CN211859984U - 一种面内行波型直线超声电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种面内行波型直线超声电机，超声电机包括定子组件和动子，定子组件整体呈圆柱结构，其包括圆环柱形定子，在圆环柱形定子的圆周面上均匀布设若干齿条，圆环柱形定子的两个端面分别设置对称的两个薄片圆环状弹性基体；还包括以圆环柱形定子为中心对称设置的两组压电陶瓷片组，每组压电陶瓷片的一侧与薄片圆环状弹性基体连接，每组压电陶瓷片的另一侧设置导电膜，薄片圆环状弹性基体位于圆环柱形定子与压电陶瓷片组之间；动子呈长条状设置，其悬设在圆环柱形定子的圆周表面；本实用新型保证定子尺寸改变时频率一致性容易调节，结构简单，易于微型化，同时能够保持高精度。

Description

一种面内行波型直线超声电机

技术领域

本实用新型涉及一种面内行波型直线超声电机以及平台进给装置，属于超声电机技术领域。

背景技术

直线超声电机作为超声电机的一个分类，它也是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子宏观的直线运动，直接推动负载；它具有直接产生直线运动和牵引力、定位和速度控制精度高、结构紧凑和设计灵活，可轻型化小型化等多个优点；迄今为止，已经出现了很多种直线超声电机，其分类按照波动形式的不同可以分为驻波型和行波型，其中驻波型按定子上驱动足数目不同，可分为单足式和多足式；行波型又可分为直梁式和环梁式。按照直线型超声电机所利用的振动位移方向是垂直于定子表面还是在定子的平面内，将直线型超声电机分为面外振动和面内振动两种类型。

1983年，在行波型旋转超声电机研究的基础上，日本学者Sashida提出了两种行波型直线超声电机，一种是环梁式一种是直梁式；1998年，德国学者Hermann和Schinkothe等研制出了环梁式行波直线超声电机，它由旋转超声电机演变而来，为了防止波的反射，把导轨做成封闭的环形梁，用粘接在环形梁内测的压电陶瓷激励出环形梁表面的行波，当动子被压在环形梁直线段时，动子就会产生直线运动；1998年，日本多家电子公司推出了薄型直线超声电机，它利用三角形压电陶瓷片作为压电振子，单侧驱动，此后，德国PI公司也研发了类似的直线超声电机。钟侃生等人在中国专利201110039747.4中所提出的行波型直线超声电机，利用圆环状弹性基体的面外模态形成行波，并且使用定子外边缘驱动导轨的轴向运动。

近些年有很多新型的直线超声电机涌现，不管是驻波直线超声电机还是行波直线超声电机，都存在频率一致性调节受定子尺寸变化的影响较大（当定子尺寸变小时，频率一致性调节困难）和固定困难的问题，因此电机微型化就受到一定限制，同时因为频率一致性差的原因，电机的控制也会相应的受到影响，因此亟需一种新型超声电机，能够解决频率一致性调节困难以及固定困难的问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种面内行波型直线超声电机以及平台进给装置，保证定子尺寸变化时频率一致性容易调节，结构简单，易于微型化，同时能够保持高精度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种面内行波型直线超声电机，包括定子组件和动子，定子组件整体呈圆柱结构，其包括圆环柱形定子，在圆环柱形定子的圆周面上均匀布设若干齿条，圆环柱形定子的两个端面分别设置对称的两个薄片圆环状弹性基体；

还包括以圆环柱形定子为中心对称设置的两组压电陶瓷片组，每组压电陶瓷片的一侧与薄片圆环状弹性基体连接，每组压电陶瓷片的另一侧设置导电膜，薄片圆环状弹性基体位于圆环柱形定子与压电陶瓷片组之间；

