CN101001054B - 双柱体振子直线超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双柱体振子直线超声电机，包括机架、驱动振子、动子，以及用于锁定机架、驱动振子、动子，并可调节锁紧力的锁定机构，所述驱动振子包括压电元件及金属弹性体，所述金属弹性体呈“Y”形状，其下端与动子接触，其上端的两个分支上分别放置有压电元件，所述压电元件采用薄压电陶瓷片，所述动子为侧面设置有导向凸起的滑块，其导向凸起与机架底部所设置的直线导向槽相对应。本发明具有结构简单、大推力、易于设计和加工的特点。

Description

双柱体振子直线超声电机

技术领域

本发明属于超声电机技术领域，特别是涉及一种直线超声电机。

背景技术

目前，传统的直线电磁电机广泛应用于各个领域，但它存在以下问题：气隙较大，有边缘效应，传动刚度小，不适于大的冲击或动负荷的场合，使用稀土永磁体成本较高；电机本身在停止状态时没有保持位置的功能；体积大，不适于小型化；产生磁场，对周围环境不电磁干扰，且有电磁噪声等。在机器人及自动化工艺装备中，传统电磁电机的缺点尤为突出，如功率/重量比小，传动精度不高，响应慢等。迫切需要一个反应快速灵敏、大推力、高精度，能够避免上述缺点的新型直线电机。

超声电机由于具有功率密度大、无电磁干扰、低速大扭矩、运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非连续运动、机床进给运动、伺服驱动控制领域具有广阔的应用前景，在或者更小的尺寸范围内将有可能替代传统的电磁电机。

超声电机是利用压电元件的逆压电效应使弹性体(定子)在超声频段产生微观机械振动(振动频率在20kHz以上)，通过共振放大和摩擦耦合，将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)运动的一种新型电机。它与传统的电磁电机相比有着完全不同的原理和结构，具有电磁电机所没有的优点，因此，已引起人们的广泛关注。虽然有些直线型超声电机得到了应用，如X-Y记录仪、卡片驱动装置、半导体加工，但总的看，直线型超声电机目前仍处在研究阶段。国外已开发出多种直线超声电机的原理样机，而国内则侧重于高分辨率微作动器的研究，对大推力大行程直线超声电机的研究甚少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大推力、易于设计和加工、高精度的换能器型双柱体振子直线超声电机。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

双柱体振子直线超声电机，包括机架、驱动振子、动子，以及用于锁定机架、驱动振子、动子，并可调节锁紧力的锁定机构，所述驱动振子包括压电元件及金属弹性体，所述金属弹性体呈“Y”形状，其下端与动子接触，其上端的两个分支上分别放置有压电元件，所述压电元件采用薄压电陶瓷片，所述动子为侧面设置有导向凸起的滑块，其导向凸起与机架底部所设置的直线导向槽相对应。

本发明通过在呈“Y”形状的金属弹性体的上面两个开口端均设置压电陶瓷片，在压电陶瓷片的逆变电效应作用下，两端的振动变形相结合，带动金属弹性体的底端的分支驱动动子的运动，所述动子由于设置有与机架底部所设置的直线导向槽相对应，所以其运动为直线运动，本发明的超声电机也为直线超声电机。

上述技术方案中，所述驱动振子设置有导向法兰，所述导向法兰与机架的两个侧板中部所设置的导向槽对应。通过导向法兰，与机架两侧板所设置的导向槽，一方面方便驱动振子与机架的装配及定位，只需在机架两侧板中间外部，将导向法兰套入导向槽，再推进去则可，另一方面也使得驱动振子在做振动变形时，可固定驱动振子的运动方向。

本发明所述压电元件采用四个薄压电陶瓷片，每个薄压电陶瓷片均沿厚度方向极化，每两个薄压电陶瓷片极性相反相互贴合放置于“Y”形金属弹性体的上端的一个分支上。

所述每个薄压电陶瓷片的两侧均设置有作为接线端的薄金属片。

本发明所述驱动振子还包括有后端盖及双头螺栓，所述“Y”形金属弹性体的上端两个分支的每个分支及后端盖均设有与双头螺栓相吻合的螺孔，使得双头螺栓可以拴紧金属弹性体的上端分支和后端盖，由于要使得压电陶瓷片和作为接线端的金属片处于金属弹性体的上端分支和后端盖之间，其必须穿过双头螺栓，所以所述薄压电陶瓷片和薄金属片也在中心处设置有直径不小于双头螺栓的直径的通孔，所述薄压电陶瓷片和薄金属片分别穿过双头螺栓并固定于金属弹性体上端的分支和后端盖之间。

