CN102931870A

CN102931870A - 一种驻波型直线超声电机

Info

Publication number: CN102931870A
Application number: CN2012104329644A
Authority: CN
Inventors: 姚志远; 周胜利
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: CN102931870B

Abstract

本发明涉及一种驻波型直线超声电机，属于超声电机技术领域。包括定子和动子，所述定子和动子皆为驻波压电振子，所述定子固定在底座上，而所述动子固定在导轨上，同时所述定动子之间相互作用，驱动动子运动。本发明不仅结构简单、输出力大，而且输出效率高。

Description

一种驻波型直线超声电机

技术领域

本发明公布了一种驻波型直线超声电机，属超声电机技术领域。

背景技术

超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。与电磁电机相比，具有结构紧凑、低速大转矩\推力、响应快（毫秒级）、断电自锁、控制精度高、不受电磁干扰以及低噪声运行等优点，在航空航天、机器人、微型机械、精密仪器仪表、医疗器械、伺服机构等领域拥有广阔的应用前景。

直线型超声电机属于超声电机的一个分类。对于能够实现两个方向运动的直线超声电机，其一般包括动子和定子，其结构特征在于：动子为一直线导轨，定子由行波或两项驻波振子构成，通过调节频率一致，使振子两相振动模态复合振动（运动），在驱动足处形成空间椭圆运动，与动子接触摩擦推动动子运动。在定、动子的接触界面上，定、动子的相互作用表现为切向和法向交变力的共同作用，它们在空间相互垂直，在相位上相差π/2。如上所述，现有的直线超声电机都是利用一个定子同时提供切向力和法向力，在这种设计中，需要利用定子的复合振动，一般为纵弯，纵扭等。在设计时需考虑同一定子两种不同振动模态的频率一致性，从而导致电机的结构设计复杂；又由于两种振动的节点往往不在同一位置，因此夹持问题很难得到解决，从而导致电机输出力较小。也就是说，现有的直线超声电机的结构特征限制了电机输出力的进一步提高。本项发明，将原定子的两项振动分别由定子和动子的各一项振动来替代，对定子和动子都只利用一项振动模态，故就单个振子而言，无需考虑模态一致性，且由于利用的都是杆的振动，两个振子的频率一致性很容易达到；另外，由于振子上的是单一的驻波，因此存在着明确的节点，使得夹持问题极易解决。因此，结构设计可以更加容易和简单，且可以加大超声电机的输出力。

目前国内直线超声电机的研究发展很快，清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校先后对直线超声电机展开了研究。在中国专利网上，从2004年开始陆续刊登了棱柱型纵弯复合振子直线超声电机【200610132316.1】、H形驻波直线超声电机振子【200820014739.8】等。近年来，南京航空航天大学研制成功了圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法【200710020963.8】、基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机【200810124426.2】、双定子弯曲模态直线超声电机【201020022958.8】、基于交变力的直线超声电机【201010558749.X】等。这类直线超声电机都只利用一个同时提供两项模态振动的定子，目前，尚未见到定子和动子分别利用一项结构振动模态的驻波型直线超声电机的报道。

发明内容

本发明的目的在于研制一种结构简单、输出力大、输出效率高的驻波型直线超声电机。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种驻波型直线超声电机，包括定子和动子，所述定子和动子皆为驻波压电振子，所述定子固定在底座上，而所述动子固定在导轨上，同时所述定动子之间相互作用，驱动动子运动；所述定子由第一压电陶瓷片和第一金属弹性体构成，第一金属弹性体包括驱动足、第一连续变截面部分、第一恒截面部分，所述驱动足位于两个第一连续变截面部分之间，而第一连续变截面部分外侧设置第一恒截面部分；所述第一压电陶瓷片分别设置在定子的两个节点附近处的第一恒截面部分的上，而所述定子的节点的另一侧面设置有第一夹持部分，同时驱动足与第一夹持部分的方向相反；所述动子由第二压电陶瓷片和第二金属弹性体构成，第二金属弹性体包括驱动面、第二连续变截面部分、第二恒截面部分和第二夹持部分，所述第二恒截面部分的两端分别设置第二连续变截面部分，而第二连续变截面部分得外侧均设置驱动面，所述第二压电陶瓷片分别设置在动子的两个节点附近处的第二恒截面部分的上，而所述动子的节点的另一侧面设置有第二夹持部分，同时驱动面与第二夹持部分的方向相反；所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均受同频、相位相差π/2的电场作用；在预压力作用下，驱动足和驱动面相互作用而接触，在作用点上，定子与动子的同频振动方向相互垂直，相位相差π/2，驱动动子做直线运动。

