專利名稱：帶有預(yù)壓力機構(gòu)的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種帶有預(yù)壓力機構(gòu)的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
壓電超聲微電機是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，采取特定的結(jié)構(gòu)制成的驅(qū)動機構(gòu)，它一般由定子、轉(zhuǎn)子以及預(yù)壓力機構(gòu)等功能部件構(gòu)成。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在定子表面產(chǎn)生超聲振動，并由定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。超聲微電機具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，不需要減速機構(gòu)可直接驅(qū)動負(fù)載等優(yōu)點。
由壓電片激勵的超聲電機目前已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但很難微型化。壓電圓柱微電機雖然可以做的很細(xì)，然而由于電極表面呈弧形，極化工藝和焊接工藝?yán)щy。已有的壓電方柱超聲微電機針對弧形表面問題采用了平面電極面，但是在相同尺寸下的彎曲剛度偏高。
本申請發(fā)明人已提出一種螺紋驅(qū)動多面體超聲電機(中國專利申請?zhí)?00510114849.2)，它由定子、轉(zhuǎn)子以及與定子或轉(zhuǎn)子粘接成一體的多個壓電陶瓷片構(gòu)成；定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面帶有螺紋，所說的轉(zhuǎn)子也帶有與定子相配合的螺紋。
其中一種具體結(jié)構(gòu)為螺紋驅(qū)動四面體管式超聲電機，如圖1所示，包括上部有凸臺的內(nèi)管式定子11，凸臺部分的外表面帶有外螺紋，定子的下部的外表面為四面體，壓電片12(共有四片121、122、123、124)分別粘貼在四面體上構(gòu)成振動體，具有內(nèi)螺紋的外管式轉(zhuǎn)子13套在定子11的外面，與定子的外螺紋相配合；定子內(nèi)插有一固定的管件14，管件14的底端與定子的底端被固定支撐在一起。當(dāng)壓電片被激勵時，定子通過外螺紋驅(qū)動帶有內(nèi)螺紋的轉(zhuǎn)子沿軸向直線運動。由于內(nèi)外螺紋間沒有預(yù)緊(張)力，雖然其結(jié)構(gòu)簡單，但螺紋間會產(chǎn)生回程間隙，使運行不夠穩(wěn)定，如圖3所示。
另一種結(jié)構(gòu)如圖2所示，8個壓電片22分別粘接到金屬8面體的外表面構(gòu)成定子21，定子21產(chǎn)生面內(nèi)彎曲行波或駐波，僅靠其螺紋表面直接接觸轉(zhuǎn)子螺紋表面去驅(qū)動轉(zhuǎn)子23作螺旋運動。這種結(jié)構(gòu)沒有額外的施加預(yù)壓力的機構(gòu)，雖其結(jié)構(gòu)簡單，但運行不夠穩(wěn)定，會產(chǎn)生回程間隙，影響運行精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種帶有預(yù)緊(張)力機構(gòu)的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機，使其不但性能穩(wěn)定，而且結(jié)構(gòu)簡單。不但可產(chǎn)生面內(nèi)彎曲行波，還可以形成面內(nèi)彎曲行波或駐波的其他排列和激勵方式。既可用于一體化光學(xué)設(shè)備焦距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可用于其他被驅(qū)動元件的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)和微泵中的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的帶有預(yù)緊(張)力機構(gòu)的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機，它由定子、轉(zhuǎn)子以及與定子或轉(zhuǎn)子粘接成一體的多個壓電陶瓷片構(gòu)成；定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面帶有螺紋，所說的轉(zhuǎn)子也帶有與定子相配合的螺紋；其特征在于，所述的定子為單定子或多定子，還包括預(yù)壓力機構(gòu)使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。
上述的預(yù)緊(張)力機構(gòu)采用彈簧或U形(或其他形狀)彈性片或磁性元件的方式提供預(yù)緊(張)力。
所述的多面體超聲電機定子上貼有數(shù)塊壓電元件(片狀、弧形片、柱狀或各種多面體、整體環(huán)形或錐形壓電元件)，由信號電源激勵面內(nèi)超聲振動，形成面內(nèi)行波或駐波，定子與轉(zhuǎn)子通過螺紋面直接摩擦驅(qū)動。
