的问题，提供一种压电片夹心式旋转直线超声电机定子。

本发明提供的第一种技术方案：

压电片夹心式旋转直线超声电机定子，所述定子采用悬臂梁结构，它包括输出轴，它还包括金属前匹配环、金属后匹配环、n片压电陶瓷片、n-1片通电电极片和预紧螺母，所述n为整数，并且n为4的倍数，

金属前匹配环由圆筒段和输出段组成，

圆筒段的首端具有外螺纹，圆筒段的末端与输出段的首端固定连接，输出段为由首端至末端截面逐渐变小的圆台形，

金属后匹配环套接在圆筒段上，圆筒段上位于金属后匹配环与输出段的首端面之间套接有n片压电陶瓷片，每相邻两片压电陶瓷片之间分别均设置有一片通电电极片，

圆筒段的首端外螺纹上旋合有预紧螺母，

输出段末端的内环表面与输出轴通过螺纹副配合连接。

它还包括两片通电电极片，金属后匹配环与压电陶瓷片的接触面之间以及输出段与压电陶瓷片的接触面之间分别设置一片通电电极片。

所述金属后匹配环上具有轴向圆环突起，该轴向圆环突起的轴向表面为金属后匹配环与压电陶瓷片或通电电极片的接触面。

所述n片压电陶瓷片由圆筒段的首端至末端方向均分为两个激振组，每片压电陶瓷片均沿厚度方向极化，两个激振组的极化方向空间相错90度，每个激振组中的相邻压电陶瓷片的极化方向相反。

本发明提供的第二种技术方案：

压电片夹心式旋转直线超声电机定子，所述定子采用自由梁结构，它包括输出轴，它还包括金属前匹配环、金属后匹配环、n片压电陶瓷片和n-1片通电电极片，所述n为整数，并且n为4的倍数，

金属后匹配环通过末端的外螺纹与金属前匹配环首端的内螺纹连接形成哑铃形结构，