CN102097974B - 行波型直线超声波微电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行波型直线超声波微电机，属于超声波电机技术领域，其技术要点包括定子，其中所述的定子为环形中空薄片状，在定子表面设有压电陶瓷环；在定子外边缘分布有驱动机构，在驱动机构侧边沿定子轴向设有若干导轨，驱动机构与导轨对应且相接触；在定子的其中一端面上连接有预紧机构，预紧机构与导轨相接触；本发明旨在提供一种结构紧凑、占用空间小、工作稳定且精度高的行波型直线超声波微电机；适用于光学镜头、生物、医疗、微机械、国防科技等方面。

Description

行波型直线超声波微电机

技术领域

本发明涉及一种超声波微电机，更具体地说，尤其涉及一种行波型直线超声波微电机。

背景技术

超声波电机是利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声波电机定子的振动能，再通过摩擦转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子(动子)及预压力机构等功能部件组成。与传统电磁电机相比，超声波电机具有许多独特的特点和优点，比如：

(1)结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，电机易于微型化；

(2)低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动；

(3)电机响应速度快，并且能实现断电自锁；

(4)位置和速度控制性好，位移分辨率高；

(5)不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强；

(6)安静无噪声；

(7)设计灵活，结构形式多样化。

直线型超声波电机是超声波电机的一种，薄片型直线超声波电机，由于结构紧凑、驱动精度高等优点而获得广泛关注和应用。常见的有采用第一阶纵向振动模态和第二阶弯振模态的复合振动模态作为工作模态的板型电机。

由于不同类型的振动模态对外部条件变化的敏感度不同，当温度、预压力、驱动信号的电压等条件变化时，容易影响到采用不同类型复合振动模态电机的定子的复合振动，使得电机性能剧烈变化，且不容易调节。为此，采用不同类型复合振动模态的电机对工作条件要求比较苛刻，经常要求工作在恒温等条件下。

微型化也是超声波电机的一个发展趋势。在一些需要中空，以便中间安装组件，同时又需要电机为薄型结构的场合，如手机、相机镜头中。如何获得稳定的性能，同时能安装在狭小空间，就成为一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、占用空间小、工作稳定且精度高的行波型直线超声波微电机。

本发明的技术方案是这样实现的：一种行波型直线超声波微电机，包括第一定子，其中所述的第一定子为薄片状环形体，在第一定子表面设有压电陶瓷环；在第一定子外边缘分布有驱动机构，在驱动机构侧边沿第一定子轴向设有若干导轨，驱动机构与导轨对应且相接触；在第一定子的其中一端面上连接有弹性预紧机构。

上述的行波型直线超声波微电机中，所述的弹性预紧机构由弹性环和预紧盘构成，弹性环设置在预紧盘与第一定子之间，预紧盘与导轨相接触。

上述的行波型直线超声波微电机中，所述的弹性预紧机构由弹性环和第二定子构成，第二定子为薄片状环形体，第二定子结构与第一定子相同，第二定子与导轨相接触，第二定子与第一定子同步同向振动；在第二定子表面设有第二压电陶瓷环。

上述的行波型直线超声波微电机中，所述的第一定子上设有隔离带，隔离带将第一定子分成外环和内环，隔离带的厚度比内环和外环的厚度薄；所述的压电陶瓷环设置在外环上。

上述的行波型直线超声波微电机中，所述的驱动机构与导轨的接触面粘贴有耐磨材料或进行耐磨表面处理。

上述的行波型直线超声波微电机中，所述的第一定子上表面和/或下表面设有压电陶瓷环。

上述的行波型直线超声波微电机中，所述的驱动机构为均布在外环外边缘的驱动孔，所述的导轨穿设在驱动孔内且与驱动孔内侧的驱动面相接触。

上述的行波型直线超声波微电机中，所述的驱动机构为均布在外环外边缘的驱动臂，在驱动臂的自由端设有与导轨相适应的驱动槽，导轨与驱动槽内侧的驱动面相接触。

本发明采用上述结构后，通过采用中空薄片状环形定子，相对于常见的多振子定子或不同类型模态合成型定子，明显提高了工作稳定性和精度；定子为薄片结构，结构紧凑，占用空间小；中空的定子结构便于中间安装其他功能组件。本发明提出的新型行波型直线超声波电机，将有利于拓展超声波电机的应用领域，在光学镜头、生物、医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明具体实施例1的结构示意图；

