CN101072000B - 单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机 - Google Patents

Abstract

单驱动足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。本发明解决了现有的直线超声电机运动速度低、推力小、电机效率低下的问题。本发明的变幅杆(1)是由两端向中部逐渐变细截面为矩形的四棱柱体，驱动足(6)位于变幅杆(1)的中间位置；两个法兰螺柱的里外侧螺柱(14)上分别装有纵振压电陶瓷片(8)和弯振压电陶瓷片(7)，两个端盖(2)分别安装在两个法兰螺柱的外侧螺柱(14)上，两个端盖(2)、两组压电陶瓷片组(3)和薄铜片(5)通过两个法兰螺柱与变幅杆(1)的两个大端紧固成一体。本发明具有结构简单，运行平稳，输出推力大，运动速度高等优点。

Description

单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机

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。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。目前所有的直线超声电机在低于100V驱动电压下运动速度一般不超过1m/s，输出推力普遍小于30N，严重制约了直线超声电机在高速大功率场合的应用。

发明内容

本发明为了解决现有的直线超声电机运动速度低、推力小、电机效率低下的问题，进而提供一种单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机。

本发明的技术方案是：单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，包括夹心换能器和驱动足；所述的夹心换能器由变幅杆、两个端盖、两组压电陶瓷片组、两个法兰螺柱、薄铜片组成；所述法兰螺柱由法兰和螺柱组成，螺柱上的中间位置固定设有法兰；所述的变幅杆是由两端向中部逐渐变细的截面为矩形的四棱体，驱动足位于变幅杆的中间位置，所述的压电陶瓷片组由两片弯振压电陶瓷片和两片纵振压电陶瓷片组成，两个法兰螺柱的外侧螺柱上分别装有两片弯振压电陶瓷片，两个法兰螺柱的内侧螺柱上分别装有两片纵振压电陶瓷片，压电陶瓷片组的各个压电陶瓷片之间及压电陶瓷片组与变幅杆的大端之间分别装有作为电极的薄铜片，两个端盖分别安装在两个法兰螺柱的外侧螺柱上，两个端盖、两组压电陶瓷片组和薄铜片通过两个法兰螺柱与变幅杆的两个大端紧固成一体；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，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。

本发明具有以下有益效果：本发明利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心式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，产生推力，实现电机的直线运动。本发明通过调整变幅杆的大小端面积之比即变幅比、变幅杆的矩形截面长短边之比以及端盖长度来实现纵弯频率简并的。变幅杆采用变截面设计起到聚集振动能量的作用，大大提高驱动足部位的振幅和振速，使电机的性能有了大幅度提高，最高速度能够达到2m/s以上，能够产生50N以上输出推力，具有很好的速度稳定性。本发明还具有单驱动足、高速度、大推力、结构简单等优点。

附图说明

图1为本发明的立体图，图2是图1的纵剖图，图3是压电陶瓷片组3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的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安装在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2和图3来说明本实施方式，本实施方式的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机由夹心换能器、驱动足6组成，所述的夹心换能器由变幅杆1、两个端盖2、两组压电陶瓷片组3、两个法兰螺柱、薄铜片5组成；所述法兰螺柱由法兰4和螺柱14组成，螺柱14上的中间位置固定设有法兰4；所述的变幅杆1是由两端向中部逐渐变细截面为矩形的四棱体，驱动足6位于变幅杆1的中间位置，所述的压电陶瓷片组3由两片弯振压电陶瓷片7和两片纵振压电陶瓷片8组成，两个法兰螺柱的外侧螺柱14上分别装有两片弯振压电陶瓷片7，两个法兰螺柱的内侧螺柱14上分别装有两片纵振压电陶瓷片8，压电陶瓷片组3的各个压电陶瓷片之间及陶瓷片组3与变幅杆1的大端之间分别装有作为电极的薄铜片5，两个端盖2分别安装在两个法兰螺柱的外侧螺柱14上，两个端盖2、两组压电陶瓷片组3和薄铜片5通过两个法兰螺柱与变幅杆1的两个大端紧固成一体；每片弯振压电陶瓷片7对称切分成上半片弯振压电陶瓷片9和下半片弯振压电陶瓷片10，上半片弯振压电陶瓷片9和下半片弯振压电陶瓷片10的极化方向相反，相邻两片上半片弯振压电陶瓷片9的极化方向相反，相邻两片下半片弯振压电陶瓷片10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；各压电陶瓷片沿厚度方向极化，用“+”“—”表示电畴即极化方向；驱动足6的中心与法兰4的中心的距离L为1/2或1/4纵振波长。

