CN108429487B - 小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机 - Google Patents

Abstract

一种小频差高效率的卧板型面内纵‑弯复合型直线超声电机，其特征是它包括：一底座（7），该底座（7）用于安装超声电机各部件；一导轨（1）；该导轨（1）安装在底座（7）上，导轨（1）上安装有产生直线移动的滑块（2）；一定子，该定子也安装在底座（7）上，定子用于在电压的激励下产生机械振动；一定位固定装置；该定位固定装置用于将定子固定在底座（7）上，一预紧装置，该预紧装置用于设定定子与滑块之间的压紧力。本发明整体结构简单,便于加工,利于微小型化。

Description

小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机

技术领域

本发明涉及一种超声电机，尤其是一种面内纵-弯复合模态型直线超声电机，具体地说是一种小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机。

背景技术

超声电机是一种新型的微特电机，属于全新概念的驱动装置。与传统电磁电机相比，不通过电-磁的转化来传递能量。其工作原理利用压电陶瓷的逆压电效应，激发定子在超声频段内的微幅振动，并通过定动子之间的摩擦作用将定子的振动转换成动子的宏观运动。直线超声电机是超声电机的一个重要的分支，由于其能够直接输出直线运动，结构更简单，定位精度和控制精度高，决定了它在微小型机械、精密定位、小功率驱动等方面具有明显的优越性；其中，复合型直线超声电机，结构简单，更容易实现小型化设计，具有极其广阔的应用前景。

近年来对复合型直线超声电机的研究主要集中在纵-弯复合型、纵-扭复合型以及纵-弯-扭复合型超声电机上，而这些电机在设计中需要考虑两相模态频率一致性的问题。经对现有卧板型超声电机的文献检索发现，赵淳生等在其申请号为200910024647.7的发明专利中所述直线超声电机以三角形结构部分作为驱动足，分别对2块压电陶瓷片进行驱动，可使振子的驱动足上产生椭圆运动，在一定预压力的作用下使得滑块产生直线运动；其不足之处在于，该直线超声电机只有一个驱动足，导致这种类型的电机输出力以及效率较低。胡泓等在其申请号为20111432921.1的中国发明中公开的直线超声电机所存在的不足之处在于，卧板型直线超声电机的定子没有一种较好的夹持定位方式，影响电机定子振动，导致电机输出力小以及效率低，而且其所使用的预压力施加方式，不能保证两个驱动足受力均匀和电机输出性能的稳定性。

根据文献查阅，目前尚未有一种小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的超声直线电机存在两相模态频率不一致和驱动足驱动力较小，导致电机效率低的问题，设计一种小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机。它采用压电陶瓷的d31效应来激发弹性体振动，定子产生的机械振动通过摩擦耦合驱动滑块作直线运动，一方面保证直线超声电机定子的空间自由度唯一，确保电机输出性能的稳定；另一方面它能调节定子与滑块间的预压力，并便于测量预压力大小。

本发明的技术方案是：

一种小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机，其特征是它包括：

一底座7，该底座7用于安装超声电机各部件；

一导轨1；该导轨1安装在底座7上，导轨1上安装有产生直线移动的滑块2；

一定子，该定子也安装在底座7上，定子用于在电压的激励下产生机械振动；所述定子主要由金属弹性体5和压电陶瓷片4组成, 金属弹性体5上安装压电陶瓷4的部分开有对称的槽，压电陶瓷对称安装在所述槽的两侧；金属弹性体5与滑块相接触的一侧安装有类Ω形驱动足；通过槽和类Ω形驱动足的双重作用使得定子具有一阶纵向振动和二阶弯曲振动的频率差小于500Hz，以使面内纵-弯复合振动的共振频率趋于一致性，同时还能增大电机定子纵-弯复合振动的振幅；所述定子产生的机械振动驱动所述滑块2作直线运动；

一定位固定装置；该定位固定装置用于将定子固定在底座7上，它主要由两个L型定位支架6和两个尼龙套3组成，两个尼龙套3分别套装在金属弹性体5的两端上，两个L型定位支架6固定在底座7上并分别与两个尼龙套3相抵，实现金属弹性体的纵向定位；