图2是图1中A-A处的剖视图；

图3是本发明压电陶瓷环的分区和极化结构示意图；

图4是本发明具体实施例2的结构示意图；

图5是本发明具体实施例3的结构示意图；

图6是图5中B-B处的剖视图；

图7是本发明的驱动原理图。

图中：第一定子1、外环1a、内环1b、安装孔1c、压电陶瓷环2、导轨3、弹性环4、预紧盘5、第二定子6、第二压电陶瓷环7、隔离带8、驱动孔9、驱动臂10、驱动槽10a。

具体实施方式

实施例1

内孔驱动单定子行波型直线超声波电机

参阅图1、图2所示，本发明的一种行波型直线超声波微电机，包括中空薄片状环形的第一定子1，在第一定子1上设有隔离带8，隔离带8将第一定子1分成外环1a和内环1b，隔离带8的厚度比外环1a和内环1b的厚度薄，外环1a主要为振动体，在外环1a的上表面设有压电陶瓷环2，根据需要，压电陶瓷环2也可以同时设置在外环1a的上、下表面；内环1b为安装盘，用于安装其它功能组件，例如用于光学镜头时可以用于固定镜头，使镜头可以精确伸缩；在第一定子1上表面设有压电陶瓷环2；在第一定子1外边缘分布有驱动机构，驱动机构为均布在外环1a外边缘的八个驱动孔9，在其中的四个驱动孔9内穿设有导轨3，导轨3与驱动孔9相接触形成驱动面，在本实施例中，驱动孔9的数量为八个，可以根据实际需要进行增加或是减少，导轨3的数量为四个，同样可以根据实际需要进行增加或是减少，为了提高移动精度并保证装置的使用寿命，在驱动孔9的内侧面粘贴有耐磨材料或进行耐磨处理；在第一定子1的下端面上连接有预紧机构，预紧机构与第一定子1之间还设有弹性环4，弹性环4用于提供弹性预紧力；预紧机构为预紧盘5，预紧盘5安装在内环1b上，预紧盘5与导轨3相接触，触点与第一定子1上的驱动触点分布在导轨3的两侧；在本实施例中，在内环1b上沿周向均布有四个安装孔1c，在安装孔1c对应的弹性环4和预紧盘5上均设有相对应的通孔，用于连接固定第一定子1、弹性环4和预紧盘5；在本实施例中，压电陶瓷环2为一片，粘贴在第一定子1的上表面，压电陶瓷环2根据第一定子1上波的个数分成4倍于波个数的分区(电极面)。本实施例中第一定子1上有两个波，压电陶瓷环2分成八个分区，另一粘接面为整体电极；八个分区极化方向按顺序分别为正、正、负、负、正、正、负、负。图1中，压电陶瓷片2上，符号“+”表示该压电陶瓷分区正向极化，符号“。”表示该压电陶瓷分区反向极化，电压的施加方式按顺序分别为Asin(ωt)、Acos(ωt)、Asin(ωt)、Acos(ωt)、Asin(ωt)、Acos(ωt)、Asin(ωt)、Acos(ωt)。

参阅图3所述，压电陶瓷环2也可以分成a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k共11个极化分区、其中b、d、f、h、j正向极化，a、c、e、g、i反向极化，如图3所示。对应于电极面a、b、c、d、e、f、g、h、i、j电极面施加激励电压Asin(ωt)、Asin(ωt)、Asin(ωt)、Asin(ωt)、Asin(ωt)、Acos(ωt)、Acos(ωt)、Acos(ωt)、Acos(ωt)、Acos(ωt)。

