CN104578898B - 惯性式压电超声电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯性式压电超声电机及其控制方法，所述惯性式压电超声电机，包括压电复合振子、夹持装置和圆杆，所述压电复合振子成对设置，前述成对设置的两个压电复合振子，分别为第一压电复合振子、第二压电复合振子，对称地分设在圆杆轴线两侧；所述压电复合振子包括芯板以及分别粘贴在芯板两侧面的两片压电陶瓷片，芯板安装在夹持装置中，圆杆通过第一压电复合振子的芯板与第二压电复合振子的芯板之间所形成的夹持安装部夹持固定。因此，不仅具有结构简单、大力矩、高速度、高精度、大行程、易于控制、方便使用等优点，而且易于加工和实现微型化，可用于手机、相机、显微镜等仪器设备的聚焦***或者精密器械的驱动部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性式压电超声电机及其控制方法，属于惯性直线超声电机技术领域。
背景技术
惯性式超声电机是一类可微型化的压电电机。与传统的超声电机相比，惯性式超声电机具有结构简单，体积小，精度高，易于微型化等优点，备受研究人员的关注。但是由于利用定子轴的不等速原理实现动子的运动，如何合理的激励定子轴实现不等速运动是此类惯性式超声电机设计的关键所在。专利[CN 101071998A]公布了一种方波驱动的惯性式直线型压电电机，利用层叠式压电陶瓷堆的径向变形通过放大机构转换并放大为定子轴的轴向变形，能很好实现高精度、大推力、快速响应的功能。但是实际应用中，层叠式压电陶瓷堆只能伸长变形，而不能收缩变形，这样就大大降低了上述所公开的惯性式压电电机的效果，无法产生较大的推力以及快速响应。即使在不同幅值的驱动信号的激励下，层叠式压电陶瓷堆只能在最长伸长量到原长范围内变形，因此无法在实际应用中实现惯性运动的原理。此外，惯性式超声电机的工作原理是利用惯性力克服摩擦力做功来实现动子的不等速运动，但是动子是设置在定子轴上，无法较好的调整两者之间的预压力，同时受定子结构的限制，惯性式超声电机的应用问题一直没有能够得到很好的解决。针对已提出的惯性式超声电机存在的问题，本发明提出了一种利用矩形压电复合振子在锯齿波信号的激励下产生的弯曲变形来驱动动子的直线运动，或者固定动子实现定子的直线运动。
发明内容
本发明针对现有惯性式超声电机的技术缺陷，提出一种实际可行、结构简单、大力矩、高速度、高精度、大行程、易于控制、方便使用的新型惯性式压电超声电机。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种惯性式压电超声电机，包括压电复合振子、夹持装置和圆杆，所述压电复合振子成对设置，前述成对设置的两个压电复合振子，分别为第一压电复合振子、第二压电复合振子，对称地分设在圆杆轴线两侧；所述压电复合振子包括芯板以及两片压电陶瓷片，所述的两片压电陶瓷片分别粘贴在芯板处于厚度方向上的内外两侧面，芯板安装在夹持装置中，而圆杆则与第一压电复合振子的芯板、第二压电复合振子的芯板之间所形成的夹持安装部相接触；压电陶瓷片与相应的激励电源连接。
作为本发明的进一步改进，所述夹持装置包括两个分体设置的夹持件，分别为上夹持件、下夹持件；各夹持件包括固定部以及连接臂；所述固定部呈“”设置，包括横直段以及连接在横直段两端的竖直段；固定部的竖直段纵向开设贯穿的安装孔，且固定部的横直段在端部分别连接有一连接臂，各连接臂皆设置有用于与芯板配合连接的连接部a；上夹持件固定部的竖直段与下夹持件固定部的竖直段相背设置，且上夹持件、下夹持件通过穿过安装孔的螺纹连接组件锁紧。