在压电陶瓷片表面分区极化；

动子呈长条状设置，其悬设在圆环柱形定子的圆周表面，且动子与圆环柱形定子接触的部分呈T字形，T字形的横向部分与圆环柱形定子圆周表面接触；

作为本实用新型的进一步优选，在薄片圆环状弹性基体结构内安装用于对圆环柱形定子进行定位的配重结构；

配重结构与薄片圆环状弹性基体结构之间的空间内安装柔性腹板，且配重结构、柔性腹板以及薄片圆环状弹性基体三者位于同一平面内；

作为本实用新型的进一步优选，在圆环柱形定子的圆周面上均匀布设若干齿条，每个齿条呈凹字型结构设置，且其开口部分朝向圆环柱形定子的中心；

在其中一个齿条的齿面上粘贴摩擦材料；

作为本实用新型的进一步优选，压电陶瓷片组包括若干顺次相连的压电陶瓷片，每组压电陶瓷片组呈与薄片圆环状弹性基体结构匹配的圆环状；

压电陶瓷片的一侧粘贴在与其相邻的薄片圆环状弹性基体上，且若干压电陶瓷片分成若干进行极化的分区；

一种基于面内行波型直线超声电机的平台进给装置，包括机盖、支撑件、底座、滑轨组件以及工作平台，支撑件呈U型结构设置，定子组件固定在支撑件形成的U型结构内，支撑件的封闭端安装在机盖上；

在支撑件的垂直部分向外的一侧上安装滑条，滑条与定子组件内圆环柱形定子的径向平行，底座同样呈U型结构，其可移动套设在支撑件上，在底座的垂直部分内侧分别开设滑槽，滑槽与滑条匹配；

在底座的横向部分安装滑轨组件，工作平台的底部通过滑轨组件可移动连接在底座横向部分；

动子安装在工作平台与定子组件相对的一侧，且动子与圆环柱形定子接触的部分呈T字形，T字形的横向部分与圆环柱形定子圆周表面接触；

作为本实用新型的进一步优选，在支撑件的封闭端与机盖连接处设置预压力调整垫片。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型解决了现有直线超声电机定子尺寸改变时频率一致性调节困难的问题，同时与现有的行波直线超声电机及其他部分驻波直线超声电机相比更加易于固定，更加易于微型化，并且控制精度更高；

2、本实用新型不仅可用于精密平台进给，在生物医疗、机器人等方面也有着广阔的应用前景；

3、本实用新型可以放大圆环柱形定子的径向振幅以及周向振幅，使得激发出来用于驱动的椭圆更好，提高了电机的输出能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的面内行波型直线超声电机结构示意图；

图2是本实用新型的面内行波型直线超声电机优选实施例的定子组件爆炸示意图；

图3是本实用新型的面内行波型直线超声电机优选实施例的圆环柱形定子结构示意图，其中3a为三维示意图，3b为剖面示意图；

图4是本实用新型的面内行波型直线超声电机极化后的模态振型示意图，4a、4b分别为实施例2中同一频率下两个正交的模态振型示意图；

图5是本实用新型的面内行波型直线超声电机优选实施例的压电陶瓷片的分区方式及极化方式示意图，其中5a为实施例2中其中一组压电陶瓷片组分区极化方式，5b为另一组压电陶瓷片组分区极化方式；

图6是本实用新型的基于面内行波型直线超声电机的平台进给装置结构示意图；

图7是本实用新型的优选实施例在做对比试验时选用的直齿定子结构；

图8是直齿定子在100V电压和千分之三的阻尼比条件下，径向和周向振幅对比示意图；

图9是本实用新型优选实施例1在100V电压和千分之三的阻尼比的条件下，径向和周向振幅对比示意图；

图10是本申请的定子结构与直齿定子结构在各自最优条件下，在定子齿上形成的径向与周向平面上的椭圆对比图。

图中：1为动子，2为定子组件，3为支撑件，4为预压力调整垫片，5为机盖，6为底座，7为滑轨组件，8为工作平台，2-1a为导电膜，2-1b为导电膜，2-2a为压电陶瓷片，2-2b为压电陶瓷片，2-3为摩擦材料，2-4为圆环柱形定子，2-4-1为配重结构，2-4-2为柔性腹板，2-4-3为薄片圆环状弹性基体，2-4-4为齿条。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

