CN101364775B - 一种扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，包括转子和并列排列的两个定子；所述定子为中空的带有内螺纹的金属筒或金属多面体柱与压电元件和弹性金属电极复合而成，所述转子的外圆壁带有与定子的内螺纹相配合的外螺纹；所述转子与两个定子之间通过螺纹相啮合。本发明的扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机采用了双定子预紧的扁平化螺纹驱动结构，可将电机的高度尺寸加工得很小，同时通过在螺纹副间施加预紧力，消除回程间隙，提高电机精度、力/力矩性能、可靠性和稳定性，适宜微型化。本发明将在手机镜头模组、医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

Description

一种扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机

技术领域

本发明属于超声应用领域，特别地，涉及一种微型化的利用双定子对转子预紧的超声微电机。

背景技术

超声电机是利用压电材料的逆压电效应，采取特定的结构制成的驱动机构，它一般由压电元件片、定子、转子以及预压力机构，传动机构等功能部件构成。它利用压电元件的逆压电效应，在定子表面产生超声振动，并由定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动。

手机用照像镜头近年来发展迅速，手机近年来有逐步成为人们主要的拍照工具的趋势。这在客观上要求光学变焦镜头体积越来越小，变焦速度越来越快，成本越来越低。在尺寸小到10mm以下时，常规的电磁电机的效率会急剧下降，在小型化方面已经出现了技术上的瓶颈。而静电电机由于输出微弱，限制了其应用。超声波电机的效率虽然普遍不高，但是在小尺寸(5mm以下)时，其效率并没有明显减小，并且比电磁电机要高很多，且具有扭矩/体积比大，响应快，断电自锁，易于微、小型化等特点，更适合于对体积、变焦速度和精度有较高要求的光学调焦***，不但可以在较低的成本下做得很小，而且可以得到很高的进给精度。

通常，在手机镜头模组等应用场合，由于结构尺寸限制了超声电机的体积，常规的超声电机的功率和驱动力仍旧不够大，存在可靠性差、结构复杂和成本高等局限性，一直难于达到产业化要求。为了改善这种情况，申请者曾提出了面内行波螺纹驱动方案(中国发明专利：螺纹驱多面体超声波电机.申请号：2005101148492，申请日期：2005年11月18日)。所谓“面内”指的是定子上质点的变形在垂直于定子轴心线的平面内。如图1所示，压电元件12粘贴在金属多面体筒13上，形成定子，定子兼做电机的外壳，其定子和转子11通过螺纹副15接触，由定子上产生的环形面内行波通过螺纹副15的螺纹表面驱动转子11产生相对的旋转运动，并直接将转子11的旋转运动转变为轴向的直线运动。转子11为中空结构，可以嵌入光学镜头14，形成光学变焦结构。该电机采用了螺纹驱动方式，而不是传统的螺纹传动方式，该电机定子内壁上的螺纹表面是摩擦驱动表面，螺纹表面上产生的摩擦力是驱动力，而不是像传统的螺纹传动方式螺纹表面的摩擦力是运动阻力。该直线电机具有如下特点：结构扁平化，整体高度小；电机部件与镜头部件一体化，即电机的定子、转子11既是电机的结构部件，同时又是镜头的功能部件；没有中间传动机构，直接驱动转子11(镜头)产生直线运动，效率高；低速大进给力。与普通直线超声电机相比，直线进给力和自锁力相对要大很多；分辨率高，可控性好。

鉴于螺纹驱动的优点，董蜀湘提出了面内驻波的螺纹驱动方案(中国发明专利：微型压电马达-镜头片的集成驱动机构.申请号：200710022415.9，申请日期：2007年5月18日)，如图2所示，在电机的定子25上镶嵌有驱动足21。定子25在激励信号的驱动下，产生如图2所示的变形，使得驱动足21的运动轨迹为一个垂直于定子轴心线的椭圆。该振动为“面内振动”。驱动足21驱动中空转子22旋转，并通过螺纹副26将镶嵌有镜头24的中空转子22的旋转运动转化为沿轴线的上下运动，从而实现了镜头的对焦功能。定子25上的固定点23为驻波振动节点，用于电机的固定，而不影响定子25的振型。