作为本发明的进一步改进，所述芯板，为一矩形板，在其长度方向的一个侧边的中部位置开设夹持槽，在所述夹持槽的两侧对称地设置一个与连接部a配合的连接部b；所述芯板、夹持件之间通过连接部a、连接部b之间的配合连接而连成一体；所述夹持安装部通过第一压电复合振子芯板上的夹持槽和第二压电复合振子芯板上的夹持槽构成。
作为本发明的进一步改进，所述夹持槽呈V形。
作为本发明的进一步改进，所述连接部a、连接部b为配合使用的凸起、插槽结构。
作为本发明的进一步改进，所述凸起设置在芯板上，而插槽则开设在连接臂上。
作为本发明的进一步改进，所述压电复合振子为两对，所述连接臂与固定部的竖直段形成T形状；两对压电复合振子分设在固定部的两侧。
作为本发明的进一步改进，所述上夹持件、下夹持件的两侧竖直段端部之间均通过一垫片连接。
作为本发明的进一步改进，所述上夹持件、下夹持件所配装的垫片中，至少有一片为弹簧片。
本发明的另一技术目的是提供一种上述惯性式压电超声电机的控制方法，包括以下步骤：将压电复合振子上芯板两侧的压电陶瓷片均与同频、同向、同型的锯齿波激励信号连接；当给压电陶瓷片施加慢升电信号时，激励压电复合振子产生弯曲模态，并选择芯板的面外二阶弯振作为工作模态，此时压电复合振子在夹持安装部对圆杆施加夹持力，压电复合振子将锁住并抱紧圆杆，圆杆由于摩擦力作用将会随着压电复合振子的向前弯曲而向前直线运动；而当慢升电信号施加到最大值时，瞬间转换为快降电信号，压电复合振子将快速从弯曲状态恢复至原来的平衡位置，此时，由于动子自身惯性力的作用克服了压电复合振子回复运动产生的摩擦力，促使圆杆继续保持向前直线运动的状态；当快降电信号快速回复至0，下一个周期的慢升电信号又开始激励；重复上述的激励过程，圆杆始终保持向前的直线运动。
根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：
1、本发明所述的惯性式压电超声电机，不仅具有结构简单、大力矩、高速度、高精度、大行程、易于控制、方便使用等优点，而且易于加工和实现微型化，可用于手机、相机、显微镜等仪器设备的聚焦***或者精密器械的驱动部分。
2、为了解决夹持问题对本发明电机性能的影响，将夹持装置设计为上下两部分，同时每一部分上安装两组压电复合振子；这样一来，便是四组压电复合振子在同频、同向、同型的锯齿波激励信号作用下驱动圆杆的往复直线运动。而最大的预压力调节问题则通过两个螺栓将上、下夹持装置连接起来，并在螺栓端部设置一个半环形弹簧片来解决。通过调节螺栓来控制压电复合振子与圆杆接触的预压力。同时由于V形槽具有调节预压力的作用，结合夹持装置和弹簧片实现了电机的预压力的可调可控，对电机性能的提升具有很大的作用。
附图说明
图1是惯性式压电超声电机的整体结构示意图。
图2是压电复合振子的结构示意图。
图3是芯板的结构示意图。
图4是上夹持件的结构示意图。
图5是下夹持件的结构示意图。
图6是半部分定子的结构示意图。
图7是弹簧片的结构示意图。
图8是锯齿波信号示意图。
图9是惯性式压电超声电机的原理示意图。
图中：1、芯板；1.1、V形槽；1.2、凸起；2、压电陶瓷片；3、上夹持件；3.1、螺纹孔；3.2、上插槽；4、下夹持件；4.1、通孔；4.2、下插槽；5、圆杆；6、垫片；7、螺栓；8、弹簧片；8.1、安装槽；压电复合振子9。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1、图6所示，本发明所述的惯性式压电超声电机，包括压电复合振子9、夹持装置和圆杆5，所述压电复合振子成对设置，附图中包括两对，共四组；前述成对设置的两个压电复合振子，分别为第一压电复合振子、第二压电复合振子，对称地分设在圆杆5轴线两侧；所述压电复合振子包括芯板1以及分别粘贴在芯板1两侧面的两片压电陶瓷片2，芯板1安装在夹持装置中，圆杆5通过第一压电复合振子的芯板1与第二压电复合振子的芯板1之间所形成的夹持安装部夹持固定。
