CN101051798A

CN101051798A - 棱柱型纵弯复合振子直线超声电机

Info

Publication number: CN101051798A
Application number: CN 200610132316
Authority: CN
Inventors: 张铁民; 梁丽英
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2007-10-10

Abstract

本发明提供一种棱柱型纵弯复合振子直线超声电机，包括有驱动振子、动子、机架，以及用于紧固驱动振子、动子、机架的锁定机构，所述驱动振子包括压电元件和金属弹性体，所述压电元件包括可产生弯曲振动的弯振压电陶瓷片和可产生直线振动的纵振压电陶瓷片，所述金属弹性体设置有至少一个与动子接触的凸齿，所述动子为侧面设置有导向凸起的滑块，其导向凸起与机架所设置的直线导向槽相对应。本发明的直线超声电机为纵、弯复合驱动棱柱型振子直线超声电机，其驱动振子为接线端子、纵振矩形压电陶瓷片、中间隔垫、弯振矩形压电陶瓷片及前盖板等通过双头螺栓和螺母紧固构成棱柱型纵弯复合振子并以此做为该直线电机电机的定子，产生纵向和弯曲振动。

Description

棱柱型纵弯复合振子直线超声电机

技术领域

本发明属于超声电机技术领域，特别是涉及一种直线型超声电机。

背景技术

目前，传统的直线电磁电机广泛应用于各个领域，但它存在以下问题：

气隙较大，有边缘效应，传动刚度小，不适于大的冲击或动负荷的场合，使用稀土永磁体成本较高；电机本身在停止状态时没有保持位置的功能；体积大，不适于小型化；产生磁场，对周围环境不电磁干扰，且有电磁噪声等。

在机器人及自动化工艺装备中，传统电磁电机的缺点尤为突出，如功率/重量比小，传动精度不高，响应慢等。迫切需要一个反应快速灵敏、大推力、高精度，能够避免上述缺点的新型直线电机。超声电机由于具有功率密度大、无电磁干扰、低速大扭矩、运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非连续运动、机床进给运动、伺服驱动控制领域具有广阔的应用前景，在或者更小的尺寸范围内将有可能替代传统的电磁电机。

超声电机是利用压电元件的逆压电效应使弹性体(定子)在超声频段产生微观机械振动(振动频率在20KHz以上)，通过定子和转子(或动子)之间的摩擦作用，将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)运动的一种新型电机。它与传统的电磁电机相比有着完全不同的原理和结构，具有电磁电机所没有的优点，因此，已引起人们的广泛关注。虽然有些直线型超声电机得到了应用，如X-Y记录仪、卡片驱动装置、半导体加工，但总的看，直线型超声电机目前仍处在研究阶段。国外已开发出多种直线超声电机的原理样机，而国内则侧重于高分辨率微作动器的研究，对大推力大行程直线超声电机的研究甚少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种大推力、结构简单、易于设计的棱柱型纵弯复合振子直线超声电机。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

棱柱型纵弯复合振子直线超声电机，包括有驱动振子、动子、机架，以及用于紧固驱动振子、动子、机架的锁定机构，所述驱动振子包括压电元件和金属弹性体，所述压电元件包括可产生弯曲振动的弯振压电陶瓷片和可产生直线振动的纵振压电陶瓷片，所述金属弹性体设置有至少一个与动子接触的凸齿，所述动子为侧面设置有导向凸起的滑块，其导向凸起与机架所设置的直线导向槽相对应。

本发明通过弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片所产生的弯曲震动和纵向震动相复合，驱动金属弹性体的凸齿周期性地带动动子的运动，由于动子与机架通过凸起和直线导向操配合，所以，动子的运动为直线运动，使得本发明为直线超声电机。

本发明所述弯振压电陶瓷片为长方形薄片结构，并沿厚度方向极化，且按长方形的长度方向分为对称的两个区域，两个区域的极化方向相反，所以接上输入信号后，长方形薄片的两个区域振动变形方向刚好相反，实现了弯曲震动；所述纵振压电陶瓷片也为长方形薄片结构，且不分区沿厚度方向极化，接上输入信号好，整个长方形薄片做纵向振动。

为了使得本发明的压电元件振动效果更加明显，本发明的压电陶瓷片可以采用多层复合结构，所述两个长方形弯振压电陶瓷片按照极化方向相反相互贴合，成双层弯振压电陶瓷片；所述两个长方形纵振压电陶瓷片也按照极化方向相反相互贴合，成双层纵振压电陶瓷片。

为了与压电陶瓷片更好的配合，使得压电陶瓷片由于逆压电效应所产生的振动变形能更好的带动金属弹性体的变形，所述金属弹性体也采用长方形结构，其末端中间部分设置有凸齿，凸齿可在变形过程驱动动子。

