CN101656489A - 一种v型棱柱复合振子直线超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开属于超声电机技术领域，特别是涉及一种直线超声电机，包括机架、设于机架上的复合振子、给复合振子加压的预压力机构及与复合振子接触的动子，该复合振子包括组成V型结构的两个振子，且每个振子呈棱柱型。每个振子主要由预紧螺栓、设于预紧螺栓前端且与动子接触的驱动头、设于预紧螺栓后端的后端盖及设于预紧螺栓中间的纵向压电陶瓷片及电极片，两振子之间还设有一安装预压力机构的支架板。此直线超声电机便于装配和修复，驱动力较大。本发明将在精密定位、半导体制造、伺服控制、机器人、汽车工业、航空航天及民用高科技等领域获得广泛应用，有着广阔的应用前景。

Description

一种V型棱柱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超声电机。

背景技术

旋转型超声电机只能作旋转运动，输出转矩而非推力。在一些需要直线运动的场合，采用旋转超声电机则需采用运动转换机构，把电机输出的旋转运动转换为直线运动，使得机构体积增大、能量损失和运动精度降低。

直线超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成动子的宏观直线运动的一种新型电机。它与传统电磁式直线电机相比，具有结构简单、紧凑、功率密度大、定位精度高、灵敏度高、可断电自锁、不需运动转换机构即可直接输出直线运动等一系列优点。

目前已有的直线型超声电机中，主要采用纵、弯等复合振动模态，其振子多为圆柱体，为使振子表面质点产生椭圆运动轨迹，振子纵向和弯曲振动频率必须趋于一致，但由于圆柱体复合振子圆截面的对称性，在同一或相近频率下，将同时存在垂直面和水平面的弯曲振动，使所设计的直线超声电机效率和可靠性降低。另外，采用圆柱体复合振子，在装配过程中难于保证激励振子弯曲振动的压电陶瓷片对正。因此也使直线超声电机的效率、驱动力、驱动速度及可靠性等性能降低，难于实现工业化应用等缺陷。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种通过改变振子的整体结构来提高其驱动力、效率及可靠性的直线超声电机。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种直线超声电机，包括机架、设于机架上的复合振子、给复合振子加压的预压力机构及与复合振子接触的动子，该复合振子包括组成V型结构的两个振子，且每个振子呈棱柱型。

每个振子主要由预紧螺栓、设于预紧螺栓前端且与动子接触的驱动头、设于预紧螺栓后端的后端盖及设于预紧螺栓中间的纵向压电陶瓷片及电极片，两振子之间还设有一安装预压力机构的支架板。

该驱动头采用变截面超声变幅杆与微位移放大机构的结合，驱动头为与直线滑轨接触部件，将振动能通过摩擦耦合传递给动子。该驱动头为X形、π形或单头微位移放大形，驱动头的拨齿呈锯齿形。

在驱动头与动子之间涂复耐磨材料或粘贴耐磨材料；振子的驱动头及后端盖均采用金属弹性体。

支架板采用悬臂梁式结构，且均处于每个振子中是一阶伸缩振动的节面位置。

压电陶瓷片的数量为四，其均呈中间通孔的矩形状结构，压电陶瓷片均沿厚度方向极化且其通过反极化方向成对安装。

所述两振子相对称，且之间的夹角为90°，振子横截面为矩形。

该预压力机构包括设于支架板上的导柱、套装于导柱上的压缩弹簧及与导柱配合的预紧螺栓。

所述动子由直线滑轨及设于直线滑轨上的滑块构成，或由圆盘构成。

与现有技术相比，本发明通过组成V型结构的两个振子，且利用每个振子呈棱柱型，整个复合振子可以同时激发出对称振动模态和反对称振动模态，故驱动头的纵向振动和切向振动的叠加为一椭圆运动。因为驱动头上质点均做椭圆运动，对复合振子施加预压力时，驱动头便周期性地与动子接触，从而推动直线滑轨沿直线轨迹运动。

本发明的优点是驱动力大、易于设计、效率高、控制性能好、可靠性高、精度高、成本低。

附图说明

图1基于V形棱柱型兰杰文振子的直线超声波电机结构示意图。

图2预压力施加机构示意图。

图3a、3b矩形压电陶瓷薄板分区极化示意图。

图4本发明的微位移放大单驱动头驱动直线电机示意图。

图5本发明的微位移放大X形驱动头驱动的直线电机示意图。

图6本发明的微位移放大π形驱动头驱动的直线电机示意图。

图7本发明的微位移放大单驱动头驱动旋转电机示意图。

图1中标号名称是：1-后端盖，2-预紧螺栓，3-支架板，4-电极片，5-预压弹簧，6-驱动头，7-压电陶瓷片，8-滑块，9-直线滑轨。

图2中标号名称是：21-螺母M 3，22-压缩弹簧，23-导柱，24-预压力施加螺栓，25-机架顶板，26-螺母M12。

图4中标号名称是：1-后端盖，2-预紧螺栓，3-压电陶瓷片，4-电极片，5-支架板，6-驱动头，7-直线滑轨。

图5中标号名称是：1-后端盖，2-预紧螺栓，3-压电陶瓷片，4-电极片，5-支架板，6-驱动头，7-直线滑轨。

图6中标号名称是：1-后端盖，2-预紧螺栓，3-压电陶瓷片，4-电极片，5-支架板，6-驱动头，7-直线滑轨。

图7中标号名称是：1-后端盖，2-预紧螺栓，3-压电陶瓷片，4-电极片，5-支架板，6-驱动头，7-转子。

具体实施方式

如图1及图2所示，一种直线超声电机，包括机架、设于机架上的复合振子、给复合振子加压的预压力机构及与复合振子接触的动子，该复合振子包括组成V型结构的两个振子，且每个振子呈棱柱型。