工作时，参阅图7所示，压电陶瓷2在第一定子1上激励出沿周向传播的行波，使得驱动质点11的运动轨迹12为椭圆。第一定子1通过摩擦驱动运动部件沿第一定子1轴向做直线运动；也可固定导轨3，形成第一定子1自走结构。该直线电机为紧凑的薄片结构，行波定子振动状态稳定，电机运动精度高，易于驱动、控制，适宜用于对空间和精度有较高要求的场合。

实施例2

内孔驱动双定子行波型直线超声波电机

参阅图4所示，本发明的一种行波型直线超声波微电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于，预紧机构为第二定子6，第二定子6为中空薄片状环形，第二定子6结构与第一定子1相同，第二定子6与导轨3相接触，触点分布在导轨3两侧；在第二定子6表面设有第二压电陶瓷环10。第一定子1和第二定子6的结构和激励方式相同，类同于实施例1。

实施例3

驱动臂驱动的单定子行波型直线超声波电机

参阅图5、图6所示，本发明的一种行波型直线超声波微电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于，驱动机构为均布在外环1a外边缘的八个驱动臂10，在驱动臂10的自由端设有与导轨3相适应的驱动槽10a，四个导轨3与其中的四个驱动槽10a内侧的驱动面相接触。

本实施例中的压电陶瓷环2的粘贴和模态激励方法与实施例1相同。

Claims (8)

1.一种行波型直线超声波微电机，包括第一定子(1)，其特征在于，所述的第一定子(1)为薄片状环形体，在第一定子(1)表面设有压电陶瓷环(2)；在第一定子(1)外边缘分布有驱动机构，在驱动机构侧边沿第一定子(1)轴向设有若干导轨(3)，驱动机构与导轨(3)对应且相接触；在第一定子(1)的其中一端面上连接有弹性预紧机构。

2.根据权利要求1所述的行波型直线超声波微电机，其特征在于，所述的弹性预紧机构由弹性环(4)和预紧盘(5)构成，弹性环(4)设置在预紧盘(5)与第一定子(1)之间，预紧盘(5)与导轨(3)相接触。

3.根据权利要求1所述的行波型直线超声波微电机，其特征在于，所述的弹性预紧机构由弹性环(4)和第二定子(6)构成，第二定子(6)为薄片状环形体，第二定子(6)结构与第一定子(1)相同，第二定子(6)与导轨(3)相接触，第二定子(6)与第一定子(1)同步同向振动；在第二定子(6)表面设有第二压电陶瓷环(7)。

4.根据权利要求1至3任一所述的行波型直线超声波微电机，其特征在于，所述的第一定子(1)上设有隔离带(8)，隔离带(8)将第一定子(1)分成外环(1a)和内环(1b)，隔离带(8)的厚度比外环(1a)和内环(1b)的厚度薄；所述的压电陶瓷环(2)设置在外环(1a)上。

5.根据权利要求4所述的行波型直线超声波微电机，其特征在于，所述的驱动机构与导轨(3)的接触面粘贴有耐磨材料或进行耐磨表面处理。

6.根据权利要求4所述的行波型直线超声波微电机，其特征在于，所述的第一定子(1)上表面和/或下表面设有压电陶瓷环(2)。

7.根据权利要求6所述的行波型直线超声波微电机，其特征在于，所述的驱动机构为均布在外环(1a)外边缘的驱动孔(9)，所述的导轨(3)穿设在驱动孔(9)内且与驱动孔(9)内侧的驱动面相接触。

8.根据权利要求6所述的行波型直线超声波微电机，其特征在于，所述的驱动机构为均布在外环(1a)外边缘的驱动臂(10)，在驱动臂(10)的自由端设有与导轨(3)相适应的驱动槽(10a)，导轨(3)与驱动槽(10a)内侧的驱动面相接触。

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