CN116365917A - 一种惯性式直线超声电机及实施方式 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种惯性式直线超声电机及实施方式，包括定子组件和动子组件，其中定子组件包括驱动杆，在驱动杆的两端分别设置定子弹性体，且驱动杆的两端端面分别与定子弹性体的中心垂直固定连接。每个定子弹性体的两个端面均贴合设置压电陶瓷；动子组件包括动子、紧固螺钉，其套设在驱动杆上，动子通过紧固螺钉夹持在驱动杆上，动子组件可相对于驱动杆进行轴向滑动。通过对压电陶瓷施加锯齿波驱动信号，可实现动子沿驱动杆轴向双向运动。本发明安装方便，体积小、质量轻、精度高且响应时间短，可广泛应用于精密仪器及光学设备中。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性式直线超声电机及实施方式，属于超声电机技术领域。
背景技术
惯性式直线超声电机是基于在锯齿波形电压或方波形电压激励下，动子与定子发生粘-滑循环相对运动的一种超声电机，动子输出较长行程的直线运动。现有的惯性式直线压电电机多采用位移放大机构，将压电陶瓷的位移放大并转换成动子的位移，电机工作行程、输出力和速度较大，但是基于位移放大机构的惯性式压电电机的工作频率一般较低，电机响应较慢。
Hyun等人研制了共振式惯性式直线超声电机，通过将单个定子弹性体周边进行完全约束把电机工作频率控制在44kHz左右，定位精度、位移分辨率较高，响应速度较快，工作噪声小，结构简单，可以有效实现电机微型化，但是此结构通过外壳约束弹性体周边会影响电机的输出性能，以及对电机整体的安装要求较高。因此，为了提高惯性式直线超声电机的输出性能，需设计一种性能稳定、体积小、质量轻、精度高、响应时间短的惯性式直线超声电机。
发明内容
本发明提供一种惯性式直线超声电机及实施方式，安装方便，体积小、质量轻、精度高且响应时间短。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种惯性式直线超声电机，包括驱动杆，在驱动杆的两端分别固定定子弹性体，且驱动杆的端部垂直连接在定子弹性体的中心；
每个定子弹性体的两个端面均贴合设置压电陶瓷；
还包括动子，其套设在驱动杆上，动子与驱动杆紧密贴合，且动子基于惯性在驱动杆的轴向方向能够产生相对于驱动杆的滑动；
作为本发明的进一步优选，定子弹性体的两个端面为对称结构；驱动杆为圆柱体结构；
作为本发明的进一步优选，定子弹性体每个端面内径的边界处开设切槽；
作为本发明的进一步优选，压电陶瓷沿厚度方向极化，且压电陶瓷的激励方式为施加锯齿波电压；
作为本发明的进一步优选，前述动子为未闭合的圆环结构，即圆环结构的两个端部之间有间距，在圆环结构的每个端部均开设多个贯穿的动子紧固孔位，动子紧固孔位沿着圆环结构的中轴线方向布设，每个端部开设的动子紧固孔位个数相同；
中心位于同一平面的动子紧固孔位内穿设紧固螺钉，动子圆柱形内壁与驱动杆表面构成驱动摩擦副，锁紧紧固螺钉施加预压力，动子与驱动杆之间的间隙发生改变；
一种基于所述惯性式直线超声电机的实施方式，向定子弹性体施加锯齿波电压进行激励，经过多个周期驱动电压循环施加，实现定子弹性体沿着轴向方向的直线运动；
作为本发明的进一步优选，
选取锯齿波电压中一个周期的驱动电压区间，初始时刻为时刻a，驱动电压到达顶峰发生突变的时刻为c，末端时刻为e，定义时刻a至时刻c驱动电压逐渐增大的过程为第一段程，时刻c至时刻e驱动电压逐渐减小的过程为第二段程，在第一段程内任意选取时刻b，第二段程内任意选取时刻d；
在时刻a的驱动电压下压电陶瓷无变形，动子处于初始位置xa；
在时刻b的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆伸长，驱动杆沿着轴向方向发生位移至位置Db处，动子与驱动杆间无相对滑动，动子处于位置xb；
在时刻c的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆继续伸长，驱动杆沿着轴向方向继续发生位移至位置Dc处，动子与驱动杆间无相对滑动，动子处于位置xc；
在时刻d的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆缩短，驱动杆沿着轴向方向向相反方向发生位移至位置Dd处，动子与驱动杆发生相对滑动，动子处于位置xd；
在时刻e的驱动电压下压电陶瓷无变形，动子处于末端位置xe。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的惯性式直线超声电机，在压电压电陶瓷上施加合适频率的锯齿波驱动信号，能够激励出定子弹性体的面外弯振，从而控制动子相对驱动杆发生相对运动，驱动动子在驱动杆的轴向方向上行或者下行；