一预紧装置，该预紧装置用于设定定子与滑块之间的压紧力，它包括预压力调节螺栓13、U型定位支架13、第一引出螺栓8、第二引出螺栓10和压力传感器9，U型定位支架13固定在底座7上，套装有预紧弹簧12的预压力调节螺栓13穿过U型定位支架13作用在压力传感器9上，压力传感器9将预压力调节螺栓13施加的预压力通过第一引出螺栓8、第二引出螺栓10施加到定子上，定子再将预压力作用在滑块上，即通过预压力调节螺栓13来施加定子与滑块之间预压力，通过压力传感器9感知预压力的大小。

所述的定位固定装置的两个尼龙套分别安装于在定子的左右两侧，通过与两个L型定位支架相配合，对定子进行定位和固定，L型定位支架固定在底座上；这种定位固定方式，减小底座对电机定子振动的影响，保证定子的空间自由度唯一。

所述的预压力调节螺栓的一端与U型定位支架内壁上的螺纹通孔相连接，形成螺旋副，使得定子与滑块之间的预压力可调节；U型定位支架固定在底座上，对预紧装置进行水平调节和固定。

所述的第一引出螺栓8、第二引出螺栓10分别与压力传感器两端的螺纹孔相连接，第一引出螺栓8用于在定子底端中间支撑定子，第二引出螺栓10与预压力调节螺栓13相接触，第二引出螺栓10端口做凹面处理，预压力调节螺栓13的端口做凸面处理，两者凹凸配合；预压力调节螺栓13通过第一引出螺栓8施加预压力，预压力调节螺栓13施加的预压力的大小由压力传感器9输出；预紧装置施加的预压力一方面不影响电机的工作模态，另一方面使定子的两个驱动足所受预压力相同，保证电机输出性能的稳定性。

所述的金属弹性体5上开有完全对称的四个腰形槽。

所述的类Ω形驱动足与金属弹性体5整体相连，其与滑块相接触部分呈平面结构。

所述的定子的整体呈矩形，在组成定子的金属弹性体5的正反两面通过粘接剂粘结有8片压电陶瓷片4。

本发明的有益效果：

（1）本发明在定子上的金属弹性体上开有特定形状的槽,该结构可以减小一阶纵向振动和二阶弯曲振动的频率差，促使定子在同一激振频率下发生模态简并和共振，驱动滑块作直线运动。

（2）本发明在驱动足的底端挖有特定形状的通槽，进一步增大定子纵-弯复合振动的振幅。金属弹性体上设有的特定形状的槽，也增大了定子纵-弯复合振动的振幅，从而增大电机的输出力，提高电机的输出效率。

（3）本发明的定子的固定方式简单,采用L型定位支架和尼龙套相配合。这种定位固定方式，既减小了底座对电机定子振动的影响,又保证了定位的可靠。直线超声电机整体结构简单,便于加工,利于微小型化,满足用户需求。

（4）本发明的定子与滑块之间的预压力可以通过预压力调节螺栓来调节，通过压力传感器监测预压力的大小。预压力的施加方式，一方面不影响电机的工作模态，另一方面使两个驱动足所受预压力相同，保证电机输出性能的稳定性。

附图说明

图1是本发明的装配示意图。

图2是本发明的金属弹性体结构示意图。

图3是本发明驱动足示意图。

图4是本发明压电陶瓷片的极化方式示意图。

图5是本发明中的定子定位方式的示意图。

图6是本发明中的预紧装置示意图。

图中：1为导轨，2为滑块，3为尼龙套，4为压电陶瓷，5为金属弹性体，6为L型定位支架，7为底座，8为第一引出螺栓，9为压力传感器，10为第二引出螺栓，11为U型定位支架，12为预紧弹簧，13为预压力调节螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机，包括底座7、导轨1、滑块2、定子、定位固定装置和预紧装置。如图1所示，其中，底座7,用于固定导轨1、L型定位支架6和U型定位支架11。定子,用于在电压的激励下产生机械振动。导轨1,用于支撑和约束滑块2的移动。定位固定装置包括L型定位支架6、U型定位支架11和尼龙套3，它们分别用于对定子和压力传感器9进行定位和柔性固定，如图5、6。预紧装置包括预压力调节螺栓13、第一引出螺栓8、第二线也螺栓10和压力传感器9，通过预压力调节螺栓13来施加定子与滑块2之间的预压力，并通过压力传感器9感知预压力的大小。

