基于压电陶瓷微振动实现螺纹传动的机理及器件研究

用于手机镜头聚焦和图像光学缩放用驱动器需要具有微米定位精度、微小型尺寸、低损耗，抗跌落能力强，价格低等特点。传统驱动器在手机镜头技术提升上正面临局限性。本基金提出基于压电陶瓷微振动直接实现机械螺旋传动的技术，该技术是物理声学、新材料、机械学等多学科交叉的前沿性课题，具有科学研究价值和实际应用价值。基金将研究压电螺旋传动的机理，压电陶瓷结构的振动、疲劳、发热和优化，压电螺纹参数优化，压电螺纹传动器件与镜头模组、精密定位系统的集成等。压电螺旋传动技术从结构和性能上优于已有的直线传动机构，其特点：结构简单，包括螺纹副和压电陶瓷三个部件，部件数量比压电电机实现螺旋传动的结构要少50％到70％。且压电陶瓷直接实现螺旋传动，没有传统技术常采用的旋转到直线运动的中间转换机构。明显提高了螺旋直线运动的可靠性和转换效率，易于系统微型化，更适于在手机通讯、电脑视频、航空、军工、医药等领域使用。

为弥补传统螺纹传动机构存在的不足，基于课题组早期研究的转速可达10000 rpm，响应时间小于1ms的棒板结合式压电电机，新提出了一种新型的智能螺纹传动新原理和新技术，丰富了现有螺纹传动的机构原理和相关理论。基于该理论成功制备出可实现光学聚焦或微动台精密驱动的多品种螺纹压电电机，该电机普遍采用筒板结合式的定子结构，在B11振动模态下通过定子圆筒内螺纹和接触面的摩擦作用，将运动传递给转子实现直线运动。研究中获得该压电电机的机电耦合模型，并剖析了压电陶瓷在螺纹齿合处的微观振动实现螺纹传动的机理。试验中测试了电机转速、启动响应时间等工作性能，并研究了电机工作频率、加载电压、携带负载对电机转速的影响，以及电机转子在定子内转动时的相对位置对电机谐振频率与反谐振频率的影响。研究了电机的高低温环境下的阻抗谱、导纳等基本电学特性，这为电机在变温环境中的负载特性和电学控制提供了参考依据。在该基金支持下，研制出基于单层或多层压电陶瓷的螺纹传动器件4种、镜头模组2种、精密微动台1种，可实现图像快速聚焦和系统精密定位，同时也解决了传统驱动技术小型化难、效率低、稳定性差等问题。其中，用于镜头聚焦的压电模组实现如下技术指标：压电陶瓷层数1～9层； 压电陶瓷层厚50~300微米；内嵌光学模组的螺纹直径≤8mm； 螺纹传动响应时间＜1ms；螺纹最大直线推进速度>10mm/s；行程>3mm，将所研制的压电螺纹传动器件与CCD模组集成，构成了手机和电脑视频用光学模组，实现了图像快速聚焦和机械微系统的快速定位。该技术积极推动了新技术和新器件在手机通讯、小型微动台精密驱动、电脑视频图像采集、医疗注射等领域的产业化进程。依托该基金支持，申请了5项专利（涉及压电螺纹驱动技术及其精密微动台3项、螺纹驱动器用于电脑视频图像聚焦和手机聚焦模组1项和驱动器用于医疗注射泵1项），3项已授权，2项公开。发表学术论文6篇（3篇SCI、3篇EI）。为企业培养高级技术人员5人，培养博士生1人，硕士生7人，本科生3人。