如图2所示，本发明所述压电复合振子由芯板1以及粘贴在芯板1沿厚度方向上的内外两个表面的压电陶瓷片2构成；其中，所述芯板1，如图3所示，为一矩形板，在其长度方向的一个侧边的中部位置开设V形槽1.1，在所述V形槽1.1的两侧对称地设置一个凸起1.2，因此，所述的V形槽1.1的一个槽壁与相邻的凸起1.2之间形成凹槽，同时凹槽在凸起1.2一侧的槽壁根部设置有一个凸台；所述压电陶瓷片2与V形槽1.1的槽底齐平。
所述夹持装置，如图1、图4、图5所示，包括两个分体设置的夹持件，分别为上夹持件3、下夹持件4；各夹持件均包括固定部以及连接臂；所述固定部呈“”设置，包括横直段以及连接在横直段两端的竖直段；固定部的竖直段纵向开设贯穿的安装孔，且固定部的横直段在端部分别连接有一连接臂，各连接臂皆设置有用于与芯板1配合连接的连接部a；上夹持件3固定部的竖直段与下夹持件4固定部的竖直段相背设置，且上夹持件3、下夹持件4通过穿过安装孔的螺纹连接组件锁紧；为了增大电机的性能，以及便于调整预压力，本发明所述压电复合振子为两对，由四组压电复合振子共同作用，因此，连接臂与固定部的竖直段形成T形状，使得两对压电复合振子分设在固定部的两侧，两两相对地设置在夹持装置上，所述圆杆5设置在上夹持装置和下夹持装置中间，并与四组压电复合振子上的V形槽1.1接触；所述连接部a、连接部b为配合使用的凸起1.2、插槽结构，其中：所述凸起1.2设置在芯板1上，而插槽则开设在连接臂上，且凸起1.2为矩形块，而插槽为与矩形块适配的矩形槽。为了调节预压力，在连接螺栓7的端部设置了一个弹簧片8，如图7所示，这样一来可以通过调节预压力来控制电机的运动速度。所述弹簧片8，如图7所示，为半环形结构，并在两侧分别设置有一个安装槽8.1。具体地说，本发明所述的上夹持件3，如图4所示，其连接臂上的插槽为上插槽3.2，固定部上的安装孔为螺纹孔3.1，端部采用垫片6；下夹持件44，如图5所示，其连接臂上的插槽为下插槽4.2，固定部上的安装孔为通孔4.1，端部采用弹簧片8。
本发明通过对四组压电复合振子施加同频、同向、同型的正向锯齿波信号，如图8所示，激励其产生二阶弯曲振动。通过对矩形压电复合振子的模态分析，可知在V形槽1.1位置的振动振幅最大，这也是设置V形槽1.1的原因。同时两个凸起1.2处在矩形压电复合振子的二阶振动模态的节线上，因此可用于其固定安装。正向锯齿波信号在0至的一个周期内分为两个过程，其中0至为上升信号段，至为下降信号段，并且 由此，下降信号段是一个陡落的过程。在电机工作的整个激励过程中，锯齿波信号的幅值都大于等于0。压电复合振子驱动圆杆5在一个激励周期内的工作过程如图9所示，在0至时间段内，上升信号从0增加到最大幅值激励，压电复合振子开始从平衡位置运动到二阶弯振最大处，V形槽1.1由于压电复合振子的弯振而向前运动，在这一阶段，圆杆5与V形槽1.1接触，由于静摩擦力作用，因此圆杆5与压电复合振子处于接触并抱紧的状态，并且圆杆5随着压电复合振子向前弯曲变形而向前直线运动；至时间段内，陡落的下降信号从最大幅值快速降低至0，压电复合振子快速从二阶弯振最大处回复至平衡位置，V形槽1.1由于压电复合振子的弯振而快速向后运动，而此时圆杆5由于惯性作用继续保持向前直线运动，因此压电复合振子与圆杆5处于非抱紧状态且运动方向相反，这一过程中，圆杆5的惯性力克服摩擦力做功而减速向前运动。由于一个周期内的激励信号分为两个不同变化段，因此圆杆5的运动速度是不等的。当下一个上升信号施加时，圆杆5又重复上述的运动过程，因此只要激励信号不发生幅值、相位的变化，圆杆5将一直向前直线运动。当施加负向锯齿波信号时，圆杆5将做相反方向的直线运动。