其中定子整体呈板形（矩形），由金属弹性体5和8片压电陶瓷片4组成,金属弹性体5上有四个设定形状的槽（腰形）和类似于Ω形状的驱动足，如图2、3。8片压电陶瓷片4通过粘接剂粘接在金属弹性体5的两侧面上，其目的是利用压电陶瓷的d31效应激发金属弹性体5的振动。其中金属弹性体5最好采用铝合金制作，铝合金的密度低，强度较高，可加工成各种型材。本发明电机的工作模态为一阶纵振和二阶弯振的复合模态，为了使定子的工作模态更容易激发，需要使定子的一阶纵振频率和二阶弯振频率更为接近。所以，本发明在金属弹性体开有完全对称的槽，例如弹性体两面开有完全对称的腰型槽，如图2所示，这种结构的槽还有利于减小应力集中，提高定子疲劳强度。这样结构设计有利于金属弹性体二阶面内弯曲振动，使定子的一阶纵振和二阶弯振的频率更加接近（小于500Hz），以便在同一频率下同时产生纵弯共振。本发明驱动足的设置位置如图2所示，为了使保证电机动力输出的平稳性和电机正反向运动的性能一致，这两个驱动足要求对称布置，为获得最大的动力输出，两个驱动足设置于矩形板二阶弯曲振动的波峰波谷处。在驱动足的底部开有特定形状的通槽，例如图3所示的圆环形通槽（它与金属弹性体相连组成类似于Ω的形状），使一阶纵振和二阶弯振复合模态振动下的振幅更大，从而使定子的驱动足椭圆运动轨迹更为明显，增大电机的输出力。

本发明定子上的压电陶瓷4的粘贴方式如图4所示，8片压电陶瓷相对于金属弹性体完全对称布置。该电机共有8片压电陶瓷：压电陶瓷a, 压电陶瓷b，压电陶瓷c，压电陶瓷d，压电陶瓷a’，压电陶瓷 b’，压电陶瓷c’和压电陶瓷d’。压电片的极化方式如图4所示，8片压电陶瓷均沿Z方向极化，箭头方向与Z轴一致，即为沿Z轴正向极化，箭头方向与Z轴相反，即为Z轴负向极化。

压电材料激励方式如下,压电陶瓷a、压电陶瓷d、压电陶瓷a’和压电陶瓷d’均施加正弦电压。压电陶瓷b、压电陶瓷c、压电陶瓷b’和压电陶瓷c’的均施加余弦电压。8块压电陶瓷与金属弹性体的粘接面接地。当给定子施加特定频率的电压时,将激发定子的二阶弯曲振动和一阶纵向振动,这两种振动的合成使得金属弹性体上的驱动足顶端形成椭圆运动,滑块与驱动足的接触部位均具有摩擦功能材料,驱动足利用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，定子的定位非常重要，本发明给出一种定位装置，既可以保证定子在直线超声电机中位置的确定，又可以保证定子面内纵-弯复合模态的激发。对于利用面内复合模态的直线超声电机定子而言，定子的定位存在着下述问题，两相工作模态的节点不一定重合，所以通过重合节点固定定子，也会影响定子的工作模态。这里采用尼龙套3来实现定子的夹持，如图5所示。两个尼龙套3分别安装在定子的左右两侧，通过与两个L型定位支架6相配合，对定子进行定位和固定，L型定位支架6固定在底座7上。这种定位固定方式，可减小底座对电机定子振动的影响，并保证定子的空间自由度唯一。

其中，直线超声电机的预紧装置如图6所示。其中，预压力调节螺栓13的一端与U型定位支架11内壁上的螺纹通孔相连接，形成螺旋副，使得定子与滑块2之间的预压力可调节。U型定位支架11固定在底座7上，对预紧装置进行水平调节和固定。两个引出螺栓8、10分别与压力传感器两端的螺纹孔相连接，第一引出螺栓8用于在定子底端中间支撑定子，第二引出螺栓10与预压力调节螺栓相接触。第二引出螺栓10端口做凹面处理，预压力调节螺栓13端口做凸面处理，两者凹凸配合。预压力调节螺栓13通过第一引出螺栓8施加预压力，预压力调节螺栓施加的预压力的大小由压力传感器输出。所述预紧装置施加的预压力，一方面不影响电机的工作模态，另一方面使两个驱动足所受预压力相同，保证电机输出性能的稳定性。

