CN102497130A - 一种直线超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线超声电机。该直线超声电机包括底座、导轨、滑块、压电振子、定位悬臂、定位支架；所述底座，用于固定导轨和定位支架；所述压电振子，用于在电压激励下产生机械振动；所述导轨，用于支撑和约束滑块的移动；所述定位支架和定位悬臂相互配合，用于固定压电振子；所述压电振子，含有金属弹性体，所述金属性弹体开有设定数目个设定形状的孔，使得压电振子的一阶纵振和二阶弯振的频率接近和振幅加大，所述压电振子产生的机械振动驱动所述滑块作直线运动。本发明提供的技术方案，使得直线超声电机结构简单，便于加工，便于微型化，满足用户需求。

Description

一种直线超声电机

技术领域

本发明属于机电技术领域，具体涉及一种弯纵复合模态的直线超声电机。

背景技术

超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过各种伸缩振动模式的转换与耦合，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或导轨的宏观运动的一种新型动力设备。超声电机的工作频率一般在20kHz以上，这也是称为超声电机的一个原因。直线超声电机是超声电机的一种，它能直接产生直线运动和直接输出推力。直线超声电机具有结构简单、力或转矩/质量比大、启停灵敏、位置分辨率高、断电自锁、低振动、低噪声、无电磁干扰、可以在低温和真空环境下工作等特点。

直线超声电机有多种分类方法，例如根据将超声振动变换为沿一定方向的驱动力的方法不同，直线超声电机可分为行波型和驻波型两类；根据定子或动子的工作型式不同，又可分为自行式和非自行式；根据其振动的特定模式不同，可以分为单一振动模式和复合振动模式；根据电机的外形的不同，可以分为杆形、π形等多种形状。

但是，上述这些种类的超声电机绝大多数由于本身结构和原理的局限，不便于微型化，因此希望能提供一种结构简单，便于加工，便于微型化的直线超声电机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种直线超声电机，使得结构简单，便于加工，便于微型化，满足用户需求。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种直线超声电机：

包括底座、导轨、滑块、压电振子、定位悬臂、定位支架；

所述底座，用于固定导轨和定位支架；

所述压电振子，用于在电压激励下产生机械振动；

所述导轨，用于支撑和约束滑块的移动；

所述定位支架和定位悬臂相互配合，用于固定压电振子；

所述压电振子，含有金属弹性体，所述金属性弹体开有设定数目个设定形状的孔，使得压电振子的一阶纵振和二阶弯振的频率接近和振幅加大，所述压电振子产生的机械振动驱动所述滑块作直线运动。

其中，所述定位悬臂与定位支架相配合时采用预紧螺钉，所述定位悬臂与预紧螺钉间设有弹簧，通过调整预紧螺钉来调节压电振子和滑块之间的预紧力。

其中，所述定位悬臂为独立的悬臂，定位悬臂的一端和定位支架配合，另一端与压电振子的中间连接以实现压电振子的定位。

其中，所述定位悬臂的左端设有一个圆形或矩形杆状结构用于在中间支撑压电振子，支撑部位设有一个环状橡胶垫和压电振子的金属弹性体接触，在杆状结构正中设有螺纹孔。

其中，所述定位悬臂的右端为矩形结构，当右端和定位支架配合后，定位悬臂和定位支架之间形成移动副，使得压电振子和滑块之间的预紧力可调节，同时使金属弹性体的空间自由度唯一。

其中，所述定位悬臂与所述压电振子组合成一体，定位悬臂的一端和压电振子中的金属弹性体成一体结构，另一端和和定位支架配合。

其中，所述定位悬臂和压电振子的金属弹性体成一体结构时，定位悬臂的左端和金属弹性体固连，连接处悬臂采用下凹的圆弧方式；定位悬臂的右端定位支架配合形成移动副，使得压电振子和滑块之间的预紧力可调节，同时使金属弹性体的空间自由度唯一。

其中，所述定位支架的顶部开有可视槽，所述定位支架的右端设有螺纹孔，调节螺钉从该螺纹孔旋入，以调节压电振子和滑块之间的预紧力。

其中，所述金属性弹体开有的孔是条状方式。

其中，所述压电振子包括1个金属弹性体和8片压电陶瓷片，所述压电陶瓷片通过粘接剂和金属弹性体粘接。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的直线超声电机，与现有直线超声电机相比，结构简单，零件数少，便于加工，便于微型化，满足用户需求，从而使之在微直线驱动中具有广阔的应用前景。具体的技术效果包括：