本发明的驱动振子还包括接线端子、中间隔垫、预紧螺栓，所述预紧螺栓为中间带轴肩的双头螺栓，所述弯振压电陶瓷片、纵振压电陶瓷片、金属弹性体的长方形中心均设置有通孔，预紧螺栓两端往轴肩方向分别依次套入双层纵振压电陶瓷片、中间隔垫、双层弯振压电陶瓷片及金属弹性体，所述接线端子采用中间带有通孔的金属薄片，作为压电元件的接线端，其分别夹于双层弯振压电陶瓷片和双层纵振压电陶瓷片的每个陶瓷片两侧。

所述机架的内侧面设有可安放预紧螺栓的轴肩的垂直导向槽，所述垂直导向槽垂直于其底部所设置的直线导线槽。

本发明所述锁定机构包括预紧螺钉、机架上盖板、预紧弹簧，所述预紧弹簧设置于驱动振子的上端，所述预紧螺钉穿过机架上盖板与预紧弹簧连接。通过改变预紧螺钉的进给深度及预紧弹簧的弹性变形，从而可调节的给驱动振子施加一定的预紧力。

为了使得锁定机构更方便锁紧及调节预紧力，所述预紧弹簧和驱动振子之间还设置有一定重量的质量块。

本发明的直线超声电机为纵、弯复合驱动振子型直线超声电机，通过螺栓紧固的驱动振子作为电机的定子，构成纵、弯复合型驱动振子，分别产生纵向和弯曲振动。经过对定子的各个部分尺寸有限元仿真计算与设计，使得纵、弯两种模态的共振频率趋近一致，以便能使用同一频率激出这两种模态。与已有技术相比具有如下优点：

1、本发明的棱柱型纵弯复合振子直线超声电机，采用纵、弯复合振动模态，可以有效地增大推力，提高效率；通过棱柱体截面长宽比的设计，可以避开两个弯弯谐振频率的耦合，减少能量损耗，提高电机效率；

2、作为电机定子的驱动振子结构简单紧凑，压电陶瓷通过螺栓和紧定螺母紧固，取得一定的预紧压力，这样能够承受更高的激励电压，同时，定子两端设有拨齿，这样相对于以往单足型驱动振子型直线超声电机，稳定性提高了，变形量加大了，移动速度也提高了；

3、压电陶瓷片与金属弹性体不需粘接，只用螺栓把压电陶瓷片与金属弹性体紧固即可，加工简单，易于工业化生产，成本低；

4、纵、弯两种模态共振频率调谐可以通过改变螺栓轴长度来调节，为该型电机的设计和调试带来了很大的方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中图1(b)为图1(a)的A-A剖视图；

图2为本发明的驱动振子结构示意图；

图3为本发明的双头螺栓结构示意图；

图4为本发明的金属弹性体结构示意图；

图5为本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的结构示意图如附图1所示，主要由预紧螺钉1、机架上盖板2、预紧弹簧3、质量块4、定子5(即驱动振子)、动子6、机架7七大部件组成。预紧螺钉1、机架上盖板2、预紧弹簧3以及机架7构成了电机的预紧力施加机构，通过改变预紧螺钉1的进给深度及预紧弹簧3的弹性变形，从而给以定子5一定预紧力。动子6为一条单面开有导向槽的直线滑块，其滑块固定于机架7底部。机架7的两侧板设有导向槽，定子5的轴肩可沿导向槽安放于机架7中，从而固定定子沿滑轨方向的运动。动子6上端面与定子5末端凸齿，通过预紧弹簧3和预紧螺钉1给以一定预紧力压紧接触。

定子5，作为本发明的主要和关键部件，是由压电陶瓷片和超声激励信号紫铜薄片接线端子通过螺栓联接紧固形成的驱动振子，其结构如图2所示，主要由接线端子51、中间隔垫52、弯振压电陶瓷片53、纵振压电陶瓷片54、前盖板55、预紧螺栓轴56、紧定螺母57七个零件组成。

其中压电陶瓷片①②③④⑤⑥⑦⑧共8片，均为长方形中心带通孔，晶片极化方式均为沿厚度方向极化，其中，弯振压电陶瓷片53由①②⑦⑧四片组成，且每片的面内分割成两个区，反向极化；纵振压电陶瓷片4由③④⑤⑥四片组成，且每片面内不分区，同向极化；压电陶瓷片之间，即①和②、③和④、⑤和⑥、⑦和⑧之间，以及弯振压电陶瓷片53、纵振压电陶瓷片54与中间隔垫52、前盖板55之间夹入紫铜薄片作为超声激励信号接线端子51，其中处于弯振压电陶瓷片53(①和②、⑦和⑧)之间的紫铜薄片为接Vsinωt激励信号端子，处于纵振压电陶瓷片54(③和④、⑤和⑥)之间的紫铜薄片为接Vcosωt激励信号端子，其余为接地端子。

预紧螺栓轴56为中间带轴肩561的双头螺栓，用于连接各部分零件，其结构如附图3所示。

前盖板55中间设通孔，端部设有凸齿551，以增大振幅，其结构如附图4所示。

定子5安装时，先从预紧螺栓轴56的两端分别套入接线端子51、纵振压电陶瓷片54、中间隔垫52、弯振压电陶瓷片53及前盖板55，并用紧定螺母57旋紧。整机安装时，先将动子6安装固定于机架7底座上，再将按上述步骤装配好定子5后，将定子5的轴肩561对准机架7侧板上的导向槽，前盖板55的凸齿551朝向动子6，沿导向槽方向装入，再依次装入质量块4和预紧弹簧3，盖上机架上盖板2，加一定预紧力拧上预紧螺栓1，当接线端子51接入适当的外激励信号源，即可使驱动正常工作。

