CN101087111B - 可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机 - Google Patents

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Abstract

可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机，它涉及一种超声电机，本发明的目的在于解决目前超声电机存在的压电陶瓷采用d31振动模式实现能量转换效率较低，激励电压较大时容易剥落的问题。本发明每组的四片压电陶瓷片两两之间分别设有一个铜片电极(15)，第二金属块(4)、第三金属块(5)和第四金属块(6)下端的第一驱动齿(12)、第二驱动齿(13)和第三驱动齿(14)分别与导轨(30)相连接。本发明位于弯曲驻波振动梁相邻波腹和波节之间的驱动齿端部可以产生一定倾角的斜线振动轨迹，在这种运动轨迹下，驱动齿端对导轨施加与斜线同向的作用力，该作用力可分解为与导轨垂直的法向分量和与导轨平行的轴向分量，轴向分力推动电机沿轴向运动。

Description

可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机 
技术领域
本发明涉及一种超声电机。 
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。1998年“超声、铁电及频率控制”杂志(IEEE Trans.Ultrason.，Ferroelect.，Freq.Contr.)第45期p1133～1139页、名称为“Standing Wave Bi-directional Linearly MovingUltrasonic Motor”(驻波双向直线运动超声电机)提出一种可实现双向直线运动的驻波超声电机，其驱动振子结构如图1所示。它包含板状金属弹性体111和压电陶瓷片112两部分。其中，在金属弹性体111上加工有三个驱动齿110，并使各驱动齿位于振子三阶和四阶弯曲振动振型的公共的相邻波腹和波节叠加区域；八片极化方向相同的矩形压电陶瓷片粘贴于金属弹性体平面处。按图1所示通电方案a或b分别给压电陶瓷片施加频率为四阶或三阶弯曲谐振频率的交流电压，使振子工作在四阶或三阶弯曲振动谐振状态，使各驱动齿端部产生同时向左或向右倾斜的振动轨迹，推动振子向左或向右运动。但它的不足之处在于：压电陶瓷采用d31振动模式实现能量转换，而一般压电陶瓷d31能量转换效率较低；其次胶层承受较大的剪切应力，激励电压较大时容易剥落，这些缺点限制了此类电机的大功率化。 
发明内容
本发明的目的在于解决目前超声电机存在的压电陶瓷采用d31振动模式实现能量转换，而一般压电陶瓷d31能量转换效率较低，其次胶层承受较大的剪切应力，激励电压较大时容易剥落的问题，提供一种可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机。本发明由超声驱动振子、负载支架和导轨30组成，超声驱动振子由螺柱2、第一金属块3、第二金属块4、第三金属块5、第四金属块6、第五金属块7、第一组压电陶瓷片8、第二组压电陶瓷片9、第三组压电陶瓷片10、第四组压电陶瓷片11、十四个铜片电极15和四个橡 胶隔振环27组成，第一金属块3、第一组压电陶瓷片8、第二金属块4、第二组压电陶瓷片9、第三金属块5、第三组压电陶瓷片10、第四金属块6、第四组压电陶瓷片11和第五金属块7自左至右依次设置在螺柱2上，每组压电陶瓷片分别为四片，每组的四片压电陶瓷片两两之间分别设有一个铜片电极15，第一组压电陶瓷片8的右端与第二金属块4的左端之间设有一个铜片电极15，第四金属块6的右端与第四组压电陶瓷片11的左端之间设有一个铜片电极15，每组压电陶瓷片以及铜片电极15与螺柱2之间分别设有橡胶隔振环27，第二金属块4、第三金属块5和第四金属块6一侧的下端分别设有第一驱动齿12、第二驱动齿13和第三驱动齿14；负载支架由两个立架21、横板22、两个垫片23、两个立架螺钉24、四个横板螺钉25和四个橡胶隔振片26组成，两个立架21分别设置在螺柱2的两端，两个垫片23分别设置在两个立架21的外侧，螺柱2两侧的立架21和垫片23分别由立架螺钉24与螺柱2固定连接，螺柱2的左右两端、第一金属块3的左端和第五金属块7的右端与两个立架21之间，两个立架21与两个垫片23之间分别设有橡胶隔振片26，横板22的两端每端由两个横板螺钉25分别与两个立架21的上端固定连接，第二金属块4、第三金属块5和第四金属块6下端的第一驱动齿12、第二驱动齿13和第三驱动齿14分别与导轨30相连接。 