(1)本发明在压电振子上的金属弹性体上开有特定形状的孔，使得开孔后的压电振子的一阶纵振和二阶弯振的频率更加接近，便于这两种振动模态的同频激发，同时使得面内弯纵复合振动的振幅更大，有利于驱动滑块作直线运动；

(2)本发明的压电振子的定位方式简单，采用悬臂定位既不影响压电振子弯纵复合模态的振动，又保证了定位的可靠；

(3)本发明的压电振子与滑块之间的预紧力可通过预紧螺钉调节以满足滑块运动的需要；

(4)本发明的定位支架的结构设计，考虑了预紧力调节的需要并使得定位悬臂和弹簧在调节中可视，方便用户操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的直线超声电机的装配示意图；

图2是本发明的金属弹性体结构的一种示意图；

图3是本发明的金属弹性体结构的另一种示意图；

图4-1和4-2是本发明压电陶瓷片的极化方式和电压接线方式的示意图；

图5是本发明的定位悬臂其中一种方式示意图；

图6是本发明中的压电振子定位另外一种方式的示意图；

图7是本发明的金属弹性体结构的另一种示意图；

图8是本发明的定位支架示意图；

图9是本发明定位支架的半剖示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种直线超声电机，使得结构简单，便于加工，便于微型化，满足用需求。

下面结合附图，详细介绍本发明技术方案的内容。

图1是本发明的直线超声电机的装配示意图。

图1中各附图标记的含义如下：

1为底座，2为导轨，3为定位悬臂，4为滑块，5为第一压电陶瓷片，6为第二压电陶瓷片，7为第三压电陶瓷片，8为第四压电陶瓷片，9为第五压电陶瓷片(图4中示出)，10为第六压电陶瓷片(图4中示出)，11为第七压电陶瓷片(图4中示出)，12为第八压电陶瓷片(图4中示出)，13为金属弹性体，14为定位支架。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明的直线超声电机，包括底座1、导轨2、定位悬臂3、滑块4、压电陶瓷片5～12、金属弹性体13、定位支架14、螺钉若干等。

其中，底座，用于固定直线导轨和压电振子的定位支架；压电振子，在超声频率的电压激励下产生机械振动；直线导轨，用来支撑和约束滑块的移动；定位支架和定位悬臂用来固定压电振子，使之在位置上确定同时又不影响其机械振动的产生，其中定位悬臂与定位支架相配合，定位悬臂与预紧螺钉间设有弹簧，可以通过调整预紧螺钉来调节压电振子和滑块之间的预紧力，从而使压电振子驱动滑块作直线运动，即压电振子的振动可以驱动滑块作直线运动。

其中，压电振子包括1个金属弹性体和8片压电陶瓷片，压电陶瓷片(压电振子的上下表面共8片)通过粘接剂和金属弹性体13粘接牢固，其目的是利用压电陶瓷的d31模式的应变激发金属弹性体的振动。

金属弹性体13采用磷青铜制作，由于金属弹性体13的宽厚比较大，不利于面内弯曲振动模态的激发，所以，本发明在金属弹性体开有若干个均匀分布的设定形状的孔，例如在其横行方向开有4个设定形状的孔，如图2和图3所示，孔的数目可以根据需要进行设定。图2是金属弹性体结构的一种示意图；图3是金属弹性体结构的另一种示意图。为不影响压电陶瓷片和金属弹性体的粘接效果，这4个孔可以是形成条状设计方式，即孔的中间形成一条缝。这样开孔后可以明显有利于金属弹性体面内弯曲振动。同时，这样的设计方式，使压电振子的一阶纵振和二阶弯振的频率更加接近，这有利于压电振子的一阶纵振和二阶弯振复合模态的激发(便于这两种振动模态的同频激发)，同时使得这两种复合振动的振幅更大，从而使得压电振子的驱动足的椭圆运动更为明显，所述驱动足作椭圆运动通过摩擦力驱动滑块作直线运动。

