CN102664552A

CN102664552A - 一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机

Info

Publication number: CN102664552A
Application number: CN2012101430987A
Authority: CN
Inventors: 王金鹏; 金家楣; 陈静
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明公开一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机，包括基座、定子和动子，所述定子包括一个矩形板压电陶瓷和两个陶瓷驱动足，矩形板压电陶瓷的顶面、底面均被银作为电极层；所述两个陶瓷驱动足分别粘接在矩形板压电陶瓷侧面2阶弯振的波峰和波谷处；动子包括滑块和氧化铝陶瓷条，且所述氧化铝陶瓷条粘接在滑块的一侧；基座的顶面形成容置腔，该容置腔的一侧设有轨道，动子可滑动地设于轨道上；定子设于容置腔内，并使定子上的两个陶瓷驱动足与动子上的氧化铝陶瓷条接触。此种超声电机具有便于多个并联大幅提高输出力且结构简单、紧凑、易于加工、易于小型化的特点。

Description

一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机

技术领域

本发明属于超声电机技术领域，特别涉及一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机。

背景技术

超声电机是上个世纪80年代迅速发展起来的一种新概念的特种电机，其一般驱动机理是：利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体产生超声频段的微幅振动，迫使接触面的质点产生类似椭圆轨迹运动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子的旋转或直线运动。与电磁电机相比，具有结构形式多样、低速大转矩、低噪声运行、响应快、断电自锁、位置和速度控制特性好、不产生磁场亦不受电磁干扰等优点。由于具有以上诸多优点，超声电机在工业自动化、航空航天、医疗、生物工程等领域得到了大量的应用，并发挥了巨大的作用。本案发明人基于目前超声电机的普遍应用中的困惑，研制出一种新型的超声电机结构。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机，具有便于并联以大幅提高输出力、结构简单、紧凑、易于加工、易于小型化的特点。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机，包括基座、定子和动子，所述定子包括一个矩形板压电陶瓷和两个陶瓷驱动足，该矩形板压电陶瓷沿厚度方向极化，其顶面、底面均被银作为电极层，顶面的电极层沿十字中心线进行四等分，且处于对角位置的两组电极分别通过导线相连，分别输入相位差为90°的同频正弦信号，所述矩形板压电陶瓷底面的电极层作为接地端；所述两个陶瓷驱动足分别粘接在矩形板压电陶瓷2阶弯振的波峰和波谷处；

动子包括滑块和氧化铝陶瓷条，且所述氧化铝陶瓷条粘接在滑块的一侧；

基座的顶面形成容置腔，该容置腔的一侧设有轨道，动子的滑块可滑动地设于轨道上；定子设于容置腔内，并使定子上的两个陶瓷驱动足与动子上的氧化铝陶瓷条接触；所述容置腔的侧壁还开设有透孔，透孔内分别设置能够调节动、定子间预压力的横向调节机构和能够调节定子与基座间纵向间隙的纵向调节机构。

上述基座容置腔的上方对应定子的位置还安装有盖板，该盖板借助螺钉固定于基座上。

上述横向调节机构包括横向弹簧和横向紧定螺钉，所述横向弹簧处于基座侧面透孔内，其一端抵靠定子的矩形板压电陶瓷侧面，另一端抵靠横向紧定螺钉，通过旋拧横向紧定螺钉来调节动、定子间的预压力。

上述纵向调节机构包括纵向弹簧和纵向紧定螺钉，所述纵向弹簧设于透孔内，其一端抵靠定子的矩形板压电陶瓷侧面，另一端抵靠纵向紧定螺钉，通过旋拧纵向紧定螺钉来调节定子与基座间的纵向间隙。

采用上述方案后，本发明所提供的直线超声电机，其定子中没有金属基体材料的存在，定子的主要部件为一块矩形板压电陶瓷，通过四分区电极的设计，实现对1阶纵振和2阶弯振的激励，从而简化了电机的结构，易于微、小型化，可以很方便地实现多个并联以提高输出力和稳定性，具有巨大的推广价值和应用潜力。

附图说明

图1是本发明中定子的结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3（a）是本发明中定子1阶纵振的振动模态示意图；

图3（b）是本发明中定子2阶弯振的振动模态示意图；

图4是本发明中定子稳态响应示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示，本发明提供一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机，包括基座7、定子6、动子和盖板13，下面分别介绍。

定子6是超声电机的核心部件，其结构可配合图1所示，包括一个矩形板压电陶瓷1和两个陶瓷驱动足2，所述矩形板压电陶瓷1沿厚度方向极化，其顶面披银作为电极层，并沿十字中心线对该电极层进行四等分，并将处于对角位置的两组电极分别通过导线相连，作为两相信号输入端4、5，而矩形板压电陶瓷1的底面也披银作为另一个电极层，但并不进行分区，该底面电极层作为接地端3；另外，为了使驱动效果最大化，所述两个陶瓷驱动足2分别粘接在矩形板压电陶瓷1的2阶弯振的波峰、波谷处。