优选的：所述定子的个数为一个，所述动子的个数为一个，所述定子的驱动足与动子的其中一个驱动面进行相互作用；所述第一压电陶瓷片分别粘贴在定子的两个节点附近处的第一恒截面部分的上，所述第二压电陶瓷片分别粘贴在动子的两个节点附近处的第二恒截面部分的上；所述第一压电陶瓷片施加同一正弦信号，激发振子做二阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生切向交变力，所述第二压电陶瓷片施加余弦电场，激发其作一阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生法向交变力。

优选的：所述动子的个数为一个，所述定子的个数为两个，其中的一个定子的驱动足与所述动子的一个驱动面进行相互作用，而另一个驱动面与另一个定子的驱动足进行相互作用，同时所述任一一个定子同一侧的第一压电陶瓷片为两个，而同一侧的两个第一压电陶瓷片之间设置有电极片，且同一侧的两个第一压电陶瓷片的外侧分别设置有前配重块、后配重块；对第一压电陶瓷片施加正弦电场，激发其作二阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生切向交变力，对第二压电陶瓷片施加余弦电场，激发其作一阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生法向交变力。

优选的：所述第一夹持部分为柔性结构制作的第一夹持部分，所述第二夹持部分为柔性结构制作的第二夹持部分。

优选的：所述定子和动子均为杆结构的形式定子和动子，所述第一压电陶瓷片布置在定子的节点处，所述第二压电陶瓷片布置在动子的节点处。

本发明的一种驻波型直线超声电机，相比现有技术，具有以下有益效果：由于所述定子由第一压电陶瓷片和第一金属弹性体构成，第一金属弹性体包括驱动足、第一连续变截面部分、第一恒截面部分，所述第一夹持部分设置于第一金属弹性体的节点处，所述动子由第二压电陶瓷片和第二金属弹性体构成，第二金属弹性体包括驱动面、第二连续变截面部分、第二恒截面部分和第二夹持部分，所述第二夹持部分设置于第二金属弹性体的节点处，因此本发明第一金属弹性体、第二金属弹性体构成两个振子，因而本发明具有以下特点：（1）驱动动子运动的切向力和法向力由两个振子所分别提供；（2）在设计时不需考虑单独振子的两项模态一致性问题，只须考虑两个振子的频率一致；（3）每个振子都有明确的节点，夹持问题得到解决，且由于两项振动是解耦的，因此夹持件（指第一夹持部分、第二夹持部分）不会对另一振子的振动产生影响；（4）第一夹持部分、第二夹持部分采用了柔性夹持的设计，使得第一夹持部分、第二夹持部分对该振子振动的影响减小；（5）连续变截面杆采用了向驱动足或驱动面处的渐缩设计，使得它在每个截面上具有相同的声阻抗且驱动部分的振动被放大；（6）定子、动子在接触面上受切向和法向两个交变力的作用，这两个交变力在空间相互垂直，在相位上相差π/2，动子在它们的共同作用下做直线运动。综上所述，本发明的设计方案，有助于简化电机的设计且提高电机的速度、输出力和运行效率。同时该直线超声电机结构简单、输出力大、速度大、效率高。与传统直线超声电机依靠单一定子上的行波或两项驻波，在驱动足处形成空间椭圆运动进而推动动子的驱动方式不同，本电机把提供驱动足形成空间椭圆运动的力进行解耦，用两个振子来分别实现接触平面的切向力和法向力。由于可以分开设计定子和动子，两项振动的模态频率一致问题极易得到解决；并且由于每个振子上都是一个单一的驻波，有着明确的节点，使得夹持问题得到解决，从而使直线超声电机的结构设计更加灵活，容易，输出力更大。

