CN101022256A - 带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机 - Google Patents
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Abstract
带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,它涉及一种直线超声电机。针对现有的夹心式纵弯复合直线超声电机存在电机效率低下、噪声大、磨损严重的问题。本发明的螺柱(3)上装有纵弯振压电陶瓷片和薄铜片(6)并通过螺柱(3)与端盖(2)的大端固接,端盖(2)的小端通过驱动足(7)与调频变幅杆(1)的大端固接,驱动足(7)和弯振压电陶瓷片(9)分别位于弯振振型波腹处,每片弯振压电陶瓷片(9)对称切分成上、下两个极化方向相反的半片弯振压电陶瓷片,相邻两个半片弯振压电陶瓷片的极化方向、两片纵振压电陶瓷片(8)的极化方向均相反,变幅杆(1)的长度L为1/2纵振波长。本发明具有效率高、噪声小、磨损轻的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种直线超声电机,属于压电超声电机技术领域。
背景技术
超声电机是一种利用超声振动能量,并通过摩擦作用来产生驱动力的电机。它具有低速大转矩(推力)、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点,作为一种压电驱动器有着十分广泛的应用。2001年日本“应用物理”杂志(Jpn.J.Appl.Phys)第40期p3773~3776页、名称为“A High Power Ultrasonic Motor Using a Longitudinal and BendingHybrid Bolt-Clamped Langevin Type Transducer”(一种使用螺栓紧固夹心式纵弯复合换能器的大功率超声电机)提出一种直线超声电机,由于两组弯振陶瓷片位于二阶弯振的两个波腹处,因此在该波腹处无法安装驱动足,只能将驱动足安装在远离波腹的端盖端部,这样将造成两驱动足的弯振位移分量与平台面的夹角为互补的两个倾角,使两个驱动足一个产生驱动力,一个产生制动力,从而导致直线超声电机效率低下(最高效率为22%)、噪声大、磨损严重;其次,简并纵弯谐振频率只能通过调整换能器的截面半径尺寸来实现,因此该类型直线超声电机只能在特定半径的换能器中实现,不能形成产品系列化。
发明内容
本发明的目的是提供一种带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,它可解决现有的夹心式纵弯复合直线超声电机存在电机效率低下、噪声大、磨损严重、不能形成产品系列化的问题。本发明包括夹心换能器和驱动足;所述夹心换能器由调频变幅杆、端盖、螺柱、法兰、压电陶瓷片组、薄铜片组成;所述螺柱上的中间位置设置有法兰,法兰左侧的螺柱上和法兰右侧的螺柱上分别装有压电陶瓷片组,压电陶瓷片组的各压电陶瓷片之间及压电陶瓷片组与端盖之间分别装有作为电极的薄铜片,压电陶瓷片组和薄铜片通过螺柱与端盖的大端紧固成一体,端盖的小端通过驱动足与调频变幅杆的大端固接,所述驱动足位于弯振振型波腹处,所述压电陶瓷片组由两片纵振压电陶瓷片和两片弯振压电陶瓷片组成;两片弯振压电陶瓷片位于弯振振型波腹处,两片纵振压电陶瓷片与法兰相邻,每片弯振压电陶瓷片对称切分成上半片弯振压电陶瓷片和下半片弯振压电陶瓷片,每片弯振压电陶瓷片的上半片弯振压电陶瓷片和下半片弯振压电陶瓷片的极化方向相反,相邻两片上半片弯振压电陶瓷片的极化方向相反,相邻两片下半片弯振压电陶瓷片的极化方向相反,相邻两片纵振压电陶瓷片的极化方向相反,所述调频变幅杆的长度L为1/2纵振波长。
本发明具有以下有益效果:本发明利用压电陶瓷片组的纵向振动在夹心换能器中激出纵向振动和弯曲振动,二者叠加在驱动足部位产生椭圆振动轨迹和推力,实现电机的往复直线运动。夹心换能器两端的调频变幅杆的纵振谐振频率与现有纵弯换能器未加调频变幅杆时的纵振谐振频率相同,加上调频变幅杆后,直线超声电机的纵振谐振频率不变,调整调频变幅杆的外形尺寸参数:大端面积、大小端面积之比(即变幅比)和矩形截面长短边之比,在不改变直线超声电机纵振谐振频率的同时调整直线超声电机弯振谐振频率,实现纵弯频率简并。驱动足驱动端的弯振位移分量垂直于导轨,与纵振叠加为两个均产生驱动力的椭圆驱动轨迹,且在该处是端盖中的纵振速度最大处。端盖采用变截面设计,可减小振动能量在原来采用圆柱形端盖中的损耗,起到聚集振动能量的作用,从而提高了驱动足部位的振幅和振速,使直线超声电机效率最高可达38%,因此本发明具有效率高、噪声小、磨损轻、可系列化生产的优点。
