一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的製作方法
2024-03-02 09:29:15 1
本實用新型涉及一種微小型精密壓電超聲驅動裝置，屬於微驅動技術領域。
背景技術：
利用定子彎曲振動模態的螺紋副驅動型旋轉-直線超聲電機是諸多類型超聲電機中的一種，相對於其它類型的超聲電機，該類超聲電機的定子與輸出軸通過螺紋副傳動，通過激發定子空間上相互正交的兩個彎曲振動模態，利用振動的耦合與疊加，在定子驅動端的內表面產生驅動行波，它能夠較容易的實現螺紋輸出軸旋轉-直線自由度運動的輸出。它與圓盤行波類型的超聲電機相比，具有結構簡單、易於微型化及定位精度高的特點。基於螺紋副傳動的螺紋副驅動型超聲電機根據超聲電機定子結構與激振模式的不同可分為以下幾種：定子為多面體結構的利用面內彎曲振動模態耦合驅動行波的螺紋驅動多面體超聲電機，利用環狀超薄結構定子面內彎曲振動模態駐波驅動的螺紋副驅動型超聲電機，這幾種電機的定子多採用多面體或圓環狀結構，通過激發定子的面內振動模態實現電機輸出部件的旋轉-直線運動。
隨著螺紋副驅動型超聲電機的不斷發展，一種定子採用懸臂梁結構的一端固支的壓電複合彎曲梁螺紋副驅動型直線電機也被大量的研究學者研究了，該類電機主要是利用柱狀懸臂梁結構定子的空間正交彎曲振動模態的耦合產生驅動行波，實現輸出軸的運動輸出；另一種具有代表意義的螺紋驅動型柱狀旋轉-直線超聲電機主要有定子為粘貼壓電片的金屬管式與壓電管式兩種類型的超聲波導螺杆電動機，該超聲波導螺杆電動機主要是利用兩端自由約束的柱體定子空間上正交的兩個一階彎曲振動相互耦合，在定子自由端的內表面產生驅動行波，定子與輸出軸通過螺紋副傳動，在軸向負載力的作用下實現輸出軸的旋轉-直線運動輸出；上述螺紋副驅動型超聲電機定子所用的壓電元件多採用d31振動模式，利用該種振動模式使得電機在微型化製造方面存在一定的優勢。綜上所述，當前研究學者針對螺紋副驅動型超聲電機所做的研究工作主要是集中在電機本體性能的提升，然而，在螺紋副驅動型超聲電機的封裝設計方面卻鮮有報導，這使得螺紋副驅動型超聲電機在精密驅動技術領域應用過程中嚴重的缺乏可靠性、安全性與實用性，這一定程度上限制了螺紋副驅動型超聲電機在光學精密儀器、航空航天、數碼產品、智慧機器人以及醫療器械等精密驅動技術領域中的進一步發展與應用。
技術實現要素：
為了解決螺紋副驅動型超聲電機因未進行封裝設計而導致其在微驅動技術領域應用過程中缺乏可靠性、安全性與實用性等技術問題，本實用新型公開了一種微小型精密壓電超聲驅動裝置。
本實用新型所採用的技術方案是：
所述的一種微小型精密壓電超聲驅動裝置包括封裝外架、電機輸出軸、螺母彈性體、緊固螺釘、壓電元件和封裝後蓋，封裝外架通過緊固螺釘與螺母彈性體固定，螺母彈性體與壓電元件膠粘固定，電機輸出軸與螺母彈性體螺紋連接，封裝後蓋與封裝外架螺紋連接；所述封裝外架設置有端部通孔、階梯平面、端部外圓周面、緊固螺釘安裝孔和封裝內螺紋，所述端部通孔用於實現電機輸出軸的運動輸出，階梯平面可作為封裝外架與外圍裝置的連接平面，端部外圓周面通過與外圍裝置過盈配合固定封裝外架，緊固螺釘安裝孔通過緊固螺釘將螺母彈性體固定在封裝外架上，封裝內螺紋與封裝後蓋通過螺紋連接固定螺母彈性體；所述電機輸出軸設置有輸出軸外螺紋和解耦球頭，所述輸出軸外螺紋與螺母彈性體螺紋連接，解耦球頭通過解耦可用於將輸出的旋轉-直線運動轉換為直線運動；所述螺母彈性體設置有彈性體內螺紋、彈性體錐孔和彈性體外稜面，所述彈性體內螺紋與電機輸出軸螺紋連接，彈性體錐孔通過緊固螺釘固定螺母彈性體，彈性體外稜面與壓電元件膠粘連接；所述封裝後蓋設置有封裝後蓋外螺紋、導線孔和手動端面，所述封裝後蓋外螺紋通過封裝內螺紋與封裝外架螺紋連接，導線孔用於引出壓電元件的導線，手動端面用於輔助旋緊封裝後蓋。