本发明压电振子上的8片压电陶瓷片的极化方式和粘贴方式如图4-1和4-2所示。图4-1和4-2是本发明的压电陶瓷片的极化方式和电压接线方式的示意图，4-1是主视图，4-2是后视图。8片压电陶瓷片相对于金属弹体对称布置，压电片的极化方式如图所示，“+”表示压电材料沿Z轴正向极化，“-”表示压电材料沿Z轴的负向极化。青铜金属弹体的背面的4片压电陶瓷片极化方向和前面的4片压电陶瓷片极化方向成对称状态(即相反，例如振子左上角的前面和背面压电陶瓷片极化方向相反)。金属弹性体上用来驱动直线导轨运动的两个驱动足分散设置在侧边的中部，相对于驱动足在金属弹性的端部的设计，可以使整个直线电机的结构更为紧凑。

压电陶瓷片表面电压设置如图4所示，压电振子前面的4片压电陶瓷片中，正向极化的两片施加正弦电压作为激励电压，反向极化的两片压电陶瓷片施加余弦电压作为激励电压；与此相反，压电振子背面的4片压电陶瓷片中，反向极化的两片压电陶瓷片也施加正弦电压作为激励电压，正向极化的两片压电陶瓷片施加余弦电压作为激励电压，全部压电陶瓷片的背面(和金属弹性体粘接的面)全部接地。这样，当给压电振子施加特定频率的电压时，将激发压电振子的二阶弯曲振动和一阶纵向振动，这两种振动合成的结果使得压电振子侧面的驱动足顶端形成椭圆运动，滑块上与驱动足的接触部位涂有摩擦材料，这样驱动足利用其和滑块之间的摩擦力驱动导轨上的滑块作直线运动。

直线超声电机中，压电振子的定位非常重要，本发明中采用了两种方案来实现压电振子的定位，其效果是既保证了整个压电振子在直线电机中位置的确定(利于对压电振子的定位)，同时也利于压电振子一阶纵向振动和二阶面子弯曲振动的激发(利于压电振子面内弯纵复合模态的激发)。

对应两种方案，对于定位悬臂，本发明给出两种结构，一种是独立的悬臂，该悬臂一端和定位支架配合，另一端与压电振子的中间连接以实现压电振子的定位；另一种是定位悬臂一端和压电振子中的金属弹性体做成一体，另一端和前面的结构一样和定位支架配合。

本发明中的压电振子的定位方案一参见图1、2、3、5所示。

本发明设计了一个定位悬臂3，该悬臂一端和压电振子的中间连接以实现压电振子的定位，另一端与定位支架配合，可以调节预紧螺钉来调整压电振子和导轨上滑块之间的预紧力。定位悬臂3的形状如图5所示，图5是本发明的定位悬臂其中一种方式示意图。定位悬臂3的左端设计了一个圆形或矩形杆状结构在金属弹性体的中间支撑压电振子，支撑部位设有一个环状橡胶垫和压电振子的金属弹性体接触，杆状结构正中有螺纹孔，装上压电振子后，在压电振子的另一面通过一个小螺钉拧紧。定位悬臂3的右端设计成矩形结构，当右端和定位支架配合后，定位悬臂和定位支架之间形成移动副，保证了压电振子不会相对定位支架旋转，同时使得压电振子在图中的水平方向可调节位置，即可调节压电振子和滑块之间的预紧力。另外，由于定位悬臂的右端设计成矩形结构，使金属弹性体的空间自由度只有一个，避免了压电振子的上下摇晃。

本发明的压电振子的定位方案二如图6所示。图6是本发明中的压电振子定位另外一种方式的示意图。

在该方案中，定位悬臂和压电振子的金属弹性体组成了一个整体(参见图7)，定位悬臂左端和金属弹性体固连，这个连接处悬臂采用下凹的圆弧设计，以使其不影响金属弹性体的面内一阶纵振和二阶弯振，同时又有效地减小应力集中现象；右端和方案一中一样，和定位支架配合形成移动副。同样，压电振子在水平方向可调节位置，也即可调节压电振子和滑块之间的预紧力。另外，由于定位悬臂的右端设计成矩形结构，使金属弹性体的空间自由度只有一个，避免了压电振子的上下摇晃。