所述螺紋的截面可以是三角形、梯形、矩形以及凸面等各種形式及其組合，螺紋的形式可以是連續(xù)的、分段的或特定軌跡的曲線。
所述螺紋表面可經(jīng)耐磨處理或涂有彈性耐磨材料。
所述的定子為單定子或者雙(多)定子結(jié)構(gòu)，采用彈簧或U型彈性片或磁性元件的方式提供預(yù)緊(張)力，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊，消除回程間隙，增大驅(qū)動力。
所述的單定子或者雙(多)定子中的一個，其一端通過薄壁的振動隔離帶固定在底座上。
所述的單定子或者雙定子中的一個，其一端也可直接固定在底座上。
所述的轉(zhuǎn)子為雙(多)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用彈簧或U型彈性片或磁性元件的方式提供預(yù)緊(張)力，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊，消除回程間隙，增大驅(qū)動力。
所述的定子上的螺紋表面通過摩擦方式驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并使其產(chǎn)生相對的軸向運動，驅(qū)動相關(guān)元件直線運動。用于光學(xué)調(diào)焦，既可使得光學(xué)透鏡組和成像元件的距離發(fā)生變化，實現(xiàn)簡單或復(fù)合的光學(xué)調(diào)焦、變焦作用；又可用于其它被驅(qū)動元件，可實現(xiàn)位置調(diào)節(jié)或微泵中的流量調(diào)節(jié)功能。
本發(fā)明可廣泛地應(yīng)用于光學(xué)設(shè)備(如相機，攝像機、望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，手機，照明，激光器，醫(yī)療器械)中的各種調(diào)焦鏡頭，及光圈、快門調(diào)節(jié)；也可用于其它直線定位系統(tǒng)，如微動工作臺，或螺旋測位計、微泵中的流量調(diào)節(jié)等。


圖1為已有螺紋驅(qū)動四面體超聲微電機的示意圖；A為正視圖，B為俯視圖；圖2為已有螺紋驅(qū)動多面體超聲電微機的示意圖；A為正視圖，B為俯視圖；
圖3為圖1和圖2的多面體超聲電微機定、轉(zhuǎn)子間螺紋驅(qū)動示意圖；圖4為本發(fā)明實施例1，帶預(yù)緊(張)力彈簧的多面體超聲微電機螺紋驅(qū)動系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例3帶轉(zhuǎn)子帽和預(yù)緊(張)力彈簧的多面體超聲微電機螺紋驅(qū)動系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實施例4帶預(yù)緊(張)力彈簧的雙定子多面體超聲微電機螺紋驅(qū)動系系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實施例5帶預(yù)緊(張)力U型彈性片的雙定子多面體超聲微電機螺紋驅(qū)動系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明實施例6帶預(yù)緊(張)力彈簧的雙轉(zhuǎn)子多面體超聲微電機螺紋驅(qū)動系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明實施例7帶預(yù)緊(張)力U型彈性片的雙轉(zhuǎn)子多面體超聲微電機螺紋驅(qū)動系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明實施例8帶磁性環(huán)的雙轉(zhuǎn)子多面體超聲微電機螺紋驅(qū)動系統(tǒng)剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為本發(fā)明實施例8單壓電片激勵駐波超聲微電機螺紋驅(qū)動的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明實施例1帶預(yù)緊(張)力彈簧的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機本實施例的帶預(yù)緊(張)力彈簧的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機結(jié)構(gòu)，如圖4所示，包括超聲電機，采用預(yù)緊(張)力彈簧48的預(yù)壓力機構(gòu)。超聲電機包括轉(zhuǎn)子41和定子43，定子43上貼有12塊壓電元件42(壓電元件42可以是片狀、弧形片、柱狀或各種多面體、整體環(huán)形或錐形壓電元件)。定子和轉(zhuǎn)子上有相互配合的螺紋，螺紋的截面可以是三角形、梯形、矩形以及凸面等各種形式及其組合，螺紋的形式可以是連續(xù)的、分段的或特定軌跡的曲線。
