[发明专利]基于弯振模态的螺纹副驱动的超声电机及工作方法

说明书

技术领域

本发明为一种基于弯振模态的螺纹副驱动的超声电机及工作方法，属超声电机领域。

背景技术

直线超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，它利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线(旋转)运动，直接推动负载，它具有结构紧凑、低速大扭矩、响应快、定位精度高和电磁兼容性等优点。在航空航天、武器装备和精密驱动领域有着广泛的应用前景。目前国内超声电机的发展速度很快。在中国的专利网站上，有很多项关于直线超声电机的专利。

这其中，基于螺纹副驱动的超声电机作为目前诸多输出类型超声电机中的一种,其定子与输出轴间主要通过螺纹副进行运动传递。这种驱动方式一方面可以实现输出轴的旋转与直线两自由度运动输出,另一方面通过高精度传动螺纹可实现高定位精度与高输出力的目的。

美国的Henderson等利用自约束的中空方柱型金属定子空间上正交的一阶弯曲振动耦合研制出了两种不同尺寸的压电片贴片式螺纹幅驱动超声电机[]。由于螺纹副驱动的超声电机利用定子和动子的相对转动实现动子沿轴向的平动。定子和动子之间的螺纹存在，使得电机的自锁力充分大，保证了电机具有抗拒外部冲击并保持定子和动子沿轴向位置的能力。由于螺纹副驱动的超声电机结构简单、具有非常强的抗拒外部冲击的能力，在医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

清华大学的周铁英教授等人利用薄壁圆通的面内弯曲振动模态实现了一种多棱面螺纹副驱动型超声电机【CN200510114849.2】，并将其应用于光学调焦控制系统中。浙江大学鹿存跃发明的一种扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机【CN200810121130.5】用于手机镜头模组。尽管螺纹副驱动的超声电机具有结构简单、抗拒外部冲击能力强的优点，但是这种电机没有定子和动子之间的预压力调节装置，定子和动子之间的预压力会因为负载的变化而变化，从而使得电机的输出力发生变化，电机的输出性能难以控制。

发明内容

本发明的目的在于研制一种结构简单、能够方便调节预压力的基于弯振模态的螺纹副驱动的超声电机及工作方法。

本发明提出的一种基于弯振模态的螺纹副驱动的超声电机，其特征在于：包括定子，动子，夹持座；所述定子为空心柱，外形是四棱柱，内形是圆柱，并开有内螺纹；定子外表面贴有压电陶瓷片；定子固定于夹持座上；所述动子由主轴和套筒组成；主轴有两个不同直径圆柱体构成，大直径圆柱体开有外螺纹，小直径圆柱体为光滑表面；套筒为空心圆柱，其长度小于小直径圆柱体，套筒的外径与大直径圆柱体的外径相等，套筒的内径与小直径圆柱体的外径相等；套筒套在主轴的小直径圆柱体上；套筒的表面开有螺纹，套筒与主轴构成一个开有螺纹的圆柱体；套筒和小直径圆柱体上开有暗销孔，小直径圆柱体上的暗销孔比套筒上的小；套筒和小直径圆柱体通过销钉定位；初始状态时套筒与大直径圆柱体具有预留间隙；所述小直径圆柱体套上套筒后，仍然有一部分呈现在套筒之外；这部分开上螺纹，依次套上预压力弹簧和预压力螺母。

本发明提出的基于弯振模态的螺纹副驱动的超声电机的工作方法，其特征在于：通过调节动子一端的预压力螺母来调节动子与定子之间的预压力；在压电陶瓷片接入激励信号，以驱动动子在定子内部正转或反转

所述基于弯振模态的螺纹副驱动的超声电机装配完成后，由于在套筒和主轴上指定位置都有指定大小的暗销孔，主轴上的暗销孔比套筒上的稍小，主轴套筒通过销钉连接固定。但是由于套筒销钉孔略大，套筒与大圆柱体之间有预留间隙，当销钉插入后，套筒仍有很小的活动距离。销钉的作用是限制套筒与主轴在轴向转动，但是允许套筒与主轴在轴向平动。所述主轴的小直径圆柱体部分由于其长度大于套筒，因此在主轴套上套筒后，圆柱体仍然有一部分呈现在套筒之外。套上弹簧，并使用预压力螺栓压缩弹簧。在弹簧的作用下使得套筒具有向圆柱移动的趋势。从而改变动子螺纹与定子螺纹孔之间轴向预压力。确定最佳预压力。从而提高螺纹副驱动超声电机的输出力与精确度。本发明提出螺纹副驱动的超声电机定子和动子之间的预压力加载方法，实现预压力的有效加载一方面能够提高电机输出力和运行速度的稳定性，增加抗拒外部干扰能力；另一方面能够提高电机的输出力和增加电机的速度。