本发明的工作原理图如附图5所示，工作过程如下：在两相相位差为90°的高频(大于20K的共振频率)正弦电压输入信号作用下，激振定子5产生纵向、弯曲两复合的振动，一个周期的振动过程为(1)→(2)→(3)→(4)→(1)(或(1)→(4)→(3)→(2)→(1))，其中：

(1)、振子纵向振动达到振幅位置，弯曲振动恢复到平衡位置，此时，振子两端凸齿表面质点脱离滑轨，弯曲振速达到最大，纵向振速为零；

(2)、振子弯曲振动达到振幅位置，纵向振动恢复到平衡位置，此时，振子右端凸齿表面与滑轨接触，弯曲振速为零，纵向振速达到最大，指向压缩方向，带动滑轨向左运动；

(3)、振子纵向振动达到振幅位置，弯曲振动恢复到平衡位置，此时，振子两端凸齿表面质点脱离滑轨，弯曲振速达到最大，纵向振速为零，滑轨在自身惯性作用下，继续向左运动；

(4)、振子弯曲振动达到振幅位置，纵向振动恢复到平衡位置，此时，振子左端凸齿表面与滑轨接触，弯曲振速为零，纵向振速达到最大，指向拉伸方向，带动滑轨向左运动。

如此周而复始，定子5从状态(4)又回到状态(1)，进入下一个周期的运动。由于电机工作在超声频率，驱动周期极短，因此，动子6的运动可以认为连续运动。

如果改变两相激励电压的相位差，使相位差由原来的π/2改为-π/2，时间历程则为(1)→(4)→(3)→(2)→(1)，则运动反向，定子5带动动子6向右作直线运动。由于驱动是通过接触界面的摩擦实现的，因此，该电机具有很好的断电自锁能力。

本发明的直线超声电机使用和维护均十分方便，电机安装调试好之后，通过接线端子连接超声信号激励电源，该电源采用PWM驱动技术及驱动功率MOSFET的集成电路，电压相位差、幅值、频率可同时调节，从而十分方便的实现和满足了电机高精度定位要求。

Claims

1、一种棱柱型纵弯复合振子直线超声电机，包括有驱动振子、动子、机架，以及用于紧固驱动振子、动子、机架的锁定机构，所述驱动振子包括压电元件和金属弹性体，其特征在于所述压电元件包括可产生弯曲振动的弯振压电陶瓷片和可产生直线振动的纵振压电陶瓷片，所述金属弹性体设置有至少一个与动子接触的凸齿，所述动子为侧面设置有导向凸起的滑块，其导向凸起与机架所设置的直线导向槽相对应。

2、根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述弯振压电陶瓷片为长方形薄片结构，并沿厚度方向极化，且按长方形的长度方向分为对称的两个区域，两个区域的极化方向相反；所述纵振压电陶瓷片也为长方形薄片结构，且不分区沿厚度方向极化。

3、根据权利要求2所述的直线超声电机，其特征在于所述两个长方形弯振压电陶瓷片按照极化方向相反相互贴合，成双层弯振压电陶瓷片；所述两个长方形纵振压电陶瓷片也按照极化方向相反相互贴合，成双层纵振压电陶瓷片。

4、根据权利要求3所述的直线超声电机，其特征在于所述金属弹性体也采用长方形结构，其末端中间部分设置有凸齿。

5、根据权利要求4所述的直线超声电机，其特征在于所述驱动振子还包括接线端子、中间隔垫、预紧螺栓，所述预紧螺栓为中间带轴肩的双头螺栓，所述弯振压电陶瓷片、纵振压电陶瓷片、金属弹性体的长方形中心均设置有通孔，预紧螺栓两端往轴肩方向分别依次套入双层纵振压电陶瓷片、中间隔垫、双层弯振压电陶瓷片及金属弹性体，所述接线端子采用中间带有通孔的金属薄片，作为压电元件的接线端，其分别夹于双层弯振压电陶瓷片和双层纵振压电陶瓷片的每个陶瓷片两侧。

6、根据权利要求5所述的直线超声电机，其特征在于所述机架的内侧面设有可安放预紧螺栓的轴肩的垂直导向槽，所述垂直导向槽垂直于其底部所设置的直线导线槽。

7、根据权利要求1或6所述的直线超声电机，其特征在于所述锁定机构包括预紧螺钉、机架上盖板、预紧弹簧，所述预紧弹簧设置于驱动振子的上端，所述预紧螺钉穿过机架上盖板与预紧弹簧连接。

8、根据权利要求7所述的直线超声电机，其特征在于所述预紧弹簧和驱动振子之间还设置有一质量块。