每个振子主要由预紧螺栓2、设于预紧螺栓2前端且与动子接触的驱动头6、设于预紧螺栓2后端的后端盖1及设于预紧螺栓2中间的纵向压电陶瓷片7及电极片4，两振子之间还设有一安装预压力机构的支架板3。

该驱动头6采用变截面超声变幅杆与微位移放大机构的结合，用来放大振幅和聚能，提高电机性能。如图4至6所示，该驱动头6为X形、π形或单头微位移放大形。驱动头6的拨齿呈锯齿形。

为了提高电机寿命，在驱动头6与动子之间涂复耐磨材料或粘贴耐磨材料，如三氧化二铝等。

为了减少能量损耗，支架板3采用悬臂梁式结构，且均处于每个振子中是一阶伸缩振动的节面位置。

压电陶瓷片7的数量为四，其均呈中间通孔的矩形状结构，压电陶瓷片7均沿厚度方向极化且其通过反极化方向成对安装。如图3a、3b所示。

所述两振子相对称，且之间的夹角为90°，为了避免圆柱型振子的模态耦合，提高电机性能，振子横截面为矩形；振子的驱动头6及后端盖1均采用金属弹性体。

该预压力机构包括设于支架板3上的导柱23、套装于导柱23上的压缩弹簧22及与导柱23配合的预压力施加螺栓24。该导柱23通过螺母21固定于支架板3上，该预压力机构还通过套设于预压力施加螺栓24的螺母26来限定压缩弹簧22的位置，预压力施加螺栓24插穿于机架顶板25上。

本实施例中，该动子由直线滑轨9及设于直线滑轨9上的滑块8构成。

本发明的工作模态中，复合振子的振动可用两个振子相互协调的一阶纵向振动来表示。假设左右两边的振子的压电陶瓷片都接Esin(2πf)t，在此种情况下，两个振子同相伸缩，可以激发出复合振子的对称振动模态。而当左边振子的压电陶瓷片接Ecos(2πf)t，右边振子的压电陶瓷片接-Ecos(2πf)t的情况下，两个振子一个伸长的同时另一个收缩，即可以激发出复合振子的反对称振动模态。假设左右两个振子中各有两片陶瓷片，如果在左边振子中的一对压电陶瓷片接Esin(2πf)t，另一对压电陶瓷片接Ecos(2πf)t，右边振子的一对压电陶瓷片接Esin(2πf)t，另一对压电陶瓷片接-Ecos(2πf)t，那么整个复合振子就可以同时激发出对称振动模态和反对称振动模态。

当在两个振子上加载两路相位差为90°交流信号时—例如Esinωt和Ecos(ωt)，可以同时激励出这两个振动模态。所以，驱动头的纵向振动和切向振动的叠加为一椭圆运动。因为驱动头上质点均做椭圆运动，对复合振子施加预压力时，驱动头便周期性地与动子接触，从而推动直线滑轨沿直线轨迹运动，当将两路信号的相位差切换为-90°时，直线滑轨返向运动。

若将直线滑轨变为圆盘，如图7所示，同上所述的原理，驱动振子将推动圆盘旋转，为了提高电机寿命，可在直线导轨上或者驱动头部位粘贴耐磨材料，可进一步提高电机推力、提高其使用寿命。

Claims (10)

1、一种V型棱柱复合振子直线超声电机，包括机架、设于机架上的复合振子、给复合振子加压的预压力机构及与复合振子接触的动子，其特征在于：该复合振子包括组成V型结构的两个振子，且每个振子呈棱柱型。

2、根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：每个振子主要由预紧螺栓、设于预紧螺栓前端且与动子接触的驱动头、设于预紧螺栓后端的后端盖及设于预紧螺栓中间的纵向压电陶瓷片及电极片，两振子之间还设有一安装预压力机构的支架板。

3、根据权利要求2所述的直线超声电机，其特征在于：该驱动头采用变截面超声变幅杆与微位移放大机构的结合，驱动头为与直线滑轨接触部件，将振动能通过摩擦耦合传递给动子。

4、根据权利要求3所述的直线超声电机，其特征在于：该驱动头为X形、π形或单头微位移放大形，驱动头的拨齿呈锯齿形。

5、根据权利要求2所述的直线超声电机，其特征在于：在驱动头与动子之间涂复耐磨材料或粘贴耐磨材料，振子的驱动头及后端盖均采用金属弹性体。

6、根据权利要求2所述的直线超声电机，其特征在于：支架板采用悬臂梁式结构，且均处于每个振子中是一阶伸缩振动的节面位置。

7、根据权利要求2所述的直线超声电机，其特征在于：压电陶瓷片的数量为四，其均呈中间通孔的矩形状结构，压电陶瓷片均沿厚度方向极化且其通过反极化方向成对安装。

8、根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：所述两振子相对称，且之间的夹角为90°，振子横截面为矩形。

9、根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：该预压力机构包括设于支架板上的导柱、套装于导柱上的压缩弹簧及与导柱配合的预紧螺栓。

10、根据权利要求1至9任一项所述的直线超声电机，其特征在于：所述动子由直线滑轨及设于直线滑轨上的滑块构成，或由圆盘构成。

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