CN104467524A - 基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式，属于压电电机技术领域。包括定子组件和动子组件，所述定子组件为一方形金属薄板及2块或4块单向极化方形压电陶瓷片组成；或所述定子组件为单块单向极化两分区方形压电陶瓷块；动子组件采用滑条，在滑条上粘贴摩擦条。通过弹簧元件提供定子和动子之间所需的预压力。分别对2块或4块压电陶瓷片或单向极化两分区方形压电陶瓷块的两个分区进行驱动，可使定子的驱动足上产生椭圆运动，在一定预压力的作用下，驱动滑条直线运动。通过切换驱动信号，此电机可实现反向直线运动。该电机机构简单、体积小、重量轻、精度高、响应速度快，可应用于精密机电设备、激光调谐设备及光学仪器设备中。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式，属压电致动器技术领域。
背景技术
压电致动器一种利用压电陶瓷的逆压电效应，将电压信号转换成应变信号，从而输出驱动力的一种作动器。该种作动器具有体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、无电磁干扰、位置和速度控制性好等特点，在工业自动化控制、光学精密仪器、生物医疗、航空航天、汽车专用电器、智能机器人等领域有着广泛的应用前景。
专利文献1 “PIEZOELECTRIC ACTUATOR FOR AN ULTRASONIC MOTOR”（应用于压电电机的压电作动器），专利号：US20100013353。 此专利文献中，压电陶瓷振动器利用单振动模态的非对称激励在其驱动足上产生斜线振动，从而输出驱动力。此种方式，其驱动足磨损较为严重，从而使压电致动器的寿命缩短。
发明内容
本发明旨在研制一种结构简单、响应速度快、更适于微型化的基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式。
一种基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式，该电机包括定子组件、动子组件；其特征在于：所述定子组件包括金属薄板，还包括两块粘贴在该金属薄板正面并沿中心线对称分布的单向极化矩形压电陶瓷片或四块粘贴在该金属薄板正面和反面的并沿金属薄板中心线对称分布单向极化矩形压电陶瓷片；还包括位于金属薄板与动子组件相对应的表面上且处于上述中心线上的驱动足；上述单向极化矩形压电陶瓷片极化方向均为由外侧指向金属薄板；所述动子组件包括滑条和摩擦片；该压电电机还包括用于提供定子组件中的驱动足和动子组件中的摩擦片之间预压力的弹簧元件。其工作方式，其特征在于包括以下过程：对于共有四片单向极化矩形压电陶瓷片的情况：金属薄板接地，四片单向极化矩形压电陶瓷片分成两组压电陶瓷片，其中位于金属薄板中心线同一侧的分别贴在金属薄板正面和反面的一对单向极化矩形压电陶瓷片称为一组压电陶瓷片，两组压电陶瓷片外表面分别输入E=Vsinωt和E=Vcosωt驱动信号，则定子组件的纵向振动和面内的弯曲振动被同时激发出来且具有90度相位差，驱动足上会产生平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条产生直线运动；对于共有两片单向极化矩形压电陶瓷片的情况：金属薄板接地，两片单向极化矩形压电陶瓷片外表面分别输入E=Vsinωt和E=Vcosωt驱动信号，则定子组件的纵向振动和面内的弯曲振动被同时激发出来且具有90度相位差，驱动足上会产生平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条产生直线运动。
一种基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式，该电机包括定子组件、动子组件；其特征在于：所述定子组件包括单块单向极化两分区方形压电陶瓷块，极化方向由该压电陶瓷块沿厚度方向上的上表面指向下表面，两分区沿该压电陶瓷块中心线左右对称；还包括位于单向极化两分区方形压电陶瓷块与动子组件相对应的表面上且处于上述中心线上的驱动足；所述动子组件包括滑条和摩擦片；该压电电机还包括用于提供定子组件中的驱动足和动子组件中的摩擦片之间预压力的弹簧元件。其工作方式，其特征在于包括以下过程：对于单块单向极化两分区方形压电陶瓷块的情况：单向极化两分区方形压电陶瓷块上表面的两个分区分别输入E=Vsinωt和E=Vcosωt驱动信号，单向极化两分区方形压电陶瓷块下表面接地，则定子组件的纵向振动和面内的弯曲振动被同时激发出来且具有90度相位差，驱动足上会产生平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条产生直线运动。