本发明的两种定位方案的定位支架相同，如图8、9所示。图8是本发明的定位支架示意图；图9是本发明的定位支架的半剖示意图。定位支架14顶部开有可视槽，便于观察定位悬臂的位置调节情况。定位支架14的右端设计有螺纹孔，调节螺钉从该孔旋入，以调整定位悬臂的位置并进而调节压电振子和滑块支架的预紧力。

从上述可以发现，本发明一方面改进了压电振子的结构，使之面内一阶纵振和二阶弯振更容易同频激发，同时使得这两种复合振动的振幅更大，有利于驱动滑块作直线运动；另一方面提出了压电振子的两个定位方案，这两种定位方案都既保证了弯纵复合模态的振动，又实现了压电振子的定位，还有利于压电振子和滑块之间预紧力的调整。

综上所述，本发明提供的直线超声电机，与现有直线超声电机相比，结构简单，零件数少，便于加工，成本也低，便于微型化，满足用户需求，从而使之在微直线驱动中具有广阔的应用前景，具体的技术效果包括：

(1)本发明在压电振子上的金属弹性体上开有4个特定形状的孔，使得开孔后的压电振子的一阶纵振和二阶弯振的频率更加接近，便于这两种振动模态的同频激发，同时使得面内弯纵复合振动的振幅更大，有利于驱动滑块作直线运动；

(2)本发明的压电振子的定位方式简单，采用悬臂定位既不影响压电振子弯纵复合模态的振动，又保证了定位的可靠；

(3)本发明的压电振子与滑块之间的预紧力可通过预紧螺钉调节以满足滑块运动的需要；

(4)本发明的定位支架的结构设计，考虑了预紧力调节的需要并使得定位悬臂和弹簧在调节中可视。

以上对本发明实施例所提供的技术方案，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种直线超声电机，其特征在于：

包括底座、导轨、滑块、压电振子、定位悬臂、定位支架；

所述底座，用于固定导轨和定位支架；

所述压电振子，用于在电压激励下产生机械振动；

所述导轨，用于支撑和约束滑块的移动；

所述定位支架和定位悬臂相互配合，用于固定压电振子；

所述压电振子，含有金属弹性体，所述金属性弹体开有设定数目个设定形状的孔，使得压电振子的一阶纵振和二阶弯振的频率接近和振幅加大，所述压电振子产生的机械振动驱动所述滑块作直线运动。

2.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：

所述定位悬臂与定位支架相配合时采用预紧螺钉，所述定位悬臂与预紧螺钉间设有弹簧，通过调整预紧螺钉来调节压电振子和滑块之间的预紧力。

3.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：

所述定位悬臂为独立的悬臂，定位悬臂的一端和定位支架配合，另一端与压电振子的中间连接以实现压电振子的定位。

4.根据权利要求3所述的直线超声电机，其特征在于：

所述定位悬臂的左端设有一个圆形或矩形杆状结构用于在中间支撑压电振子，支撑部位设有一个环状橡胶垫和压电振子的金属弹性体接触，在杆状结构正中设有螺纹孔。

5.根据权利要求4所述的直线超声电机，其特征在于：

所述定位悬臂的右端为矩形结构，当右端和定位支架配合后，定位悬臂和定位支架之间形成移动副，使得压电振子和滑块之间的预紧力可调节，同时使金属弹性体的空间自由度唯一。

6.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：

所述定位悬臂与所述压电振子组合成一体，定位悬臂的一端和压电振子中的金属弹性体成一体结构，另一端和和定位支架配合。

7.根据权利要求6所述的直线超声电机，其特征在于：

所述定位悬臂和压电振子的金属弹性体成一体结构时，定位悬臂的左端和金属弹性体固连，连接处悬臂采用下凹的圆弧方式；定位悬臂的右端定位支架配合形成移动副，使得压电振子和滑块之间的预紧力可调节，同时使金属弹性体的空间自由度唯一。

8.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：

所述定位支架的顶部开有可视槽，所述定位支架的右端设有螺纹孔，调节螺钉从该螺纹孔旋入，以调节压电振子和滑块之间的预紧力。

9.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：

所述金属性弹体开有的孔是条状方式。

10.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于：

所述压电振子包括1个金属弹性体和8片压电陶瓷片，所述压电陶瓷片通过粘接剂和金属弹性体粘接。

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