2、本发明提供的惯性式直线超声电机，体积小、质量轻、精度高以及响应时间短，通过两个定子弹性体的设置，输出双向的直线运动，能够在精密仪器及光学设备中广泛应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的惯性式直线超声电机整体结构示意图；
图2是本发明提供的惯性式直线超声电机的定子弹性体结构示意图；
图3是本发明提供的惯性式直线超声电机的动子结构示意图；
图4是本发明提供的惯性式直线超声电机的压电陶瓷驱动方式示意图；
图5是本发明提供的惯性式直线超声电机的驱动电压示意图；
图6是本发明提供的惯性式直线超声电机的实施方式示意图；
图7是现有技术中提供的单定子弹性电机的响应分析图；
图8是本发明提供的惯性式直线超声电机的响应分析图。
图中：1为定子弹性体，2为动子，3为驱动杆，4为压电陶瓷，5为切槽，6为动子紧固孔位，7为定子紧固孔位，8为预留孔位。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如背景技术阐述的，现有技术的电机为了将工作频率控制在较高的工作频率，将单个定子弹性体周边进行完全约束，然而这样的结构设计通过外壳约束弹性体周边会影响电机的输出性能，因此在保证行程、输出力、速度以及工作频率的前提下，本申请提供了一种惯性式直线超声电机，以解决现有直线压电电机存在的体积质量较大、响应时间长、结构复杂、不便于安装的问题。
如图1所示，是本申请实施例的具体结构示意图，包括驱动杆，在驱动杆的两端分别固定定子弹性体1，驱动杆3的端部垂直连接在定子弹性体的中心，采用胶粘的方式固定。两个定子弹性体的结构均相同，且相对驱动杆对称布设，驱动杆为圆柱体结构；每个定子弹性体的两个端面均贴合设置压电陶瓷4，连接方式同样为胶粘；动子2套设在驱动杆上，动子与驱动杆紧密贴合，压电陶瓷沿厚度方向极化，对压电陶瓷施加锯齿波电压，动子基于惯性在驱动杆的轴向方向能够产生相对于驱动杆的滑动。
图2所示，定子弹性体每个端面内径的边界处开设切槽5，用于隔绝定子弹性体工作表面到安装端面的振动，较好的解决了定子弹性体不便于安装的问题。
图3所示，动子为未闭合的圆环结构，即圆环结构的两个端部之间有间距，在圆环结构的每个端部均开设多个贯穿的动子紧固孔位6，动子紧固孔位沿着圆环结构的中轴线方向布设，每个端部开设的动子紧固孔位个数相同；中心位于同一平面的动子紧固孔位内穿设紧固螺钉，在本申请中，动子紧固孔位开设了两个，匹配的会有两根紧固螺钉穿设动子紧固孔位，动子通过紧固螺钉紧压在驱动杆上，动子圆柱形内壁与驱动杆表面构成驱动摩擦副，锁紧紧固螺钉施加预压力，动子与驱动杆之间的间隙发生改变。在定子弹性体上上还开设定子紧固孔位7和预留孔位8，定子紧固孔位用于安装定子至夹持机构，预留孔位用于后续测试安装，可以有效解决惯性式直线电机的安装、夹持问题。
图4是对本申请电机的压电陶瓷驱动方式示意图，从整体看，四片压电陶瓷由电机顶部至底部方向顺次布置，极化方向均是沿着压电陶瓷的厚度方向，四片压电陶瓷按照图4中激励方式施加图5的锯齿波电压，电压采用锯齿波方式施加，可以激发出定子弹性体一阶面外弯振，带动驱动杆沿轴向振动，通过惯性位移的方式使紧压在驱动杆上的动子进行直线运动。
上述提到因为锯齿波电压的施加，能够使紧压在驱动杆上的动子以惯性位移的方式进行直线运动，接来下本申请给出相关实施例，具体阐述动子、驱动杆如何进行双向直线运动。图5中选取驱动电压的其中一个周期，即驱动电压从0到电压发生突变的顶峰，继续到0的过程，驱动电压初始为0的时刻为a，发生突变到顶峰的时刻为c，接着驱动电压减小直至回到0的时刻为e，在驱动电压逐渐变大的第一个段程中任意选取一个时刻b，驱动电压逐渐减小的第二个段程中再任意选取一个时刻d，图6匹配的给出电机在时刻a-时刻d动子与驱动杆的直线运动原理示意图，具体的是，时刻a的驱动电压下压电陶瓷无变形，动子处于初始位置xa。时刻b的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆伸长，驱动杆处于位置Db，此时动子无法克服与驱动杆间摩擦力，动子与驱动杆间无相对滑动，动子处于位置xb。时刻c的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆伸长，驱动杆处于位置Dc，此时动子无法克服与驱动杆间摩擦力，动子与驱动杆间无相对滑动，动子处于位置xc。时刻d的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆缩短，时刻d位于驱动电压逐渐减小的第二个段程内，此时驱动杆相当于往相反的轴向方向进行运动，驱动杆处于位置Dd，此时动子克服与驱动杆间摩擦力，动子与驱动杆发生相对滑动，动子处于位置xd。时刻e的驱动电压下压电陶瓷无变形，动子处于位置xe。如此，一个周期动子的移动距离为xe-xa，经过周期积累，可实现定子沿轴向的直线运动。