具体实施方式二：如图1、图2所示，所述变幅杆1和驱动足6采用一整块金属材料加工而成。减少能量损失，结构简单易加工。

具体实施方式三：如图1所示，所述驱动足6的上端横截面和下端横截面均为矩形。采有这样的结构，可使驱动足6与导轨平面充分接触，提高直线超声电机的动行稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图1、图2所示，所述法兰螺柱的法兰4的前侧面和后侧面上的中部各钻有一个小圆锥形孔11，作为直线超声电机预紧应力的机构夹持点，这样可以最小程度影响电机的固有谐振频率，可防止谐振频率漂移和振动形态畸变，减少能量损失。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：如图1所示，所述端盖2的横截面可为矩形或圆形。采用这样的结构可简化加工工艺。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：如图1所示，所述弯振压电陶瓷片7和纵振压电陶瓷片8的横截面为矩形或圆形。采用这样的结构可简化加工工艺。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：如图1所示，所述法兰4的横截面可为矩形或圆形。采用这样的结构可简化加工工艺。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：如图1、图2所示，本实施方式与具体实施方式一的不同点是，本实施方式还包括陶瓷摩擦片12，所述的陶瓷摩擦片12与驱动足6的下端横截面粘接。采用这样的结构，可防止驱动足6的的磨损，延长驱动足6的使用寿命。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：如图1、图2所示，本实施方式与具体实施方式八的不同点是，本实施方式的陶瓷摩擦片12的材料是ZrO₂、Si₃N₄、SiC或Al₂O₃。采用上述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，在耐磨损性要求不高的前提下一般选用Al₂O₃。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是，本实施方式还包括绝缘套13，所述的绝缘套13分别套在两个法兰螺柱的外侧螺柱14与两片弯振压电陶瓷片7、薄铜片5及两个法兰螺柱的里侧螺柱14与两片纵振压电陶瓷片8、薄铜片5之间。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：如图5所示，本实施方式是将本发明的直线超声电机应用到实验台上的一个实施例，所述的实验台由单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机21与支架导轨22、夹持预紧机构23、加载机构24和测速机构25组成，所述的支架导轨22的底座221经由两个支板222支撑导轨220；4个L形夹持块230上的锥形顶尖分别两两夹持住振子两个法兰螺柱上的锥形孔，这样可以最小程度影响电机的固有谐振频率；轮轴231沿导轨下平面滚动，轮轴两端有轴承座232和滚动轴承234，螺栓233固连于轴承座232上并穿过夹持块230上的圆孔，通过螺母236和预紧弹簧235压紧驱动振子21于导轨320上，并可调节预紧力大小。机械载荷通过滑轮加载机构24的细线240吊加砝码实现。电机工作时带动导轨下方的轮轴移动，通过支架250和联轴器251与轮轴联接的光电码盘测量轮轴转速，进而可推算出电机的直线速度。试验中本实施例直线超声电机最高速度能够达到2m/s以上，能够产生50N以上输出推力，具有很好的速度稳定性。