附图说明
图1是本发明整体结构外形图,图2是图1的纵剖图,图3是纵振压电陶瓷片8和弯振压电陶瓷片9的极化方向示意图,图4是本发明的直线超声电机在一个完整振动周期内的振型变化及驱动原理示意图,图5是本发明的直线超声电机应用到实验平台上的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1~图3说明本实施方式,本实施方式由夹心换能器和驱动足7组成;所述夹心换能器由调频变幅杆1、端盖2、螺柱3、法兰4、压电陶瓷片组5、薄铜片6组成;所述螺柱3上的中间位置设置有法兰4,法兰4左侧的螺柱3上和法兰4右侧的螺柱3上分别装有压电陶瓷片组5,压电陶瓷片组5的各压电陶瓷片之间及压电陶瓷片组5与端盖2之间分别装有作为电极的薄铜片6,压电陶瓷片组5和薄铜片6通过螺柱3与端盖2的大端紧固成一体,端盖2的小端通过驱动足7与调频变幅杆1的大端固接,所述驱动足7位于弯振振型波腹处,所述压电陶瓷片组5由两片纵振压电陶瓷片8和两片弯振压电陶瓷片9组成;两片弯振压电陶瓷片9位于弯振振型波腹处,两片纵振压电陶瓷片8与法兰4相邻,每片弯振压电陶瓷片9对称切分成上半片弯振压电陶瓷片10和下半片弯振压电陶瓷片11,每片弯振压电陶瓷片9的上半片弯振压电陶瓷片10和下半片弯振压电陶瓷片11的极化方向相反,相邻两片上半片弯振压电陶瓷片10的极化方向相反,相邻两片下半片弯振压电陶瓷片11的极化方向相反,相邻两片纵振压电陶瓷片8的极化方向相反,压电陶瓷片组5的各压电陶瓷片沿厚度方向极化,用“+”“-”表示电畴即极化方向,所述调频变幅杆1的长度L为1/2纵振波长,所述调频变幅杆1的横截面为矩形,螺柱3和法兰4采用一整块金属材料加工而成,调频变幅杆1、端盖2和驱动足7采用一整块金属材料切割加工而成,可简化加工装配工艺,减少能量损耗。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理:在A电极(参见图2)施加纵向谐振频率电压,每对反向极化的纵振压电陶瓷片同步膨胀或收缩,激发纵向振动;在B电极施加弯曲谐振频率电压,上侧一对弯振压电陶瓷片膨胀时,下侧一对弯振压电陶瓷片收缩,反之亦然,激发弯曲振动。在一个振动周期内,纵弯两路电压激振信号的相位差为+90°,I和III为驱动阶段(参见图4),位于调频变幅杆1和端盖2之间的驱动足7推动轨道使直线超声电机移动,此时,纵振振速和弯振位移达到最大值;II和IV为悬浮阶段,直线超声电机由于惯性悬浮在轨道上,此时,弯振振速和纵振位移达到最大值。如调整两路激励信号相位差为-90°,可实现直线超声电机的反向运动。
具体实施方式二:结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式的法兰4的前侧面和后侧面上位于纵弯振节点重合处各钻有一个小圆锥孔12。作为直线超声电机预紧力机构的夹持点,用来施加预紧力产生驱动摩擦力。选择在此位置处钻两个小圆锥孔12,可防止谐振频率漂移和振动形态畸变,减少能量损耗。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一的不同点是:本实施方式还增加有硬质陶瓷摩擦片13;所述硬质陶瓷摩擦片13与驱动足7的下端面粘接。如此设置,可防止驱动足7磨损,延长驱动足7的使用寿命。
具体实施方式四:结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式三的不同点是:本实施方式的硬质陶瓷摩擦片13的材料是ZrO2、Si3N4、SiC或Al2O3。采用上述材料的摩擦系数稳定性顺序是:ZrO2>Si3N4>SiC>Al2O3;耐磨损性:ZrO2的耐磨损性最强,其次是Si3N4和SiC,最差是Al2O3;价格:ZrO2最高,其次是Si3N4和SiC,Al2O3最便宜,在直线超声电机性能要求不高的前提下,选择Al2O3性价比较高。
具体实施方式五:结合图2说明本实施方式,本实施方式与具体实施方式一的不同点是:本实施方式还增加有薄壁绝缘套14;所述薄壁绝缘套14分别装在法兰4左侧的螺柱3与压电陶瓷片组5和薄铜片6之间及法兰4右侧的螺柱3与压电陶瓷片组5和薄铜片6之间。如此设置,可防止压电陶瓷片组5、薄铜片6与螺柱3连电。