从上述可以发现,本发明一方面改进了定子的结构,使之面内一阶纵振和二阶弯振容易同频激发,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。另一方面提供一种定位固定方式，既可保证直线超声电机定子的空间自由度唯一，确保电机输出性能的稳定；又能调节定子与滑块间的预压力，并便于测量预压力大小。

综上所述,本发明提供的卧板型直线超声电机,与现有卧板型直线超声电机相比,电机效率高，定位简单，结构紧凑,零件数少,便于加工,利于微型化,满足用户需求,从而使之在微小型直线超声电机驱动中具有广阔的应用前景。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机，其特征是它包括：

一底座（7），该底座（7）用于安装超声电机各部件；

一导轨（1）；该导轨（1）安装在底座（7）上，导轨（1）上安装有产生直线移动的滑块（2）；

一定子，该定子也安装在底座（7）上，定子用于在电压的激励下产生机械振动；所述定子主要由金属弹性体（5）和压电陶瓷片（4）组成, 金属弹性体（5）上安装压电陶瓷（4）的部分开有对称的槽，压电陶瓷对称安装在所述槽的两侧；金属弹性体（5）与滑块相接触的一侧安装有类Ω形驱动足，所述的金属弹性体（5）上开设的对称的槽是完全对称的四个腰形槽；所述的类Ω形驱动足与金属弹性体（5）整体相连，其与滑块相接触部分呈平面结构；通过槽和类Ω形驱动足的双重作用使得定子具有一阶纵向振动和二阶弯曲振动的频率差小于500Hz，以使面内纵-弯复合振动的共振频率趋于一致性，同时还能增大电机定子纵-弯复合振动的振幅；所述定子产生的机械振动驱动所述滑块（2）作直线运动；

一定位固定装置；该定位固定装置用于将定子固定在底座（7）上，它主要由两个L型定位支架（6）和两个尼龙套（3）组成，两个尼龙套（3）分别套装在金属弹性体（5）的两端上，两个L型定位支架（6）固定在底座（7）上并分别与两个尼龙套（3）相抵，实现金属弹性体的纵向定位；

一预紧装置，该预紧装置用于设定定子与滑块之间的压紧力，它包括预压力调节螺栓（13）、U型定位支架（13）、第一引出螺栓（8）、第二引出螺栓（10）和压力传感器（9），U型定位支架（13）固定在底座（7）上，套装有预紧弹簧（12）的预压力调节螺栓（13）穿过U型定位支架（13）作用在压力传感器（9）上，压力传感器（9）将预压力调节螺栓（13）施加的预压力通过第一引出螺栓（8）、第二引出螺栓（10）施加到定子上，定子再将预压力作用在滑块上，即通过预压力调节螺栓（13）来施加定子与滑块之间预压力，通过压力传感器（9）感知预压力的大小；

所述的定位固定装置的两个尼龙套分别安装于在定子的左右两侧，通过与两个L型定位支架相配合，对定子进行定位和固定，L型定位支架固定在底座上；这种定位固定方式，减小底座对电机定子振动的影响，保证定子的空间自由度唯一；

所述的第一引出螺栓（8）、第二引出螺栓（10）分别与压力传感器两端的螺纹孔相连接，第一引出螺栓（8）用于在定子底端中间支撑定子，第二引出螺栓（10）与预压力调节螺栓（13）相接触，第二引出螺栓（10）端口做凹面处理，预压力调节螺栓（13）的端口做凸面处理，两者凹凸配合；预压力调节螺栓（13）通过第一引出螺栓（8）施加预压力，预压力调节螺栓（13）施加的预压力的大小由压力传感器（9）输出；预紧装置施加的预压力一方面不影响电机的工作模态，另一方面使定子的两个驱动足所受预压力相同，保证电机输出性能的稳定性。

2.根据权利要求1所述的小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机，其特征是所述的预压力调节螺栓的一端与U型定位支架内壁上的螺纹通孔相连接，形成螺旋副，使得定子与滑块之间的预压力可调节；U型定位支架固定在底座上，对预紧装置进行水平调节和固定。

3.根据权利要求1所述的小频差高效率的卧板型面内纵-弯复合型直线超声电机，其特征是所述的定子的整体呈矩形，在组成定子的金属弹性体（5）的正反两面通过粘接剂粘结有8片压电陶瓷片（4）。

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