为了使得可更好驱动动子的运动，所述金属弹性体呈板状，所述后端盖可采用板状，也可采用圆柱形，后端盖采用圆柱形时，所述薄压电陶瓷片为薄圆环状，所述导向法兰设有两凸台，其中一凸台放置于机架内的导向槽，另一凸台与锁定机构连接。

本发明所述锁定机构包括位于机架上端的机架上盖板，位于导向法兰另一凸台上的预紧弹簧，以及穿过机架上盖板并压住预紧弹簧的预紧螺栓。

本发明的工作原理如下：

双柱体振子直线超声电机采用两个结构完全相同的朗之万振子，来驱动金属弹性体的振动变形，当两个朗之万振子通入同相电压激励信号时，两振子同时拉伸或压缩，在金属弹性体的“Y”形下端凸齿部的质点沿对称轴做拉伸或压缩的往复振动，该对称的纵向伸缩振动型式称为纵向振动模态。由于凸齿实现振动的耦合也可形成柔性振动，当两个朗之万振子通入异相电压激励信号时，则一振子拉伸，同时另一振子压缩，在凸齿端部的质点偏离对称轴做柔性振动，该非对称的纵向振动(柔性振动)型式可视为弯曲振动模态，即本发明的金属弹性体的振动模态同时结合纵向振动和弯曲振动，凸齿在结合的振动模态下，实现了对大推力、高精度的驱动动子运动。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、本发明的驱动振子采用了采用双柱体朗之万换能器型结构，通过输入一定相位差的激励电压信号很容易激发出双柱体中每个柱体的纵向振动(对称与非对称)的复合振动模态，可以有效地增大推力，提高效率；

2、本发明的电机定子结构采用双柱体结构，易于加工，压电陶瓷通过螺栓、凸齿、紧定螺母(后端盖)紧固，并有一定的预紧压力；

3、本发明的压电陶瓷片与金属弹性体不需粘接，只用螺栓紧固即可，加工简单，易于工业化生产，成本低；

4、本发明的电机共有两种振动模态，两种模态共振频率调谐可以通过改变后端盖长度来调节，为该型电机的设计和调试带来了很大的方便；

5、从电机所采用的压电陶瓷片极化方式来看，该型电机的压电陶瓷片只需沿轴向极化，不需面内分区，大大简化压电陶瓷片的加工工艺。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的驱动振子结构示意图，其中a为主视图，b为左视图，c为俯视图；

图3为本发明的双头螺栓结构示意图；

图4为本发明的金属弹性体(凸齿)结构示意图；

图5为本发明的后端盖结构示意图；

图6为本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明的结构示意图如附图1所示，主要由预紧螺钉1、机架上盖板2、预紧弹簧3、接线端子与集线器4、定子(即驱动振子)5、动子6、机架板7七大零部件组成。预紧螺钉1、机架上盖板2、预紧弹簧3以及机架板7构成了电机的预紧力施加机构，通过改变预紧螺钉1的进给深度及预紧弹簧3的弹性变形，从而给以电机定子一定预紧力。动子6为一条单面开有导向槽的直线滑轨，其顶面固定于机架板7底部；机架板两侧板设有导向槽，定子5的导向法兰可沿导向槽安放于机架中，从而固定定子沿滑轨方向的运动。动子6上端面与定子5末端凸齿，通过预紧弹簧3和预紧螺钉1给以一定预紧力压紧接触。

定子5，作为本发明直线超声电机的主要和关键部件，是由压电陶瓷片54和超声激励信号紫铜薄片接线端子55通过螺栓52联接紧固形成的驱动振子，其结构如附图2所示。主要由后端盖51、双头螺栓轴52、法兰53、压电陶瓷片54、接线端子55、凸齿6六个零件组成，凸齿6即“Y”形金属弹性体。

所述压电陶瓷片54共4片①②③④，均为圆环状，晶片极化方式均为沿厚度方向极化，其中①和②、③和④之间夹入紫铜薄片作为超声激励信号接线端子55，其中①和②之间为接Vsinωt激励信号端子，③和④之间为接Vcosωt激励信号端子，其余为接地端子。

螺栓轴52如附图3所示，为双头螺栓，用于连接各部分零件。

凸齿56如附图4所示，其“Y”形上端的两个大端和后端盖51均设有于螺栓轴52吻合的一定深度的螺孔，以便通过螺栓轴52与其它零件相连，同时给压电陶瓷片54施予轴向压力。

所述后端盖51的结构示意图如附图5所示。

定子5安装时，先将凸齿56与螺栓轴52的一端旋接，再从螺栓轴52的另一端分别套入压电陶瓷片54、接线端子55及法兰53，并用后端盖51旋接螺栓轴52的另一端，同时后端盖51也压紧压电陶瓷片54、接线端子55及法兰53。为了方便加工和安装，凸齿56做成板状，而后端盖51则采用了圆柱形；法兰53设有两凸台，可沿机架板的导向槽放置于机架7内，从而固定整个电机定子5。