工作原理：本发明利用压电陶瓷的纵向振动在夹心式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，产生推力。如图2所示，于A电极施加纵向谐振频率电压时，每对反向极化的纵振陶瓷同步膨胀或收缩，激发纵向振动；在B电极施加弯曲谐振频率电压，上侧一对陶瓷片膨胀时，下侧一对收缩，反之亦然，激发弯曲振动。调整变幅杆的如下外形尺寸参数：大小端面积之比即变幅比、矩形截面长短边之比和端盖长度，实现纵弯频率简并。变幅杆起到聚集振动能量的作用，提高驱动足部位的振幅和振速，使电机的性能有了大幅度提高。电机工作在奇数阶弯振状态，这样驱动足所在位置是弯振振型波腹，驱动足驱动端的弯振位移分量垂直于导轨，与纵振叠加为椭圆驱动轨迹，且该处是换能器的端盖中的纵振速度最大处。如图4，显示了在一个振动周期内电机的振型变化及驱动原理，纵弯两路电压激振信号的相位差为+90°。I为驱动阶段，位于变幅杆上的驱动足推动轨道使电机移动，此时，纵振振速和弯振位移达到最大值，II、III、IV为悬浮阶段，电机由于惯性悬浮在轨道上。如调整两路激励信号相位差为-90°，可实现电机反向运动。

Claims (9)

1.一种单驱动足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(6)；其特征在于所述的夹心换能器由变幅杆(1)、两个端盖(2)、两组压电陶瓷片组(3)、两个法兰螺柱、薄铜片(5)组成；所述法兰螺柱由法兰(4)和螺柱(14)组成，螺柱(14)上的中间位置固定设有法兰(4)；所述的变幅杆(1)是由两端向中部逐渐变细的截面为矩形的四棱柱体，驱动足(6)位于变幅杆(1)的中间位置，所述的压电陶瓷片组(3)由两片弯振压电陶瓷片(7)和两片纵振压电陶瓷片(8)组成，两个法兰螺柱的外侧螺柱(14)上分别装有两片弯振压电陶瓷片(7)，两个法兰螺柱的里侧螺柱(14)上分别装有两片纵振压电陶瓷片(8)，压电陶瓷片组(3)的各个压电陶瓷片之间及压电陶瓷片组(3)与变幅杆(1)的大端之间分别装有作为电极的薄铜片(5)，两个端盖(2)分别安装在两个法兰螺柱的外侧螺柱(14)上，两个端盖(2)、两组压电陶瓷片组(3)和薄铜片(5)通过两个法兰螺柱与变幅杆(1)的两个大端紧固成一体；每片弯振压电陶瓷片(7)对称切分成上半片弯振压电陶瓷片(9)和下半片弯振压电陶瓷片(10)，上半片弯振压电陶瓷片(9)和下半片弯振压电陶瓷片(10)的极化方向相反，相邻两片上半片弯振压电陶瓷片(9)的极化方向相反，相邻两片下半片弯振压电陶瓷片(10)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。

2.根据权利要求1所述的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，其特征在于所述变幅杆(1)和驱动足(6)采用一整块金属材料加工而成。

3.根据权利要求1或2所述的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，其特征在于所述驱动足(6)的上端横截面和下端横截面均为矩形。

4.根据权利要求1所述的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，其特征在于所述端盖(2)的横截面为矩形或圆形。

5.根据权利要求1所述的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，其特征在于所述弯振压电陶瓷片(7)和纵振压电陶瓷片(8)的横截面为矩形或圆形。

6.根据权利要求1所述的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，其特征在于所述法兰(4)的横截面为矩形或圆形。

7.根据权利要求1所述的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，其特征在于它还包括陶瓷摩擦片(12)，所述的陶瓷摩擦片(12)与驱动足(6)的下端面粘接。

8.根据权利要求8所述的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，其特征在于所述的陶瓷摩擦片(12)的材料是ZrO₂、Si₃N₄、SiC或Al₂O₃。

9.根据权利要求1所述的单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机，其特征在于它还包括绝缘套(13)；所述的绝缘套(13)分别套在两个法兰螺柱的外侧螺柱(14)与两片弯振压电陶瓷片(7)、薄铜片(5)及两个法兰螺柱的里侧螺柱(14)与两片纵振压电陶瓷片(8)、薄铜片(5)之间。

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