所述驱动足为方柱形、半圆球形、圆柱形或三角块形结构。
本发明的利用面内模态的直线压电电机的作动单元为单定子结构，利用弹性体的两种振动模态的相互耦合作用来实现驱动足的椭圆运动，通过摩擦力的作用，把运动传递出去。
本发明的一种基于面内模态的板式直线压电电机利用逆压电效应。当定子组件包括金属薄板，还包括两块粘贴在该金属薄板正面并沿中心线对称分布的单向极化矩形压电陶瓷片或四块粘贴在该金属薄板正面和反面的并沿金属薄板中心线对称分布单向极化矩形压电陶瓷片时，当对两组压电陶瓷片施加相位差为180度的正弦电压信号时，两组压电陶瓷片作反相的面内伸缩振动，金属薄板的面内弯曲振动模态被有效激发。在弯曲振动模态下，金属薄板上的驱动足上产生水平上的位移；当对两组压电陶瓷片施加相位差为0度的正弦电压信号时，两组压电陶瓷片作同相的面内伸缩振动，金属薄板的纵向振动模态被有效激发。在纵向振动模态下，金属薄板上的驱动足上产生竖直方向上的位移。当对两块压电陶瓷片施加相位差为π/2的正弦电压信号时，金属薄板的面内弯曲振动模态和纵向振动模态被同时激发出来。由此在驱动足上的位移在空间上具有π/2的相位差，在时间上也具有π/2的相位差，从而在金属薄板的驱动足上形成一个面内椭圆运动轨迹。当定子组件为包括单块单向极化两分区方形压电陶瓷块单向极化的两分区压电陶瓷片，极化方向由该压电陶瓷片块沿厚度方向上的上表面指向下表面，两分区沿该压电陶瓷片块中心线左右对称时，当对压电陶瓷块的两分区分别施加相位差为180度的正弦电压信号时，压电陶瓷块的两个分区作反相的面内伸缩振动，整个压电陶瓷块的面内弯曲振动模态被有效激发。在弯曲振动模态下，压电陶瓷块上的驱动足上产生水平上的位移；当对压电陶瓷块的两个分区分别施加相位差为0度的正弦电压信号时，压电陶瓷块的两个分区同时做面内伸缩振动，整个压电陶瓷块的纵向振动模态被有效激发。在纵向振动模态下，压电陶瓷块上的驱动足上产生竖直方向上的位移。当对压电陶瓷块的两个分区上分别施加相位差为π/2的正弦电压信号时，压电陶瓷块的面内弯曲振动模态和纵向振动模态被同时激发出来。由此在驱动足上的位移在空间上具有π/2的相位差，在时间上也具有π/2的相位差，从而在压电陶瓷块上的驱动足上形成一个面内椭圆运动轨迹。
该电机整体结构紧凑、易于小型化，使得电机具有更广阔的应用空间。
附图说明
图1是基于面内模态的板式直线压电电机的结构示意图；
图2是电机定子的工作模态图；
图3是激励压电陶瓷-金属复合结构电机定子产生所需振动的驱动信号施加方式示意图；
图4是激励压电陶瓷电机定子产生所需振动的驱动信号施加方式示意图；
图5是电机定子上不同形状的驱动足示意图；
图中标号及符号名称：1为金属薄板； 2为单向极化矩形压电陶瓷片，2-1、第一压电陶瓷；2-2、第二压电陶瓷；2-3、第三压电陶瓷；2-4、第四压电陶瓷；2′为单向极化两分区方形压电陶瓷块； 3为驱动足，3-1为方柱形驱动足，3-2为半球形驱动足，3-3为圆柱形驱动足，3-4为三角块形驱动足；4为弹簧；5为摩擦片；6为滑条；p 为压电陶瓷片极化方向；7、为第一输入端；8、为第二输入端；9、为接地端。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的结构进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于面内模态的板式直线压电电机，包括定子和动子，定子为一矩形金属薄板1及两块或4块单向极化压电陶瓷片2组成；动子组件采用滑条6，在滑条上粘贴摩擦条5。通过弹簧元件4提供定子和动子之间所需的预压力。分别对两块或4块压电陶瓷片进行驱动，可使定子的驱动足上产生椭圆运动，在一定预压力的作用下，驱动滑条直线运动。通过切换驱动信号，此电机可实现反向直线运动。
图2为定子工作模态图。图2(a)为电机定子弯曲振动模态。在弯曲振动模态下，金属薄板1上的驱动足3上产生水平方向上的位移；图2(b)为定子纵向振动模态。在纵向振动模态下，金属薄板1上的电机定子驱动足3上产生竖直方向上的位移。
如图3所示，第一压电陶瓷2-1和第三2-3 为一组，第二压电陶瓷2-2和第四压电陶瓷2-4为一组，压电陶瓷的极化方向为p方向。驱动信号的第一输入端7 连接在第一压电陶瓷2-1和第三压电陶瓷2-3的外表面上，驱动信号的第二输入端8 连接在第二压电陶瓷2-2和第四压电陶瓷2-4的外表面上。当电机定子驱动信号第一输入端7和第二输入端8分别输入E=Vsinωt和E=Vcosωt驱动信号，接地端9接地时，可以同时把此结构电机定子如图2所示的振动模态激发出来，电机振子的驱动足会产生xoy平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条产生直线运动。