这些驱动方案都存在着缺点，这些方案在定子和转子间都没有施加预紧力，定子、转子仅靠加工精度保证啮合，存在回程间隙，力矩波动大等问题，使得电机的性能很不稳定。

发明内容

针对现有技术螺纹驱动中在螺纹副上没有施加预紧力这个不足，本发明提供了一种扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，并用两个定子并列使用，通过固定的弹性金属电极片实现了定子、转子间螺纹副预紧力的施加。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，包括转子和并列排列的两个定子；所述定子为中空的带有内螺纹的金属筒或金属多面体柱与压电元件和弹性金属电极复合而成，所述转子的外圆壁带有与定子的内螺纹相配合的外螺纹；所述转子与两个定子之间通过螺纹相啮合。

本发明的有益效果是，本发明的扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机采用了双定子预紧的扁平化螺纹驱动结构，可将电机的高度尺寸加工得很小，同时通过在螺纹副间施加预紧力，消除回程间隙，提高电机精度、力/力矩性能、可靠性和稳定性，适宜微型化。本发明将在手机镜头模组、医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为面内行波螺纹驱动超声电机方案原理示意图；

图2为面内驻波螺纹驱动超声电机方案原理示意图；

图3为本发明扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机实施例1的结构示意图；

图4为图3中定子的结构分解示意图；

图5为一路信号激励时定子的变形示意图；

图6为本发明扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机实施例2的定子结构示意图；

图7为图6所示定子的陶瓷的分区及激励方式示意图。

具体实施方式

通常，超声波电机定子上的驱动质点的振动有振动轨迹垂直于定子轴心线的面内振动和不垂直于定子轴心线的行波振动和驻波振动。本发明针对的是非面内振动行波型的定子，定子上产生一个沿轴向振动的，周向传播的波动，定子利用这种波动(振动)通过接触面驱动转子旋转。

通常，定子的行波振动是利用两个驻波合成的。为了在定子上激励出行波，压电元件的极化分区较多，电极之间的空白也多，空白下的陶瓷对电机的激励没有正面贡献，而且有的极化分区还不能使用。在减小直径时，由于极化分区电极之间的空白不能按大小电机的比例进行缩小，空白下相对电极占用的面积比例更大；为了降低驱动电压，压电元件的厚度很小，通常10毫米直径时厚度做到0.3毫米左右，但定子的能量密度也因为陶瓷容量的减小而减小。

为了提高电机的能量密度，降低驱动电压，减少压电元件电极之间的空白，本发明提出了利用两片薄的压电元件在定子上激发出行波的方法。每一片陶瓷激发一个驻波，合成为一个行波。

本发明中所述的带弹性金属电极的扁平化定子，两个压电元件与一个带有内螺纹的金属筒或者金属多面体柱的上下两个端平面结合在一起，构成定子，结合方式可为粘结、焊接、沉积或溅射等，两个压电元件结构相同，沿着厚度方向极化，每个压电元件上、下电极面对应分成2、4等偶数个扇区，相邻扇区极化方向相反，结合在定子上、下表面的两片压电元件的极化方向上、下对称，且随压电元件扇区个数的不同，两片陶瓷以轴心线为轴，有90度或45度等不同角度的夹角，夹角的大小为180度除以电极面分区的个数。

定子的上下表面粘贴薄的弹性金属电极，用于引入激励信号，上表面或下表面的电极也用于电机的固定，形成支撑。在两个压电元件上施加相位差为90度的正弦或余弦激励信号。在激励信号的作用下，产生一个轴向振动的，周向传播的行波模式，定子利用这种振动通过螺纹副驱动转子旋转。

本发明并列使用了两个带弹性金属电极的定子，金属电极在安装后产生变形，两个定子上弹性金属电极产生的弹性力方向相反，同时作用在转子上，使得两个定子的驱动内螺纹表面分别与转子螺纹牙的上表面或下表面接触，在定子、转子间的螺纹副上施加一个预紧力，消除回程间隙。