当研究清楚了本申请提供的超声电机的构造、运行原理以及运行方式后，研究者们继续做了试验，以验证本申请的卓越性，以背景技术中提到的单定子弹性体与本申请提供的双定子弹性体进行对比，在激励电压为80V的条件下，对单个定子弹性体和两个定子弹性体电机进行响应分析，取驱动杆表面轴向平均最大振幅作为性能指标，图7为单定子弹性体的相应分析图，图8为本申请提供的两个定子弹性体电机的响应分析图。从图中可以看出，采用单定子弹性体结构，在激励频率为31310Hz时，驱动杆表面轴向平均最大振幅为5.322×10-6m，在采用双定子弹性体结构后，在激励频率为32840Hz时，驱动杆表面轴向平均最大振幅为1.388×10-5m。通过仿真分析结果对比，通过设置双定子弹性体，可以有效提升电机性能，且设置双定子弹性体确定了整机的对称结构，保证了驱动杆稳固安装，使得驱动杆在轴向稳定振动。
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。
以上述依据本发明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发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明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 (7)
1.一种惯性式直线超声电机，其特征在于：包括驱动杆，在驱动杆的两端分别固定定子弹性体(1)，且驱动杆(3)的端部垂直连接在定子弹性体(1)的中心；
每个定子弹性体(1)的两个端面均贴合设置压电陶瓷(4)；
还包括动子组件(2)，其套设在驱动杆(3)上，动子(2)组件与驱动杆(3)紧密贴合，且动子(2)组件基于惯性在驱动杆(3)的轴向方向能够产生相对于驱动杆(3)的滑动。
2.根据权利要求1所述的惯性式直线超声电机，其特征在于：定子弹性体(1)的两个端面为对称结构；驱动杆(3)为圆柱体结构。
3.根据权利要求2所述的惯性式直线超声电机，其特征在于：定子弹性体(1)每个端面内径的边界处开设切槽(5)。
4.根据权利要求3所述的惯性式直线超声电机，其特征在于：压电陶瓷(4)沿厚度方向极化，且压电陶瓷(4)的激励方式为施加锯齿波电压。
5.根据权利要求4所述的惯性式直线超声电机，其特征在于：前述动子(2)组件为未闭合的圆环结构，即圆环结构的两个端部之间有间距，在圆环结构的每个端部均开设多个贯穿的动子紧固孔位(6)，动子紧固孔位(6)沿着圆环结构的中轴线方向布设，每个端部开设的动子紧固孔位(6)个数相同；
中心位于同一平面的紧固孔(6)内穿设紧固螺钉，动子(2)组件圆柱形内壁与驱动杆(3)表面构成驱动摩擦副，锁紧紧固螺钉施加预压力，动子(2)组件与驱动杆(3)之间的间隙发生改变。
6.一种基于权利要求5所述惯性式直线超声电机的实施方式，其特征在于：向定子弹性体(1)施加锯齿波电压进行激励，经过多个周期驱动电压循环施加，实现定子弹性体(1)沿着轴向方向的直线运动。
7.根据权利要求6所述惯性式直线超声电机的实施方式，其特征在于：
选取锯齿波电压中一个周期的驱动电压区间，初始时刻为时刻a，驱动电压到达顶峰发生突变的时刻为c，末端时刻为e，定义时刻a至时刻c驱动电压逐渐增大的过程为第一段程，时刻c至时刻e驱动电压逐渐减小的过程为第二段程，在第一段程内任意选取时刻b，第二段程内任意选取时刻d；
在时刻a的驱动电压下压电陶瓷无变形，动子处于初始位置xa；
在时刻b的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆伸长，驱动杆沿着轴向方向发生位移至位置Db处，动子与驱动杆间无相对滑动，动子处于位置xb；
在时刻c的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆继续伸长，驱动杆沿着轴向方向继续发生位移至位置Dc处，动子与驱动杆间无相对滑动，动子处于位置xc；
在时刻d的驱动电压下压电陶瓷变形，驱动杆缩短，驱动杆沿着轴向方向向相反方向发生位移至位置Dd处，动子与驱动杆发生相对滑动，动子处于位置xd；
在时刻e的驱动电压下压电陶瓷无变形，动子处于末端位置xe。
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