[發明專利]基于彎振模態的螺紋副驅動的超聲電機及工作方法

在審

• 申請號: 201711099075.X
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號: CN107707150A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 姚志遠;李南安;簡月
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/10
• 分類號: H02N2/10;H02N2/12
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明為一種基于彎振模態的螺紋副驅動的超聲電機及工作方法，屬超聲電機領域。

背景技術

直線超聲電機是20世紀80年代迅速發展和應用的一種新型微電機，它利用壓電元件的逆壓電效應和彈性體的超聲振動，通過定子和動子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動轉換成動子的宏觀直線(旋轉)運動，直接推動負載，它具有結構緊湊、低速大扭矩、響應快、定位精度高和電磁兼容性等優點。在航空航天、武器裝備和精密驅動領域有著廣泛的應用前景。目前國內超聲電機的發展速度很快。在中國的專利網站上，有很多項關于直線超聲電機的專利。

這其中，基于螺紋副驅動的超聲電機作為目前諸多輸出類型超聲電機中的一種,其定子與輸出軸間主要通過螺紋副進行運動傳遞。這種驅動方式一方面可以實現輸出軸的旋轉與直線兩自由度運動輸出,另一方面通過高精度傳動螺紋可實現高定位精度與高輸出力的目的。

美國的Henderson等利用自約束的中空方柱型金屬定子空間上正交的一階彎曲振動耦合研制出了兩種不同尺寸的壓電片貼片式螺紋幅驅動超聲電機[]。由于螺紋副驅動的超聲電機利用定子和動子的相對轉動實現動子沿軸向的平動。定子和動子之間的螺紋存在，使得電機的自鎖力充分大，保證了電機具有抗拒外部沖擊并保持定子和動子沿軸向位置的能力。由于螺紋副驅動的超聲電機結構簡單、具有非常強的抗拒外部沖擊的能力，在醫療、微機械、國防科技等方面有著廣闊的應用前景。

清華大學的周鐵英教授等人利用薄壁圓通的面內彎曲振動模態實現了一種多棱面螺紋副驅動型超聲電機【CN200510114849.2】，并將其應用于光學調焦控制系統中。浙江大學鹿存躍發明的一種扁平化帶螺紋副預緊的雙定子螺紋驅動超聲微電機【CN200810121130.5】用于手機鏡頭模組。盡管螺紋副驅動的超聲電機具有結構簡單、抗拒外部沖擊能力強的優點，但是這種電機沒有定子和動子之間的預壓力調節裝置，定子和動子之間的預壓力會因為負載的變化而變化，從而使得電機的輸出力發生變化，電機的輸出性能難以控制。

發明內容

本發明的目的在于研制一種結構簡單、能夠方便調節預壓力的基于彎振模態的螺紋副驅動的超聲電機及工作方法。

本發明提出的一種基于彎振模態的螺紋副驅動的超聲電機，其特征在于：包括定子，動子，夾持座；所述定子為空心柱，外形是四棱柱，內形是圓柱，并開有內螺紋；定子外表面貼有壓電陶瓷片；定子固定于夾持座上；所述動子由主軸和套筒組成；主軸有兩個不同直徑圓柱體構成，大直徑圓柱體開有外螺紋，小直徑圓柱體為光滑表面；套筒為空心圓柱，其長度小于小直徑圓柱體，套筒的外徑與大直徑圓柱體的外徑相等，套筒的內徑與小直徑圓柱體的外徑相等；套筒套在主軸的小直徑圓柱體上；套筒的表面開有螺紋，套筒與主軸構成一個開有螺紋的圓柱體；套筒和小直徑圓柱體上開有暗銷孔，小直徑圓柱體上的暗銷孔比套筒上的小；套筒和小直徑圓柱體通過銷釘定位；初始狀態時套筒與大直徑圓柱體具有預留間隙；所述小直徑圓柱體套上套筒后，仍然有一部分呈現在套筒之外；這部分開上螺紋，依次套上預壓力彈簧和預壓力螺母。

本發明提出的基于彎振模態的螺紋副驅動的超聲電機的工作方法，其特征在于：通過調節動子一端的預壓力螺母來調節動子與定子之間的預壓力；在壓電陶瓷片接入激勵信號，以驅動動子在定子內部正轉或反轉

所述基于彎振模態的螺紋副驅動的超聲電機裝配完成后，由于在套筒和主軸上指定位置都有指定大小的暗銷孔，主軸上的暗銷孔比套筒上的稍小，主軸套筒通過銷釘連接固定。但是由于套筒銷釘孔略大，套筒與大圓柱體之間有預留間隙，當銷釘插入后，套筒仍有很小的活動距離。銷釘的作用是限制套筒與主軸在軸向轉動，但是允許套筒與主軸在軸向平動。所述主軸的小直徑圓柱體部分由于其長度大于套筒，因此在主軸套上套筒后，圓柱體仍然有一部分呈現在套筒之外。套上彈簧，并使用預壓力螺栓壓縮彈簧。在彈簧的作用下使得套筒具有向圓柱移動的趨勢。從而改變動子螺紋與定子螺紋孔之間軸向預壓力。確定最佳預壓力。從而提高螺紋副驅動超聲電機的輸出力與精確度。本發明提出螺紋副驅動的超聲電機定子和動子之間的預壓力加載方法，實現預壓力的有效加載一方面能夠提高電機輸出力和運行速度的穩定性，增加抗拒外部干擾能力；另一方面能夠提高電機的輸出力和增加電機的速度。