转子为中空结构，其内装配透镜片可组成镜头模组。转子的材料可以为金属也可以为非金属。

定子和转子上的相互配合的螺纹的截面为三角形、梯形、矩形或凸面及其组合，螺纹的形式为连续的、分段的或按轨迹的曲线所规定的形式。定子和转子上的相互配合的螺纹表面进行耐磨处理或涂耐磨材料。

本发明还可以利用一个压电元件与带有内螺纹的金属筒或者金属多面体柱的一个端平面结合在一起，构成定子。压电元件沿着厚度方向极化，每个电极面分成3个或者4个扇区，或者分成3或者4的正整数倍数个扇区，相应地在每个扇区的电极面上依次施加相位差为120度或者90度的正弦或与余弦激励信号。电机定子上压电元件的外表面粘贴薄的金属电极，用于引入激励信号，定子金属体上另一表面粘贴金属电极，用于电机的固定，形成支撑和螺纹副的预紧。该电机定子的特点是带有弹性金属电极和内部驱动螺纹，采用了非面内的行波的螺纹驱动方式，双定子必须成对使用，并在螺纹副间实现了预紧力的施加。

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。附图非限制性地公开了本发明的部分实施例。

实施例一：利用两片压电元件构造定子的扁平化带螺纹副预紧的行波螺纹驱动超声微电机

图3给出了所发明的利用两片压电元件构造定子的扁平化带预紧的行波螺纹驱动超声微电机的结构和其在透镜调焦***中的实施方式。其中，定子34、35的结构完全相同，上下并列排列。定子34、35的内圆柱面和转子33的外圆柱面开有相互配合的螺纹副37，两个定子34、35同时驱动转子33旋转，并通过螺纹副37将转子33的旋转运动转化为沿轴向的直线运动。在压电元件31的表面粘贴有金属电极36和38，用于引入激励信号。电机定子34、35各有一个表面粘贴有一个弹性金属电极，用于电机的固定，并在螺纹副37间施加预紧力，从而避免了转子33在往复运动时形成回程间隙，提高了运转精度、输出力和力矩。

本实施例中，转子33为中空结构，其内装配透镜片32可组成镜头模组。转子的材料可以为金属也可以为非金属。

图4给出了上述实施例中超声波电机定子34、35的结构形式。两个压电元件43和45粘贴在金属筒44的上下表面，构成定子34或35，其上再粘贴弹性金属电极41。定子上用的两个压电元件结构相同，沿着厚度方向极化，每个电极面分成2个扇区，两个扇区极化方向相反。粘贴时，定子34、35的上下表面的两片压电元件43和45极化方向对称，且两片陶瓷43和45沿轴向有90度的夹角。所粘贴的弹性金属电极41的末端有装夹孔42。安装后，产生了变形的电极片41产生一个弹力，提供给螺纹副37，实现螺纹副37的预紧。弹性金属电极片41并不限于图示的形状。

图5给出了一路信号激励时双压电元件螺纹驱动超声电机定子34、35的变形示意图，定子34、35作往复的弯曲变形，为一个驻波，定子34、35上螺纹接触表面上的质点产生往复的振动。在两个压电元件43、45上施加相位差为90度的正弦或余弦激励信号，电机的定子34、35在两路激励信号的作用下，会产生一个轴向振动的，周向传播的行波模式，此时，定子34、35上螺纹接触表面上的质点的运动轨迹为一个椭圆。质点的振动为非面内振动。

电机的两个定子34、35同步工作，利用这种振动通过螺纹副37驱动转子33旋转。定子34、35和转子33上的相互配合的螺纹表面进行耐磨处理或涂耐磨材料。所述定子34、35和转子33上的相互配合的螺纹的截面为三角形、梯形、矩形或凸面及其组合，螺纹的形式为连续的、分段的或按轨迹的曲线所规定的形式。

图4和图5给出的压电元件43和45的分区方式为适合微小结构的最简单形式，为一个特例，在理论上，可行的分区方式为：每个压电元件43或45的上、下电极面对应分成2、4等偶数个扇区，相邻扇区极化方向相反，结合在定子上、下表面的两片压电元件43和45的极化方向上、下对称，且随压电元件扇区个数的不同，两片陶瓷43和45以轴心线为轴，有90度或45度等不同角度的夹角，夹角的大小为180度除以电极面分区的个数。