通过四组压电复合振子的共同作用，圆杆5的运动速度、输出力矩以及运动精度都得到了大大的提升，能满足微型作动情况下的高速度、高精度和大力矩的需求。同时，对于复合激励信号要求的方波信号或者其他类型的激励信号都可以作为激励信号来驱动圆杆5实现双向的直线运动。
根据实际应用需求，可以将圆杆5固定，定子部分（夹持装置及其上的复合压电振子）作为运动部件，或者将定子部分固定，圆杆5作为运动部件。两者均能实现双向的直线运动。
Claims (9)
1.一种惯性式压电超声电机，包括压电复合振子、夹持装置和圆杆，其特征在于，所述压电复合振子成对设置，前述成对设置的两个压电复合振子，分别为第一压电复合振子、第二压电复合振子，对称地分设在圆杆轴线两侧；所述压电复合振子包括芯板以及两片压电陶瓷片，所述的两片压电陶瓷片分别粘贴在芯板处于厚度方向上的内外两侧面，芯板安装在夹持装置中，而圆杆则与第一压电复合振子的芯板、第二压电复合振子的芯板之间所形成的夹持安装部相接触；压电陶瓷片与相应的激励电源连接；所述夹持装置包括两个分体设置的夹持件，分别为上夹持件、下夹持件；各夹持件包括固定部以及连接臂；所述固定部呈“”设置，包括横直段以及连接在横直段两端的竖直段；固定部的竖直段纵向开设贯穿的安装孔，且固定部的横直段在端部分别连接有一连接臂，各连接臂皆设置有用于与芯板配合连接的连接部a；上夹持件固定部的竖直段与下夹持件固定部的竖直段相背设置，且上夹持件、下夹持件通过穿过安装孔的螺纹连接组件锁紧。
2.根据权利要求1所述惯性式压电超声电机，其特征在于，所述芯板，为一矩形板，在其长度方向的一个侧边的中部位置开设夹持槽，在所述夹持槽的两侧对称地设置一个与连接部a配合的连接部b；所述芯板、夹持件之间通过连接部a、连接部b之间的配合连接而连成一体；所述夹持安装部通过第一压电复合振子芯板上的夹持槽和第二压电复合振子芯板上的夹持槽构成。
3.根据权利要求2所述惯性式压电超声电机，其特征在于，所述夹持槽呈V形。
4.根据权利要求2所述惯性式压电超声电机，其特征在于，所述连接部a、连接部b为配合使用的凸起、插槽结构。
5.根据权利要求4所述惯性式压电超声电机，其特征在于，所述凸起设置在芯板上，而插槽则开设在连接臂上。
6.根据权利要求2所述惯性式压电超声电机，其特征在于，所述压电复合振子为两对，所述连接臂与固定部的竖直段形成T形状；两对压电复合振子分设在固定部的两侧。
7.根据权利要求2所述惯性式压电超声电机，其特征在于，所述上夹持件、下夹持件的两侧竖直段端部之间均通过一垫片连接。
8.根据权利要求7所述惯性式压电超声电机，其特征在于，所述上夹持件、下夹持件所配装的垫片中，有一片为弹簧片，且配装弹簧片的夹持件的竖直段所开设的安装孔为通孔，而另一夹持件的竖直段所开设的安装孔为螺纹孔。
9.一种权利要求1所述惯性式压电超声电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：将压电复合振子上芯板两侧的压电陶瓷片均与同频、同向、同型的锯齿波激励信号连接；当给压电陶瓷片施加慢升电信号时，激励压电复合振子产生弯曲模态，并选择芯板的面外二阶弯振作为工作模态，此时压电复合振子在夹持安装部对圆杆施加夹持力，压电复合振子将锁住并抱紧圆杆，圆杆由于摩擦力作用将会随着压电复合振子的向前弯曲而向前直线运动；而当慢升电信号施加到最大值时，瞬间转换为快降电信号，压电复合振子将快速从弯曲状态恢复至原来的平衡位置，此时，由于圆杆自身惯性力的作用克服了压电复合振子回复运动产生的摩擦力，促使圆杆继续保持向前直线运动的状态；当快降电信号快速回复至0，下一个周期的慢升电信号又开始激励；重复上述的激励过程，圆杆始终保持向前的直线运动。
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