附图说明

图1为本发明的定子和动子结构示意图，其中图1（a）本发明的定子结构示意图, 图1（b）本发明的动子结构示意图。

图2为实施例1的驻波型直线超声电机结构、陶瓷极化方向及电激励方式图。

图3为实施例2的驻波型直线超声电机（二）结构、陶瓷极化方向及电激励方式图。

附图中标号名称： 1.驱动足；2. 第一变截面部分；3. 第一恒截面部分；4. 第一压电陶瓷片；5. 第一夹持部分；6.驱动面；7. 第二变截面部分；8. 第二恒截面部分；9. 第二压电陶瓷片；10. 第二夹持部分；11.前配重块；12.后配重块；13.电极片；14.预紧螺栓。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例的一种驻波型直线超声电机如图1、2所示，包括定子和动子，所述定子和动子皆为驻波压电振子，所述定子的个数为一个，所述动子的个数为一个，所述定子的驱动足与动子的其中一个驱动面进行相互作用，所述定子固定在底座上，而所述动子固定在导轨上，同时所述定动子之间相互作用，驱动动子运动；所述定子由第一压电陶瓷片和第一金属弹性体构成，第一金属弹性体包括驱动足、第一连续变截面部分、第一恒截面部分，所述驱动足位于两个第一连续变截面部分之间，而第一连续变截面部分外侧设置第一恒截面部分；所述第一压电陶瓷片分别粘贴在定子的两个节点附近处的第一恒截面部分的上，而所述定子的节点的另一侧面设置有第一夹持部分，同时驱动足与第一夹持部分的方向相反；所述动子由第二压电陶瓷片和第二金属弹性体构成，第二金属弹性体包括驱动面、第二连续变截面部分、第二恒截面部分和第二夹持部分，所述第二恒截面部分的两端分别设置第二连续变截面部分，而第二连续变截面部分得外侧均设置驱动面，所述第二压电陶瓷片分别粘贴在动子的两个节点附近处的第二恒截面部分的上，而所述动子的节点的另一侧面设置有第二夹持部分，同时驱动面与第二夹持部分的方向相反；所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均受同频、相位相差π/2的电场作用；在预压力作用下，驱动足和驱动面相互作用而接触，在作用点上，定子与动子的同频两项振动其振动方向相互垂直，相位相差π/2，驱动动子做直线运动。所述第一压电陶瓷片施加同一正弦信号，激发振子做二阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生切向交变力，所述第二压电陶瓷片施加余弦电场，激发其作一阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生法向交变力

所述第一夹持部分为柔性结构制作的第一夹持部分，所述第二夹持部分为柔性结构制作的第二夹持部分。

所述定子和动子均为杆结构的形式定子和动子，所述第一压电陶瓷片布置在定子的节点处。

本实施例的定子利用的是压电陶瓷的d ₃₁效应，第一压电陶瓷片采用贴片的方式，粘贴在节点附近的第一恒截面部分上，驱动足两侧的压电陶瓷片的极化方向相反，而同一侧两面的第一压电陶瓷片的极化方向亦相反。第一恒截面部分与驱动足之间是连续变截面部分，由第一恒截面部分往驱动足部分采用渐缩的设计，增大驱动足处振幅。第一夹持件（第一夹持部分）位于节点处，并采用柔性夹持的方式，进一步降低夹持对振动的影响。对定子上第一压电陶瓷片施加同一正弦信号，激发振子做二阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生切向交变力。动子利用的也是压电陶瓷的d ₃₁效应，第二压电陶瓷片也是采用贴片的方式固定在第二恒截面部分上，两侧的第二压电陶瓷片极化方向相反。第二夹持件（第二夹持部分）位于节点处，端面作为驱动面，该振子有两个驱动面。对动子上第二压电陶瓷片加余弦电场，激发其作一阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生法向交变力。这两个交变力在空间上垂直，在相位上相差π/2，驱动动子作直线运动。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：如图3所示，所述动子的个数为一个，所述定子的个数为两个，其中的一个定子的驱动足与所述动子的一个驱动面进行相互作用，而另一个驱动面与另一个定子的驱动足进行相互作用，同时所述任一一个定子同一侧的第一压电陶瓷片为两个，而同一侧的两个第一压电陶瓷片之间设置有电极片，且同一侧的两个第一压电陶瓷片的外侧分别设置有前配重块、后配重块，所述定子还设置有预紧螺栓；对第一压电陶瓷片施加正弦电场，激发其作二阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生切向交变力，对第二压电陶瓷片施加余弦电场，激发其作一阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生法向交变力。

本实施例的定子和动子所采用的阵子可互换，定子利用压电陶瓷的d ₃₃效应，采用夹心的方式固定：定子同一侧的每两片第一压电陶瓷片构成一组，中间夹一个电极片，电极片两边第一压电陶瓷片的极化方向相反。每个第一夹持件（第一夹持部分）两侧各放一组第一压电陶瓷片和电极片，整个定子放置两组共四片第一压电陶瓷片。对定子上第一压电陶瓷片施加正弦电场，激发其作二阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生切向交变力。对动子上第二压电陶瓷片施加余弦电场，激发其作一阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生法向交变力。这两个力在空间上垂直，在相位上相差π/2，驱动动子作直线运动，由于利用了两个定子，该电机的输出力将会更大。

本发明的结构设计原则：1.由压电陶瓷片的逆压电效应激发定子和动子的振动模态。2.定子和动子的振动频率一致；3.在相互接触的作用点上，定子与动子的两项振动的振动方向相互垂直，相位相差π/2；4.减少夹持对定子和动子振动的影响；5.增大定子和动子在峰谷处的振幅.