具体实施方式六:结合图5说明本实施方式,本实施方式是一个将本发明的直线超声电机应用到实验平台上的一个实施例,所述实验平台的导轨底座106经由两个支板107支撑导轨102,两个夹持块103上的锥形顶尖顶在法兰4的小圆锥孔12内,这样可以最小程度影响直线超声电机101的固有谐振频率;轮轴108沿导轨102的下平面滚动,轮轴108上的两端装有轴承座109和滚动轴承110,螺栓111固连于轴承座109上并穿过夹持块103上的圆孔,螺栓111通过螺母112和预紧弹簧113压紧直线超声电机101于导轨102上,并可调节预紧力的大小;机械载荷通过滑轮加载机构104的细线114吊加砝码实现,光电码盘支架115固定在轴承座109上,轮轴108和光电码盘105通过联轴器116联接,直线超声电机101工作时带动导轨102下方的轮轴108滚动,通过光电码盘105测量轮轴108的转速,进而可推算出直线超声电机101的直线速度。实验中测得直线超声电机101的最高速度能够达到1000mm/s以上,能够产生50N以上的输出推力,具有很好的速度稳定性。
Claims (8)
1、一种带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,它包括夹心换能器和驱动足(7);其特征在于所述夹心换能器由调频变幅杆(1)、端盖(2)、螺柱(3)、法兰(4)、压电陶瓷片组(5)、薄铜片(6)组成;所述螺柱(3)上的中间位置设置有法兰(4),法兰(4)左侧的螺柱(3)上和法兰(4)右侧的螺柱(3)上分别装有压电陶瓷片组(5),压电陶瓷片组(5)的各压电陶瓷片之间及压电陶瓷片组(5)与端盖(2)之间分别装有作为电极的薄铜片(6),压电陶瓷片组(5)和薄铜片(6)通过螺柱(3)与端盖(2)的大端紧固成一体,端盖(2)的小端通过驱动足(7)与调频变幅杆(1)的大端固接,所述驱动足(7)位于弯振振型波腹处,所述压电陶瓷片组(5)由两片纵振压电陶瓷片(8)和两片弯振压电陶瓷片(9)组成;两片弯振压电陶瓷片(9)位于弯振振型波腹处,两片纵振压电陶瓷片(8)与法兰(4)相邻,每片弯振压电陶瓷片(9)对称切分成上半片弯振压电陶瓷片(10)和下半片弯振压电陶瓷片(11),每片弯振压电陶瓷片(9)的上半片弯振压电陶瓷片(10)和下半片弯振压电陶瓷片(11)的极化方向相反,相邻两片上半片弯振压电陶瓷片(10)的极化方向相反,相邻两片下半片弯振压电陶瓷片(11)的极化方向相反,相邻两片纵振压电陶瓷片(8)的极化方向相反,所述调频变幅杆(1)的长度L为1/2纵振波长。
2、根据权利要求1所述的带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,其特征在于所述法兰(4)的前侧面和后侧面上位于纵弯振节点重合处各钻有一个小圆锥孔(12)。
3、根据权利要求1所述的带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,其特征在于所述调频变幅杆(1)的横截面为矩形。
4、根据权利要求1或3所述的带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,其特征在于所述调频变幅杆(1)、端盖(2)和驱动足(7)采用一整块金属材料切割加工而成。
5、根据权利要求1所述的带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,其特征在于所述螺柱(3)和法兰(4)由一整块金属材料加工而成。
6、根据权利要求1所述的带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,其特征在于它还包括硬质陶瓷摩擦片(13);所述硬质陶瓷摩擦片(13)与驱动足(7)的下端面粘接。
7、根据权利要求6所述的带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,其特征在于所述硬质陶瓷摩擦片(13)的材料是ZrO2、Si3N4、SiC或Al2O3。
8、根据权利要求1所述的带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机,其特征在于它还增加有薄壁绝缘套(14);所述薄壁绝缘套(14)分别装在法兰(4)左侧的螺柱(3)与压电陶瓷片组(5)和薄铜片(6)之间及法兰(4)右侧的螺柱(3)与压电陶瓷片组(5)和薄铜片(6)之间。
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