现有直线超声电机中，不管是驻波直线超声电机还是行波直线超声电机，由于其结构并不是像标准的圆环一样是中心对称的特点，导致模态频率一致性的调节受定子尺寸改变的影响较大，也就是说在定子尺寸改变的情况下频率一致性的调节需要花费大量的时间和精力，同时夹持固定也比较困难，导致电机的机械性能以及电机的微型化受到严重的影响；因此基于现状，本申请提出了一种新型的面内行波型直线超声电机，图1所示，从整体上来看，本申请的定子组件2为一个高度对称的圆环柱状结构，其圆周表面上悬设动子1，将定子组件2设置成一个高度对称的结构，可以在一定程度上解决定子尺寸改变时频率一致性调节困难的问题。

实施例1：

将本申请提出的方案做一个优选，图2所示，是优选中选用的定子组件2，整体呈圆柱结构，包括圆环柱形定子2-4，在圆环柱形定子2-4的圆周面上均匀布设若干齿条2-4-4，圆环柱形定子2-4的两个端面分别设置对称的两个薄片圆环状弹性基体2-4-3；

以圆环柱形定子2-4为中心对称设置两组压电陶瓷片2-2a、2-2b组，每组压电陶瓷片2-2a、2-2b的一侧与薄片圆环状弹性基体2-4-3连接，每组压电陶瓷片2-2a、2-2b的另一侧设置导电膜2-1a、2-1b，薄片圆环状弹性基体2-4-3位于圆环柱形定子2-4与压电陶瓷片2-2a、2-2b组之间；

由图3中3a可以清晰的看出，在圆环柱形定子2-4的圆周面上均匀布设的若干齿条2-4-4，每个齿条2-4-4呈凹字型结构设置，且其开口部分朝向圆环柱形定子2-4的中心；此种凹字型结构的设置，可以很大程度放大圆环柱形定子2-4的径向振幅和横向振幅，同时依旧能够保证齿条2-4-4在圆环柱形定子2-4轴向上的振幅较小，因此激发出来的用于驱动的椭圆能够提高电机的输出能力。

将本申请的优选实施例1中的结构与图7所示的直齿定子结构做一个对比，图7中选用的定子直径为30mm，高度为14mm，同样的选用本申请实施例1中齿条呈凹字型结构设置的圆环柱形定子，定义其直径为30mm，高度为14mm，在Workbench有限元软件中进行模态分析和谐响应分析，经过初步的优化改进，在100V电压和千分之三的阻尼比的条件下，如图8所示，横向轴为频率，纵向轴为振幅，直齿定子结构最大的径向振幅和最大的周向振幅分别为1.9μm和1.5μm，而本优选实施例中的定子结构在100V电压和千分之三的阻尼比的条件下，图9所示，横向轴为频率，纵向轴为振幅，最大径向振幅和最大周向振幅分别为2.2μm和4μm；

为了更直观的看出两者的差异度，将本申请的定子结构与直齿定子结构在各自最优条件下，在定子齿上形成的径向与周向平面上的椭圆做对比，如图10所示，可以非常明显的看出，齿条呈凹字型结构设置的圆环柱形定子在径向和周向上的振幅均具有一定程度的放大。

图3中还可以看出，在薄片圆环状弹性基体2-4-3结构内安装用于对圆环柱形定子2-4进行定位的配重结构2-4-1；配重结构2-4-1与薄片圆环状弹性基体2-4-3结构之间的空间内安装柔性腹板2-4-2，且配重结构2-4-1、柔性腹板2-4-2以及薄片圆环状弹性基体2-4-3三者位于同一平面内；