本发明的整机安装时，先把动子6安装于机架板的底部，再将已经接好超声激励信号接线端子引出线的定子5的法兰一凸台对准机架板7上的导向槽装入，定子5的法兰另一凸台的上端再装上预紧弹簧3，盖上机架上盖板2，加一定预紧力拧上预紧螺栓1，即可外接激励信号源准备开始工作。

本发明双柱体振子直线超声电机的工作原理如下：

该直线超声电机采用了朗之万振子的纵向振动一阶模式，两个朗之万振子结构完全相同，通过凸齿56相连。当两个朗之万振子通入同相电压激励信号时，两振子同时拉伸或压缩，在凸齿56端部的质点沿对称轴做拉伸或压缩的往复振动，该对称的纵向伸缩振动型式称为纵向振动模态。由于凸齿56实现振动的耦合也可形成柔性振动，当两个朗之万振子通入异相电压激励信号时，则一振子拉伸，同时另一振子压缩，在凸齿56端部的质点偏离对称轴做柔性振动，该非对称的纵向振动(柔性振动)型式可视为弯曲振动模态。经过对定子5的各个部分尺寸有限元仿真计算与设计，使得上述两种振动模态的共振频率趋近一致，以便能使用同一频率激出这两种模态。

本发明的工作原理如附图6所示，工作过程如下：激振振子产生纵向、弯曲两复合的振动，一个周期的振动过程为(1)→(2)→(3)→(4)→(1)：

(1)、两振子同时拉伸，凸齿56达到纵向振幅位置，同时凸齿56过预紧力与动子6贴紧；

(2)、左端振子拉伸，右端振子压缩，凸齿56达弯曲振动振幅位置，凸齿过预紧力与动子6贴紧并产生向右的驱动力，通过摩擦作用驱使动子6向右运动作用；

(3)、两振子同时压缩，凸齿56达到纵向振幅位置，同时凸齿56同动子6脱开，动子6靠其惯性，继续向右运动；

(4)、左端振子压缩，右端振子拉伸，凸齿56达到弯曲振动振幅位置，由于凸齿56已与动子6脱开，动子6靠其惯性，继续向右运动；

如此周而复始，状态(4)又回到状态(1)，进入下一个周期的运动。该直线超声电机就是这样利用了弯曲振动在共振条件下产生大推力，利用纵向振动和预紧力来产生和控制摩擦力来工作的。

本发明的直线超声电机使用和维护均十分方便，电机安装调试好之后，通过接线端子连接超声信号激励电源，该电源采用PWM驱动技术及驱动功率MOSFET的集成电路，电压相位差、幅值、频率可同时调节，从而十分方便的实现和满足了电机高精度定位要求。

Claims (1)

1.双柱体振子直线超声电机，包括机架、驱动振子、动子，以及用于锁定机架、驱动振子、动子，并可调节锁紧力的锁定机构，所述驱动振子包括压电元件及金属弹性体，其特征在于所述金属弹性体呈“Y”形状，其下端与动子接触，其上端的两个分支上分别放置有压电元件，所述压电元件采用薄压电陶瓷片，所述动子为侧面设置有导向凸起的滑块，其导向凸起与机架底部所设置的直线导向槽相对应，所述驱动振子设置有导向法兰，所述导向法兰与机架的两个侧板中部所设置的导向槽对应，所述压电元件采用四个薄压电陶瓷片，每个薄压电陶瓷片均沿厚度方向极化，每两个薄压电陶瓷片极性相反相互贴合放置于“Y”形金属弹性体的上端的一个分支上，所述每个薄压电陶瓷片的两侧均设置有作为接线端的薄金属片，所述驱动振子还包括有后端盖及双头螺栓，所述金属弹性体的上端两个分支及后端盖均设有与双头螺栓相吻合的螺孔，所述薄压电陶瓷片和薄金属片也在中心处设置有直径不小于双头螺栓的直径的通孔，所述薄压电陶瓷片和薄金属片分别穿过双头螺栓并固定于金属弹性体上端的分支和后端盖之间，所述弹性金属片呈板状，所述后端盖则采用圆柱形，所述薄压电陶瓷片为薄圆环状，所述导向法兰设有两凸台，其中一凸台放置于机架内的导向槽，另一凸台与锁定机构连接，所述锁定机构包括位于机架上端的机架上盖板，位于导向法兰另一凸台上的预紧弹簧，以及穿过机架上盖板并压住预紧弹簧的预紧螺栓。

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