综上所述：由于定动子的振动是完全解耦的，都是振动模态单一的驻波振子，频率一致性问题和夹持问题极易解决，因此其设计非常灵活，其原理为：所述定子和动子皆为驻波振子，仅依靠于其被固定位置来进行区分：被固定在固定底座上的驻波振子称为定子，被固定在滑动导轨上的驻波振子则称为动子。所述定子和动子共同特征在于：由压电陶瓷片和金属弹性体构成，金属弹性体又可细分为驱动部分、连续变截面部分、恒截面部分和夹持部分等。定子和动子都有明确的节点和峰谷处。节点被作为支持点，用于固定定子和动子；峰谷处则被作为驱动足和驱动面，由定子和动子各居其一。压电陶瓷被布置在定子和动子的节点处，受同频、相位相差π/2的电场作用。在预压力作用下，定子和动子在各自的驱动部分相互接触，在作用点上，定子与动子的同频两项振动其振动方向相互垂直，相位相差π/2，驱动动子做直线运动。

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims

1.一种驻波型直线超声电机，包括定子和动子，其特征在于：所述定子和动子皆为驻波压电振子，所述定子固定在底座上，而所述动子固定在导轨上，同时所述定动子之间相互作用，驱动动子运动；所述定子由第一压电陶瓷片和第一金属弹性体构成，第一金属弹性体包括驱动足、第一连续变截面部分、第一恒截面部分，所述驱动足位于两个第一连续变截面部分之间，而第一连续变截面部分外侧设置第一恒截面部分；所述第一压电陶瓷片分别设置在定子的两个节点附近处的第一恒截面部分的上，而所述定子的节点的另一侧面设置有第一夹持部分，同时驱动足与第一夹持部分的方向相反；所述动子由第二压电陶瓷片和第二金属弹性体构成，第二金属弹性体包括驱动面、第二连续变截面部分、第二恒截面部分和第二夹持部分，所述第二恒截面部分的两端分别设置第二连续变截面部分，而第二连续变截面部分得外侧均设置驱动面，所述第二压电陶瓷片分别设置在动子的两个节点附近处的第二恒截面部分的上，而所述动子的节点的另一侧面设置有第二夹持部分，同时驱动面与第二夹持部分的方向相反；所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均受同频、相位相差π/2的电场作用；在预压力作用下，驱动足和驱动面相互作用而接触，在作用点上，定子与动子的同频振动方向相互垂直，相位相差π/2，驱动动子做直线运动。

2.根据权利要求1所述驻波型直线超声电机，其特征在于：所述定子的个数为一个，所述动子的个数为一个，所述定子的驱动足与动子的其中一个驱动面进行相互作用；所述第一压电陶瓷片分别粘贴在定子的两个节点附近处的第一恒截面部分的上，所述第二压电陶瓷片分别粘贴在动子的两个节点附近处的第二恒截面部分的上；所述第一压电陶瓷片施加同一正弦信号，激发振子做二阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生切向交变力，所述第二压电陶瓷片施加余弦电场，激发其作一阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生法向交变力。

3.根据权利要求1所述驻波型直线超声电机，其特征在于：所述动子的个数为一个，所述定子的个数为两个，其中的一个定子的驱动足与所述动子的一个驱动面进行相互作用，而另一个驱动面与另一个定子的驱动足进行相互作用，同时所述任一一个定子同一侧的第一压电陶瓷片为两个，而同一侧的两个第一压电陶瓷片之间设置有电极片，且同一侧的两个第一压电陶瓷片的外侧分别设置有前配重块、后配重块；对第一压电陶瓷片施加正弦电场，激发其作二阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生切向交变力，对第二压电陶瓷片施加余弦电场，激发其作一阶纵振，在驱动足与驱动面接触处产生法向交变力。

4.根据权利要求2或3所述驻波型直线超声电机，其特征在于：所述第一夹持部分为柔性结构制作的第一夹持部分，所述第二夹持部分为柔性结构制作的第二夹持部分。

5.根据权利要求1 或2或3所述驻波型直线超声电机，其特征在于：所述定子和动子均为杆结构的形式定子和动子，所述第一压电陶瓷片布置在定子的节点处，所述第二压电陶瓷片布置在动子的节点处。