需要说明的是，配重结构2-4-1为固定安装结构，其与圆环柱形定子2-4、柔性腹板2-4-2为一个整体，配重结构2-4-1以及柔性腹板2-4-2的一体化可以较好的对圆环柱形定子2-4提供固定作用；同时柔性腹板2-4-2位于配重结构2-4-1与薄片圆环状弹性基体2-4-3结构之间的空间内，使得本申请的面内行波型直线超声电机的固定方式更加方便，柔性腹板2-4-2的设置还起到了隔离作用，并不影响圆环柱形定子2-4上行波的走向，驱动效果更加。

由图1中，还可以明显的看出动子1，整体呈一个工字形长条状结构，动子1与圆环柱形定子2-4接触的部分呈T字形，T字形的横向部分与圆环柱形定子2-4圆周表面的齿条2-4-4接触；齿条2-4-4受到预压力后，会出现轻微的弯曲变形，如果动子1与定子接触面是刚度比较大的平面，那么动子1的中间部分与齿条2-4-4无法紧密接触，导致两者接触不均匀，而本实施例中将动子1与定子接触部分设置为具有一定柔性的T字形，那么动子1在与定子接触时，随着齿条2-4-4的轻微弯曲变形，动子1的T字形横向部分可以根据齿条2-4-4形状进行调整，也会发生轻微的变形，紧贴在齿条2-4-4上，使得接触更加均匀，电机的驱动能力更佳。

在本实施例中，以圆环柱形定子2-4为中心对称设置两组压电陶瓷片2-2a、2-2b组，压电陶瓷片2-2a、2-2b的一侧粘贴在与其相邻的薄片圆环状弹性基体2-4-3上，压电陶瓷片2-2a、2-2b组包括若干顺次相连的压电陶瓷片2-2a、2-2b，每组压电陶瓷片2-2a、2-2b组呈与薄片圆环状弹性基体2-4-3结构匹配的圆环状；优选的，压电陶瓷片2-2a、2-2b一共22片，每组压电陶瓷片2-2a、2-2b有11片，将压电陶瓷片2-2a、2-2b表面分区进行极化；

图5所示，为对两组压电陶瓷片2-2a、2-2b组进行分区极化的示意图，以5a中其中一组分区极化为例，在第一组压电陶瓷片2-2a、2-2b组里选取其中一片压电陶瓷片2-2a、2-2b作为四分之一波长分区，且此分区未极化，同时与此分区相对的两片压电陶瓷片2-2a、2-2b作为八分之三波长分区，两个八分之三波长分区的压电陶瓷片2-2a、2-2b相邻，在四分之一波长分区的压电陶瓷片2-2a、2-2b与每个八分之三波长分区的压电陶瓷片2-2a、2-2b之间设有四片二分之一波长分区的压电陶瓷片2-2a、2-2b，除去未极化的四分之一波长分区的压电陶瓷片2-2a、2-2b，其他的压电陶瓷片2-2a、2-2b交替进行正负极化；

同样的，另一组压电陶瓷片2-2a、2-2b组选用同样的极化方式，如图5中5b所示；

上述极化方式中，所谓的正负交替极化，正号表示极化的方向垂直圆环状圆环面同时沿着轴向向外，即朝着相邻导电膜2-1a、2-1b方向，负号表示极化的方向垂直圆环状圆环面同时沿着轴向向内，即朝着圆环柱形定子2-4方向。

接着对极化了的压电陶瓷片2-2a、2-2b上分别通上时间上相差π/2的两个激励信号，即可激发出在时间和空间上都相差π/2的两种模态振型，形成的两种模态振型；

图5所示，将每组压电陶瓷片2-2a、2-2b组分成A相和B相，第一组中的A相为2-2a-A，B相为2-2a-B，第二组中的A相为2-2b-A，B相为2-2b-B，在2-2a-A、2-2b-A上通上相同的sin（wt）电信号，在2-2a-B、2-2b-B上同时通上相同的时间上与A信号相差π/2的cos（wt）电信号，形成的两种模态振型示意图如图4所示，就能在圆环柱形定子2-4圆周面上均匀分布的齿条2-4-4上耦合形成一个沿着圆周做周向运动的面内波，由于其中一个齿条2-4-4的齿面上粘贴摩擦材料2-3，粘贴摩擦材料2-3的齿条2-4-4在径向与周向平面内形成椭圆运动，驱动动子1运动。