所述封裝外架的端部通孔的內徑與電機輸出軸的外徑滿足的比值範圍為1.1~1.5；封裝外架的外徑與端部外圓周面的外徑比值滿足的範圍為1.5~3。所述螺母彈性體沿圓周方向設置有2個彈性體外稜面，彈性體外稜面與壓電元件膠粘連接；封裝外架的長度與螺母彈性體的長度比的取值範圍為1~3；所述封裝外架沿圓周方向設置有4個緊固螺釘安裝孔，分別與4個緊固螺釘螺紋連接。
本實用新型的有益效果：本實用新型公開了一種微小型精密壓電超聲驅動裝置。通過對螺紋副驅動型超聲電機的封裝，很好的解決了螺紋副驅動型超聲電機在應用過程中存在的可靠性、安全性與實用性差等問題。同時，由於該微小型精密壓電超聲驅動裝置具有定位精度高、響應速度快、環境適用能力強等技術優勢，其在光學精密儀器、航空航天、數碼產品、智慧機器人以及醫療器械等精密驅動技術領域具有廣泛的應用前景。
附圖說明
圖1所示為本實用新型提出的一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的爆炸視圖；
圖2所示為本實用新型提出的一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的整裝結構示意圖；
圖3所示為本實用新型提出的一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的封裝外架結構示意圖；
圖4所示為本實用新型提出的一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的封裝外架結構側視圖；
圖5所示為本實用新型提出的一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的電機輸出軸結構示意圖；
圖6所示為本實用新型提出的一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的螺母彈性體結構示意圖；
圖7所示為本實用新型提出的一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的封裝後蓋結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式一：結合圖1~圖7說明本實施方式。本實施方式提供了一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的具體實施方案。所述一種微小型精密壓電超聲驅動裝置由封裝外架1、電機輸出軸2、螺母彈性體3、緊固螺釘4、壓電元件5和封裝後蓋6組成；封裝外架1通過緊固螺釘4與螺母彈性體3連接，螺母彈性體3與壓電元件5膠粘固定，電機輸出軸2與螺母彈性體3螺紋連接，封裝後蓋6與封裝外架1螺紋連接。
所述封裝外架1為一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的封裝組件，所述封裝外架1設置有端部通孔1-1、階梯平面1-2、端部外圓周面1-3、緊固螺釘安裝孔1-4和封裝內螺紋1-5，所述端部通孔1-1可用於實現電機輸出軸2的運動輸出，階梯平面1-2可以作為封裝外架1與外圍裝置的連接平面，主要起到限位與定位的作用。端部外圓周面1-3通過與外圍裝置的固定孔過盈配合固定封裝外架1，進而實現該驅動模塊驅動外圍裝置。所述緊固螺釘安裝孔1-4通過緊固螺釘4固定螺母彈性體3，封裝內螺紋1-5與封裝後蓋6螺紋連接固定螺母彈性體3。