实施例二：利用单压电元件构造定子的扁平化带预紧的行波螺纹驱动超声微电机

实施例二与实施例一的不同之处在于实施例二采用了单个压电元件片构造定子，而实施例一中采用了两个压电元件片构造定子，其余则类似于实施例一。

图6给出了该实施例中电极定子的一种构造方式。一片压电元件61粘贴在金属筒62上表面，构成定子。电机定子上压电元件的外表面粘贴薄的金属电极64，用于引入激励信号，定子金属体上另一表面粘贴弹性金属电极63，同时用于电机的固定支撑。定子的内壁开有螺纹65。

图7给出了单压电元件螺纹驱动超声波电机压电元件61的激励方式原理示意图。一个压电元件61沿着厚度方向极化，电极面分成3个扇区，相应地在每个扇区的电极面上依次施加相位差为120度的正弦或与余弦激励信号。比如，电极面71上施加一个Asin(ωt)的正弦激励信号，在电极面72上施加一个Asin(ωt+2π/3)的正弦激励信号，在电极面73上施加一个Asin(ωt+4π/3)的正弦激励信号，这会在定子上激励出一个轴向振动的，周向传播的行波模式，此时，定子上螺纹接触表面上的质点的运动轨迹为一个椭圆。电机的两个定子同步工作，利用这种振动通过螺纹副驱动转子旋转。

图7给出的压电元件61的分区方式为适合微小结构的最简单形式，为一个特例，在理论上，可行的分区方式为：一个压电元件61沿着厚度方向极化，每个电极面分成3个或者4个扇区，或者分成3或者4的倍数个扇区，相应地在每个扇区的电极面上依次施加相位差为120度或者90度的正弦或与余弦激励信号。

实施例二与实施例一相比，结构稍微简单，但激励方式稍微复杂。

Claims (7)

1.一种扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，其特征在于，包括转子和并列排列的两个定子；所述定子由中空的带有内螺纹的金属筒与压电元件和弹性金属电极复合而成，或者由金属多面体柱与压电元件和弹性金属电极复合而成；所述转子的外圆壁带有与定子的内螺纹相配合的外螺纹；所述转子与两个定子之间通过螺纹相啮合；所述定子由带有内螺纹的金属筒或者金属多面体柱的两个端平面分别结合压电元件，两个压电元件的外表面再结合弹性金属电极组成；结合方式为粘结、焊接、沉积或溅射，两个压电元件结构相同，沿着压电元件厚度方向极化，每个压电元件上、下电极面对应分成偶数个扇区，相邻扇区极化方向相反，结合在定子上、下表面的两片压电元件的极化方向上、下对称，且随压电元件扇区个数的不同，两片压电元件以轴心线为轴，有不同角度的夹角，夹角的大小为180度除以电极面分区的个数。

2.如权利要求1所述的扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，其特征在于，电机定子的上下表面粘贴薄的弹性金属电极，用于引入激励信号，同时，上表面或下表面的电极也用于电机的固定，形成支撑。

3.如权利要求1所述的扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，其特征在于，定子的上下两个金属电极上施加相位差为90度的正弦或余弦激励信号。

4.如权利要求1所述的扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，其特征在于，所述压电元件沿着压电元件厚度方向极化，每个电极面分成3个或者4个扇区，或者分成3或者4的倍数个扇区，相应地在每个扇区的电极面上依次施加相位差为120度或者90度的正弦或与余弦激励信号。

5.如权利要求1所述的扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，其特征在于，所述定子在激励信号的作用下，产生一个沿轴向振动的，周向传播的行波模式，定子利用这种波动通过螺纹副驱动转子旋转；定子和转子上的相互配合的螺纹表面进行耐磨处理或涂耐磨材料。

6.如权利要求1所述的扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，其特征在于，两定子上下相邻安装，共用一个转子，利用两个定子上的弹性金属电极的弹性相互作用，形成螺纹副间的预压力，构成双定子驱动机构。

7.如权利要求1所述的扁平化带螺纹副预紧的双定子螺纹驱动超声微电机，其特征在于，在所述转子内装配光学透镜片组成镜头模组。

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