实施例2：

上述实施例1的面内行波型直线超声电机通用性高，不仅可用于精密平台进给、微型化结构，还可以用于光学镜头，优选的以使用在平台进给为例，提供一种基于面内行波型直线超声电机的平台进给装置，包括机盖5、支撑件3、底座6、滑轨组件7以及工作平台8，支撑件3呈U型结构设置，定子组件2固定在支撑件3形成的U型结构内，支撑件3的封闭端安装在机盖5上；在支撑件3的垂直部分向外的一侧上安装滑条，滑条与定子组件2内圆环柱形定子2-4的径向平行，底座6同样呈U型结构，其可移动套设在支撑件3上，在底座6的垂直部分内侧分别开设滑槽，滑槽与滑条匹配；在底座6的横向部分安装滑轨组件7，工作平台8的底部通过滑轨组件7可移动连接在底座6横向部分；动子1安装在工作平台8与定子组件2相对的一侧，且动子1与圆环柱形定子2-4接触的部分呈T字形，T字形的横向部分与圆环柱形定子2-4圆周表面接触；

在支撑件3的封闭端与机盖5连接处设置预压力调整垫片4，可以避免预压力施加不均匀的问题，并且通过改变预压力调整垫片4的厚度可以改变预压力的大小，支撑件3的封闭端做成柔性结构，在这样的柔性结构上施加预压力类似于弹簧施加预压力，使得整个电机的驱动性能更优。

前述的机盖5与底座6之间通过螺钉固连；

将实施例1应用在实施例2中，动子1运动后，带动工作平台8运动，当相电信号的相位差为-90°时，工作平台8反向滑动。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种面内行波型直线超声电机，包括定子组件和动子，其特征在于：定子组件整体呈圆柱结构，其包括圆环柱形定子，在圆环柱形定子的圆周面上均匀布设若干齿条，圆环柱形定子的两个端面分别设置对称的两个薄片圆环状弹性基体；

还包括以圆环柱形定子为中心对称设置的两组压电陶瓷片组，每组压电陶瓷片的一侧与薄片圆环状弹性基体连接，每组压电陶瓷片的另一侧设置导电膜，薄片圆环状弹性基体位于圆环柱形定子与压电陶瓷片组之间；

在压电陶瓷片表面分区极化；

动子呈长条状设置，其悬设在圆环柱形定子的圆周表面，且动子与圆环柱形定子接触的部分呈T字形，T字形的横向部分与圆环柱形定子圆周表面接触。

2.根据权利要求1所述的面内行波型直线超声电机，其特征在于：在薄片圆环状弹性基体结构内安装用于对圆环柱形定子进行定位的配重结构；

配重结构与薄片圆环状弹性基体结构之间的空间内安装柔性腹板，且配重结构、柔性腹板以及薄片圆环状弹性基体三者位于同一平面内。

3.根据权利要求1所述的面内行波型直线超声电机，其特征在于：在圆环柱形定子的圆周面上均匀布设若干齿条，每个齿条呈凹字型结构设置，且其开口部分朝向圆环柱形定子的中心；

在其中一个齿条的齿面上粘贴摩擦材料。

4.根据权利要求1所述的面内行波型直线超声电机，其特征在于：压电陶瓷片组包括若干顺次相连的压电陶瓷片，每组压电陶瓷片组呈与薄片圆环状弹性基体结构匹配的圆环状；

压电陶瓷片的一侧粘贴在与其相邻的薄片圆环状弹性基体上，且若干压电陶瓷片分成若干进行极化的分区。

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