本发明的有益效果是：利用了压电陶瓷的纵向振动在夹心式换能器中激出弯曲振动驻波，当弯振陶瓷片组位于换能器的特定弯曲振型的波腹处时，对其施加该振型的谐振频率同频的电压激励，上下两对陶瓷半片交替膨胀收缩，可以激发相应的弯曲驻波振动。电机工作原理基于以下客观事实：位于弯曲驻波振动梁相邻波腹和波节之间的驱动齿端部可以产生一定倾角的斜线振动轨迹，在这种运动轨迹下，驱动齿端对导轨施加与斜线同向的作用力，该作用力可分解为与导轨垂直的法向分量和与导轨平行的轴向分量，轴向分力推动电机沿轴向运动。实现电机双向动的关键是合理布置驱动齿位置，使各驱动齿同时位于各波腹左侧或右侧，则各齿端产生同一倾向振动斜线轨迹。 
附图说明
图1是现有的驻波双向直线运动超声电机结构外形图，
图2是本发明可 实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机结构示意图，
图3是本发明可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机剖视图，
图4是本发明可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机中的弯振陶瓷片极化方向示意图，
图5是本发明提出的可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机的驱动齿布置示意图，
图6是本发明提出的可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机振子的四阶弯振的振型图，
图7是本发明提出的可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机振子的三阶弯振的振型图。 
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图2～图3)本实施方式由超声驱动振子、负载支架和导轨30组成，超声驱动振子由螺柱2、第一金属块3、第二金属块4、第三金属块5、第四金属块6、第五金属块7、第一组压电陶瓷片8、第二组压电陶瓷片9、第三组压电陶瓷片10、第四组压电陶瓷片11、十四个铜片电极15和四个橡胶隔振环27组成，第一金属块3、第一组压电陶瓷片8、第二金属块4、第二组压电陶瓷片9、第三金属块5、第三组压电陶瓷片10、第四金属块6、第四组压电陶瓷片11和第五金属块7自左至右依次设置在螺柱2上，每组压电陶瓷片分别为四片，每组的四片压电陶瓷片两两之间分别设有一个铜片电极15，第一组压电陶瓷片8的右端与第二金属块4的左端之间设有一个铜片电极15，第四金属块6的右端与第四组压电陶瓷片11的左端之间设有一个铜片电极15，每组压电陶瓷片以及铜片电极15与螺柱2之间分别设有橡胶隔振环27，第二金属块4、第三金属块5和第四金属块6一侧的下端分别设有第一驱动齿12、第二驱动齿13和第三驱动齿14；负载支架由两个立架21、横板22、两个垫片23、两个立架螺钉24、四个横板螺钉25和四个橡胶隔振片26组成，两个立架21分别设置在螺柱2的两端，两个垫片23分别设置在两个立架21的外侧，螺柱2两侧的立架21和垫片23分别由立架螺钉24与螺柱2固定连接，螺柱2的左右两端、第一金属块3的左端和第五金属块7的右端与两个立架21之间，两个立架21与两个垫片23之间分别设有橡胶隔振片26，横板22的两端每端由两个横板螺钉25分别与两个立架21的上端固定连接，第二金属块4、第三金属块5和第四金属块6下端的第一驱动齿12、第二驱动齿13和第三驱 动齿14分别与导轨30相连接。 
具体实施方式二：(参见图4)本实施方式每一组的每一整片陶瓷片对称切分为上下两个半片，上下两个半片极化方向相反，并且每个半片在厚度方向与相邻半片极化方向相反。本实施方式各陶瓷片沿厚度方向极化，“+”“-”表示电畴即极化方向。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。 
具体实施方式三：(参见图5、图6和图7)本实施方式用不同的弯振模态来实现双向运动：即采用四阶弯振a时，使驱动齿位于各波腹左侧，产生右向驱动力；采用三阶弯振b时，使驱动齿位于各波腹右侧，产生左向驱动力。图5中区域I为驱动齿在四阶弯振波腹左侧布置区域与在三阶弯振波腹右侧布置区域的交集，驱动齿布置在该区域内时，当电机工作在四阶弯振状态时，电机向右运动，当电机工作在三阶弯振状态时，电机向左运动。同理，若将驱动齿布置于区域II，则电机工作在四阶弯振和三阶弯振状态时，其运动方向分别为左向和右向。(图6和图7给出了振子的四阶弯振和三阶弯振的振型)。结合图2，在四阶弯振工作状态时，A、B、C、D四个电极所在陶瓷片组位于弯振振型波腹处，全部通电工作，并且A、C两路激励与B、D两路激励相位差为180°；在三阶弯振工作状态时，只有A、D两个电极所在陶瓷片组位于弯振振型波腹处，电极A、D通电工作，电极B、C与电极G短接。电极G接地。试验中本实施例直线超声电机最高速度能够达到180mm/s以上，最高可承载30kg质量载荷，能够产生20N以上输出推力，具有很好的速度稳定性。