定子的一端設(shè)有一薄壁隔離帶45，隔離帶的一端固定在基座44上，隔離帶的作用是減弱基座對定子振動的影響。普通的螺紋接觸對之間存在螺紋間隙(如圖2所示，螺紋間隙的存在不但減小了螺紋31和32之間的傳動力)，而且往復(fù)運動時會產(chǎn)生回程間隙，影響運動精度。為此有必要對螺紋副進行預(yù)緊(張)。本實施例中利用了壓縮彈簧48，在轉(zhuǎn)子41和基座44之間增加一個軸向預(yù)緊(張)力，軸向預(yù)緊(張)力的存在使得螺紋的齒總是在一個方向接觸，消除了回程間隙，同時預(yù)緊(張)力的存在，也為調(diào)節(jié)摩擦驅(qū)動力的大小提供了一個手段。帶鋼珠的軸承46可以設(shè)置在底座上，也可以設(shè)置在定子上，用于在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時減小摩擦力。壓縮彈簧48的形式也可以是彈性片，軸承的形式也可以是容納有滾珠的凹槽或者滑動片。
本實施例可應(yīng)用于調(diào)焦，光學(xué)透鏡體(組)可以選擇設(shè)置在定子43的空腔49或/和轉(zhuǎn)子41的空腔47中，成像元件可以設(shè)置在定子43一端的中心部位或光路中的某一位置。圖中沒有給出光學(xué)透鏡體(組)和成像元件的具體位置。在壓電元件42上施加交變電壓后，定子43通過摩擦直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子41旋轉(zhuǎn)，并通過螺紋的傳動作用將轉(zhuǎn)子41的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為相對的沿軸向的直線運動，帶動光學(xué)透鏡體(組)(或其他被驅(qū)動元件)運動，起到光學(xué)調(diào)焦(或位置調(diào)節(jié))作用。
對于其它應(yīng)用，被驅(qū)動元件可安放到轉(zhuǎn)子上或轉(zhuǎn)子空腔中。
實施例2帶轉(zhuǎn)子帽和預(yù)緊(張)力彈簧的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機如圖5所示，本實施例與實施例1的主要區(qū)別在于在本實施例中，預(yù)緊(張)力彈簧512放在了定子53的外部，彈簧512的兩個支撐端一個在轉(zhuǎn)子帽511上，一個在軸承54上，軸承54可以設(shè)置在底座59上，也可以設(shè)置在定子53上，用于在轉(zhuǎn)子511轉(zhuǎn)動時減小摩擦力。彈簧的形式也可以是彈性片，軸承的形式也可以是容納有滾珠的凹槽或者滑動片。57是耐磨涂層。
本實施例的預(yù)壓力機構(gòu)的另一種結(jié)構(gòu)為定子53和轉(zhuǎn)子511之間的斷面處，可以改用兩個磁性環(huán)；或者一個是磁性環(huán)，另一個是鐵磁環(huán)。由此產(chǎn)生磁性吸力，提供預(yù)緊(張)力。
實施例3帶預(yù)緊(張)力彈簧的雙定子螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機本實施例中采用的帶預(yù)緊(張)力彈簧的雙定子螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機，如圖6所示。定子62和66同時驅(qū)動轉(zhuǎn)子610運動，定子66的一端通過隔離帶68固定在底座上69上，兩個定子之間用彈簧63提供預(yù)緊(張)力，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。堵塊61和67粘貼在定子62、66上，擋在彈簧的兩端。堵塊的材料可為金屬或者非金屬。兩個定子通過卡槽613定位，使定子62不發(fā)生轉(zhuǎn)動。
本實施例應(yīng)用時光學(xué)透鏡組可以安裝在轉(zhuǎn)子空腔611和/或定子空腔612中。向壓電元件64、65施加交變電壓后，定子62和66同時驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動，既可驅(qū)動相關(guān)定位元件，也可帶動光學(xué)透鏡組運動，起到光學(xué)調(diào)焦作用。
其它部分結(jié)構(gòu)和使用方法與實施例1或2所述相同或相似，此處不再贅述。
實施例4帶預(yù)緊(張)力U型彈性片的雙定子螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機如圖7所示，本實施例與實施例3的主要區(qū)別在于在本實施例中，采用了U型彈性片74連接兩個定子71和76，使得定子71不發(fā)生轉(zhuǎn)動，但支撐在定子71和76之間提供預(yù)緊(張)力，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。
其它部分結(jié)構(gòu)和使用方法與實施例3或2所述相同或相似，此處不再贅述。