如图4所示，电机定子为一单向极化两分区方形压电陶瓷块，单向极化两分区方形压电陶瓷块的正面分为两个区，当电机定子驱动信号第一输入端7和第二输入端8分别输入E=Vsinωt和E=Vcosωt驱动信号，接地端9接地时，可以同时把此结构电机定子如图2所示的振动模态激发出来。由此，在电机定子的驱动足3上会产生xoy平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条产生直线运动。
如图5所示，电机定子上的驱动足可为方柱形3-1、半球形3-2、圆柱形3-3和三角块形3-4。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式，该电机包括定子组件、动子组件；其特征在于：
所述定子组件包括金属薄板（1），还包括两块粘贴在该金属薄板（1）正面并沿中心线对称分布的单向极化矩形压电陶瓷片（2）或四块粘贴在该金属薄板（1）正面和反面的并沿金属薄板（1）中心线对称分布单向极化矩形压电陶瓷片（2）；还包括位于金属薄板（1）与动子组件相对应的表面上且处于上述中心线上的驱动足（3）；上述单向极化矩形压电陶瓷片（2）极化方向均为由外侧指向金属薄板（1）；
所述动子组件包括滑条（6）和摩擦片（5）；
该压电电机还包括用于提供定子组件中的驱动足（3）和动子组件中的摩擦片（5）之间预压力的弹簧元件（4）；
所述工作方式，包括以下过程：
对于共有四片单向极化矩形压电陶瓷片（2）的情况：金属薄板（1）接地，四片单向极化矩形压电陶瓷片（2）分成两组压电陶瓷片，其中位于金属薄板（1）中心线同一侧的分别贴在金属薄板（1）正面和反面的一对单向极化矩形压电陶瓷片（2）称为一组压电陶瓷片，两组压电陶瓷片外表面分别输入E=Vsinωt和E=Vcosωt驱动信号，则定子组件的纵向振动和面内的弯曲振动被同时激发出来且具有90度相位差，驱动足（3）上会产生平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条（6）产生直线运动；
对于共有两片单向极化矩形压电陶瓷片（2）的情况：金属薄板（1）接地，两片单向极化矩形压电陶瓷片（2）外表面分别输入E=Vsinωt和E=Vcosωt驱动信号，则定子组件的纵向振动和面内的弯曲振动被同时激发出来且具有90度相位差，驱动足（3）上会产生平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条（6）产生直线运动。
2.根据权利要求1所述的基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式，其特征在于：所述驱动足（3）为方柱形、半圆球形、圆柱形或三角块形结构。
3.一种基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式，该电机包括定子组件、动子组件；其特征在于：
所述定子组件包括单块单向极化两分区方形压电陶瓷块（2′），极化方向由该压电陶瓷块沿厚度方向上的上表面指向下表面，两分区沿该压电陶瓷块中心线左右对称；
还包括位于单块单向极化两分区方形压电陶瓷块（2′）与动子组件相对应的表面上且处于上述中心线上的驱动足（3）；
所述动子组件包括滑条（6）和摩擦片（5）；
该压电电机还包括用于提供定子组件中的驱动足（3）和动子组件中的摩擦片（5）之间预压力的弹簧元件（4）；
所述工作方式，包括以下过程：
对于单块单向极化的两分区方形压电陶瓷块（2′）的情况：单向极化两分区方形压电陶瓷块（2′）上表面的两个分区分别输入E=Vsinωt和E=Vcosωt驱动信号，单向极化两分区方形压电陶瓷块（2′）下表面接地，则定子组件的纵向振动和面内的弯曲振动被同时激发出来且具有90度相位差，驱动足（3）上会产生平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条（6）产生直线运动。
4.根据权利要求3所述的基于面内模态的板式直线压电电机的工作方式，其特征在于：所述驱动足（3）为方柱形、半圆球形、圆柱形或三角块形结构。
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