Claims (2)

1.一种可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机，由超声驱动振子、负载支架和导轨(30)组成，其特征在于：超声驱动振子由螺柱(2)、第一金属块(3)、第二金属块(4)、第三金属块(5)、第四金属块(6)、第五金属块(7)、第一组压电陶瓷片(8)、第二组压电陶瓷片(9)、第三组压电陶瓷片(10)、第四组压电陶瓷片(11)、十四个铜片电极(15)和四个橡胶隔振环(27)组成，第一金属块(3)、第一组压电陶瓷片(8)、第二金属块(4)、第二组压电陶瓷片(9)、第三金属块(5)、第三组压电陶瓷片(10)、第四金属块(6)、第四组压电陶瓷片(11)和第五金属块(7)自左至右依次设置在螺柱(2)上，每组压电陶瓷片分别为四片，每组的四片压电陶瓷片两两之间分别设有一个铜片电极(15)，第一组压电陶瓷片(8)的右端与第二金属块(4)的左端之间设有一个铜片电极(15)，第四金属块(6)的右端与第四组压电陶瓷片(11)的左端之间设有一个铜片电极(15)，每组压电陶瓷片以及铜片电极(15)与螺柱(2)之间分别设有橡胶隔振环(27)，第二金属块(4)、第三金属块(5)和第四金属块(6)一侧的下端分别设有第一驱动齿(12)、第二驱动齿(13)和第三驱动齿(14)；负载支架由两个立架(21)、横板(22)、两个垫片(23)、两个立架螺钉(24)、四个横板螺钉(25)和四个橡胶隔振片(26)组成，两个立架(21)分别设置在螺柱(2)的两端，两个垫片(23)分别设置在两个立架(21)的外侧，螺柱(2)两侧的立架(21)和垫片(23)分别由立架螺钉(24)与螺柱(2)固定连接，螺柱(2)的左右两端、第一金属块(3)的左端和第五金属块(7)的右端与两个立架(21)之间，两个立架(21)与两个垫片(23)之间分别设有橡胶隔振片(26)，横板(22)的两端每端由两个横板螺钉(25)分别与两个立架(21)的上端固定连接，第二金属块(4)、第三金属块(5)和第四金属块(6)下端的第一驱动齿(12)、第二驱动齿(13)和第三驱动齿(14)分别与导轨(30)相连接。
2.根据权利要求1所述的可实现双向直线运动的夹心换能器式驻波超声电机，其特征在于每一组的每一整片陶瓷片对称切分为上下两个半片，上下两个半片极化方向相反，并且每个半片在厚度方向与相邻半片极化方向相反。
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