實施例5帶預(yù)緊(張)力彈簧的雙轉(zhuǎn)子螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機如圖8所示，本實施例中采用了帶預(yù)緊(張)力彈簧的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。本實施例采用了兩個轉(zhuǎn)子83和85，兩個轉(zhuǎn)子83和85之間用彈簧84提供預(yù)緊(張)力，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。兩個轉(zhuǎn)子通過卡槽89定位，使其不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，定子81同時驅(qū)動轉(zhuǎn)子83和85運動，定子81的一端直接固定在底座87上；定子也可以采用實施例3中采用的隔離帶的方式固定在底座上。
本實施例用于調(diào)焦，光學(xué)透鏡體(組)可以安裝在轉(zhuǎn)子空腔810和/或定子空腔88中。向壓電元件82施加交變電壓后，轉(zhuǎn)子83和85同時運動，帶動光學(xué)透鏡組運動，起到光學(xué)調(diào)焦作用。
實施例6帶預(yù)緊(張)力U型彈性片的雙轉(zhuǎn)子螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機如圖9所示，本實施例與實施例5的主要區(qū)別在于在本實施例中，采用了U型彈性片94連接兩個轉(zhuǎn)子93和95，使其不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，并支撐在轉(zhuǎn)子93和95之間提供預(yù)緊(張)力，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。
其它部分結(jié)構(gòu)和使用方法與實施例5所述相同或相似，此處不再贅述。
實施例7帶磁性環(huán)的雙轉(zhuǎn)子螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機如圖10所示，本實施例與實施例6的主要區(qū)別在于在本實施例中，采用兩個磁性環(huán)1012在轉(zhuǎn)子103和105之間提供預(yù)緊(張)力，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。同時采用了卡槽109連接兩個轉(zhuǎn)子103和105，使其不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。兩個磁性環(huán)1012也可一個是磁性環(huán)，另一個是鐵磁體。1012也可以施加在轉(zhuǎn)子和底座(或定子)之間或雙(多)定子之間。
其它部分結(jié)構(gòu)和使用方法與實施例4所述相同或相似，此處不再贅述。
在上述具有雙定子或雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的實施例中預(yù)壓力機構(gòu)的實現(xiàn)方式還可將雙定子(或雙轉(zhuǎn)子)錯一個小角度同軸粘在一起，起到對螺紋副預(yù)緊的目的。
實施例8螺紋驅(qū)動的單壓電片激勵駐波超聲微電機本實施例的結(jié)構(gòu)如圖11，轉(zhuǎn)子113是實心的，只用一個壓電片1121(也可用1，2.3及其倍數(shù)個壓電片)粘貼在定子111上，單相信號電壓激勵定子產(chǎn)生面內(nèi)駐波，該駐波通過定、轉(zhuǎn)子間螺紋接觸摩擦驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和直線運動。轉(zhuǎn)子或定子也可是單、雙、多轉(zhuǎn)子或定子，可采用如實施例4-7的預(yù)壓機構(gòu)加預(yù)緊力。該轉(zhuǎn)子可驅(qū)動微定位機構(gòu)或微泵。
本實施例的壓電片的數(shù)目和排列方式可用能形成面內(nèi)彎曲行波或駐波的任何的壓電片數(shù)目，如1，2，3或其倍數(shù)，以及采用相應(yīng)的激勵方式代替。
根據(jù)上述各實施例，通過采用單定轉(zhuǎn)子或雙定子或雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，以及采用彈簧、U型彈性片以及磁性元件提供預(yù)緊(張)力，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊，消除回程間隙，增大驅(qū)動力，使定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生相對的軸向運動，被驅(qū)動元件安裝在轉(zhuǎn)子上則可獲得沿軸向的直線運動。如果帶動光學(xué)透鏡體(組)運動，則起到光學(xué)調(diào)焦作用。光學(xué)透鏡體(組)和成像元件的距離發(fā)生變化，實現(xiàn)簡單或復(fù)合的光學(xué)調(diào)焦、變焦作用等。