基座7的顶面中部向下凹陷形成容置腔，用于容置定子6，所述基座7的一侧还设有轨道9，具体是在基座7的一侧开设固定槽，将轨道9的两端借助螺钉8固定于固定槽中。

配合图2所示，动子包括相互粘接的滑块10和氧化铝陶瓷条11，且滑块10呈U字型，倒跨于轨道9上并可沿轨道9做直线运动；所述氧化铝陶瓷条11粘接在滑块10的一侧，并使该氧化铝陶瓷条11与定子6上的两个陶瓷驱动足2接触；所述基座7在容置腔中驱动足2的相对侧壁还开设有至少一个透孔，该透孔内设有横向调节机构，该横向调节机构包括横向弹簧18和横向紧定螺钉17，具体来说，横向弹簧18设于透孔内，该横向弹簧18的一端抵靠定子6的矩形板压电陶瓷1，另一端抵靠横向紧定螺钉17，借助横向紧定螺钉17的旋拧改变横向弹簧18的伸缩，从而调节定、动子之间的预压力，且为了增加缓冲，所述横向弹簧18的外部套设有横向橡胶垫19；所述容置腔的纵向侧壁也开设有透孔，该透孔内设有纵向调节机构，该纵向调节机构包括纵向弹簧15和纵向紧定螺钉14，具体来说，纵向弹簧15设于透孔内，该纵向弹簧15的一端抵靠矩形板压电陶瓷1的侧面，另一端抵靠纵向紧定螺钉14，借助纵向紧定螺钉14的旋拧改变纵向弹簧15的伸缩，从而调节定子6与基座7之间的纵向间隙；且为了增加缓冲，所述纵向弹簧15的外部套设有纵向橡胶垫16。

在本实施例中，为了限制定子6的多余自由度，还在基座7容置腔的上方对应定子6的位置安装有盖板13，并借助螺钉12紧固。

本发明所提供的直线超声电机具有两个特定的工作模态，配合图3（a）所示，定子6的一个振动模态是1阶纵振，使得两个陶瓷驱动足2产生沿水平方向（在图中坐标系下，沿Y轴方向）的彼此相反的往复直线运动；定子6的另一个振动模态是2阶弯振，配合图3（b）所示，使得两个陶瓷驱动足2产生沿垂直方向（在图中坐标系下，沿Z轴方向）的彼此相反的往复直线运动。上述两个振动模态叠加后，每个陶瓷驱动足2垂直及水平两个方向上的往复运动都可以合成一个椭圆运动，于是两个陶瓷驱动足2便产生了两个彼此独立的椭圆运动。

本发明所提供的直线超声电机在两路相位差为90°的同频正弦电压信号激励下工作，其中一路正弦电压信号Usinωt（U为电压值，ω为模态频率，t为时间）施加在四分区矩形板压电陶瓷1的一组对角电极上，如图1中的信号输入端4，激励定子6的一个工作模态；另一路相位差为90°的同频正弦信号Ucosωt施加在另一组对角电极上，如图1中的另一相信号输入端5，激励定子6的另一个工作模态。矩形板压电陶瓷的接地端3接地。

在上述两路电压信号的激励下，上述直线超声电机的定子6在一个激励周期内的稳态响应如图4所示（结果由ANSYS谐响应分析得到）。在一个激励周期内，定子依次经历了（1）至（4）四个变化过程。图中可以看出，两个陶瓷驱动足2产生了两个彼此独立的存在于YZ平面内的椭圆运动（见图4中的a、b）。当定子6装入基座7内，并在横向紧定螺钉17、横向弹簧18及横向橡胶垫19的作用下，两个陶瓷驱动足2的顶点部位与氧化铝陶瓷条11接触并保持一定的预压力时，陶瓷驱动足2的顶部的双椭圆运动可以交替式地推动氧化铝陶瓷条11（动子）输出直线运动。当交换激励信号（改变两信号间的相位差）后，陶瓷驱动足2的运动方向将反向，输出直线运动的方向也随之改变。

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

1.一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机，其特征在于：包括基座、定子和动子，所述定子包括一个矩形板压电陶瓷和两个陶瓷驱动足，该矩形板压电陶瓷沿厚度方向极化，其顶面、底面均被银作为电极层，顶面的电极层沿十字中心线进行四等分，且处于对角位置的两组电极分别通过导线相连，分别输入相位差为90°的同频正弦信号，所述矩形板压电陶瓷底面的电极层作为接地端；所述两个陶瓷驱动足分别粘接在矩形板压电陶瓷2阶弯振的波峰和波谷处；

2.如权利要求1所述的一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机，其特征在于：所述基座容置腔的上方对应定子的位置还安装有盖板，该盖板借助螺钉固定于基座上。

3.如权利要求1所述的一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机，其特征在于：所述横向调节机构包括横向弹簧和横向紧定螺钉，所述横向弹簧设于透孔内，其一端抵靠定子的矩形板压电陶瓷侧面，另一端抵靠横向紧定螺钉，通过旋拧横向紧定螺钉来调节动、定子间的预压力。

4.如权利要求1所述的一种双驱动足矩形压电板式直线超声电机，其特征在于：所述纵向调节机构包括纵向弹簧和纵向紧定螺钉，所述纵向弹簧设于透孔内，其一端抵靠定子的矩形板压电陶瓷侧面，另一端抵靠纵向紧定螺钉，通过旋拧纵向紧定螺钉来调节定子与基座间的纵向间隙。