所述電機輸出軸2為一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的螺紋輸出軸組件，所述電機輸出軸2設置有輸出軸外螺紋2-1和解耦球頭2-2，所述輸出軸外螺紋2-1與螺母彈性體3螺紋連接，解耦球頭2-2通過解耦可將輸出的旋轉-直線運動轉換為直線運動。
所述螺母彈性體3為一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的振動變形產生組件。所述螺母彈性體3設置有彈性體內螺紋3-1、彈性體錐孔3-2和彈性體外稜面3-3，所述彈性體內螺紋3-1與電機輸出軸2螺紋連接，彈性體錐孔3-2通過緊固螺釘4固定螺母彈性體3，彈性體外稜面3-3與壓電元件5膠粘連接，螺母彈性體3包含4個彈性體錐形孔3-2，它們分別對應彈性體錐形孔一3-2-1、彈性體錐形孔二3-2-2、彈性體錐形孔三3-2-3和彈性體錐形孔四3-2-4。
所述封裝後蓋6為一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的限位組件，所述封裝後蓋6設置有封裝後蓋外螺紋6-1、導線孔6-2和手動端面6-3，所述封裝後蓋外螺紋6-1通過封裝內螺紋1-5與封裝外架1螺紋連接，用來限制螺母彈性體3軸向竄動；所述導線孔6-2用於將壓電元件5的導線導出，便於接線；所述手動端面6-3用於手動旋轉封裝後蓋6，便於旋緊封裝後蓋6。
所述封裝外架1的端部通孔1-1的內徑與電機輸出軸2的外徑比值K滿足的範圍為1.1~1.5，本具體實施方式中，K的取值等於1.2，電機輸出軸2的外徑為15 mm，端部通孔1-1的內徑為18 mm。所述封裝外架1的外徑與端部外圓周面1-3的外徑比值H滿足的範圍為1.5~3，本具體實施方式中，H的取值等於2，封裝外架1的外徑為36 mm，端部外圓周面1-3的外徑為18 mm。所述螺母彈性體3沿圓周方向設置有2個彈性體外稜面3-3，彈性體外稜面3-3與壓電元件5膠粘連接；所述壓電元件5為2片矩形壓電陶瓷片，保定市宏聲聲學電子器材有限公司生產的PZT4型號和PTZ8型號。所述封裝外架1中的封裝內螺紋1-5的直徑為30 mm，螺母彈性體3的橫截面積為20 mm×20 mm，封裝外架1的長度與螺母彈性體3的長度比L的取值範圍為1~3，本具體實施方式中L的取值為3。所述封裝外架1沿圓周方向設置有4個緊固螺釘安裝孔1-4，分別與4個緊固螺釘4螺紋連接。
所述一種微小型精密壓電超聲驅動裝置的激勵方案如下所示。所述1片壓電元件5構成一個激振組，並通以某一超聲頻段內（一般大於16 kHz）的正弦波激勵電信號，激發螺母彈性體3產生某一駐波振動模態；所述其餘的1片壓電元件5構成另一個激振組，並通以某一超聲頻段內（一般大於16 kHz）的餘弦波激勵電信號，激發螺母彈性體3產生另一駐波振動模態；當上述兩個激振組所施加激勵電信號的相位差為90度時，兩列駐波振動模態疊加耦合形成正向運動行波，使得電機輸出軸2實現正向運動輸出；當上述兩個激振組所施加激勵電信號的相位差為270度時，兩列駐波振動模態疊加耦合形成反向運動行波，使得電機輸出軸2實現反向運動輸出。
綜上所述，本實用新型公開了一種微小型精密壓電超聲驅動裝置，較好的解決了螺紋副驅動型超聲電機在實際應用過程中存在的可靠性、安全性與實用性差等問題。同時微小型精密壓電超聲驅動裝置具有定位精度高、響應速度快、環境適用能力強等技術優勢，在航空航天、數碼產品、智慧機器人以及醫療器械等精密驅動技術領域具有廣泛的應用前景。