提供預(yù)緊(張)力的辦法還有將雙定子(或雙轉(zhuǎn)子)錯一個小角度同軸粘在一起，起到對螺紋副預(yù)緊的目的。這些預(yù)緊力的施加辦法同樣適合本發(fā)明一體化結(jié)構(gòu)的多定子、多轉(zhuǎn)子的超聲微電機，并均可構(gòu)成螺紋驅(qū)動光學(xué)調(diào)焦/變焦系統(tǒng)。也可使用于其他微定位機構(gòu)或微泵系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種帶有預(yù)壓力機構(gòu)的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機，它由定子、轉(zhuǎn)子以及與定子或轉(zhuǎn)子粘接成一體的壓電元件構(gòu)成；定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面帶有螺紋，所說的轉(zhuǎn)子也帶有與定子相配合的螺紋；其特征在于，所述的定子為單定子、雙定子或多定子，還包括預(yù)壓力機構(gòu)使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲微電機，其特征在于所述的單定子、雙定子或多定子中的一個的一端部直接粘結(jié)到底座上，或其一端部為薄壁的振動隔離帶，該振動隔離帶粘結(jié)到底座上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲微電機，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子為單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)子為實心或空心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的超聲微電機，其特征在于所述的預(yù)壓力機構(gòu)采用彈簧或U形彈性片或磁性元件，使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲微電機，其特征在于所述的預(yù)壓力機構(gòu)采用將雙定子錯一個小角度同軸粘在一起，對定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋副預(yù)緊。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的超聲微電機，其特征在于所述的預(yù)壓力機構(gòu)采用將雙轉(zhuǎn)子錯一個小角度同軸粘在一起，對定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋副預(yù)緊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的超聲微電機，其特征在于所述壓電元件的數(shù)目和排列、激勵方式是能形成面內(nèi)彎曲行波或駐波的壓電元件數(shù)目1，2，3或其倍數(shù)和相應(yīng)的排列、激勵方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲微電機，其特征在于所述壓電元件為片狀、弧形片、柱狀、多面體、整體環(huán)形或錐形壓電元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的超聲微電機，其特征在于所述定子和轉(zhuǎn)子上的相互配合的螺紋的截面為三角形、梯形、矩形或凸面及其組合，螺紋的形式為連續(xù)的、分段的或按軌跡的曲線所規(guī)定的形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的超聲微電機，其特征在于所述定子和轉(zhuǎn)子上的相互配合的螺紋表面進行耐磨處理或涂耐磨材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶有預(yù)壓力機構(gòu)的螺紋驅(qū)動多面體超聲微電機，屬于超聲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。它由定子、轉(zhuǎn)子以及與定子或轉(zhuǎn)子粘接成一體的壓電元件構(gòu)成；定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面帶有螺紋，所說的轉(zhuǎn)子也帶有與定子相配合的螺紋；其特征在于，所述的定子為單定子、雙定子或多定子，還包括預(yù)壓力機構(gòu)使得定、轉(zhuǎn)子之間的螺紋相互壓緊。本發(fā)明可廣泛地應(yīng)用于光學(xué)設(shè)備(如相機，攝像機、望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，手機，照明，激光器，醫(yī)療器械)中的各種調(diào)焦鏡頭，及光圈、快門調(diào)節(jié)；也可用于其它直線定位系統(tǒng)，如微動工作臺，或螺旋測位計、微泵中的流量調(diào)節(jié)等。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，效率較高，在體積、成本、效率等方面具有多重優(yōu)越性，具有很強的實用性。
文檔編號H01L41/08GK1964175SQ200610144029
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者周鐵英, 鹿存躍, 陳宇, 傅德永, 李毅, 王正平 申請人:清華大學(xué)