CN1777011A - 直线运动步进式超声电机 - Google Patents

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Abstract

一种直线运动步进式超声电机，属超声电机。该电机包括：定子、动子及机座。所述定子(1)是由带有两个角形振子金属弹性体(3)组成，每个角形振子的两个臂的根部帖有压电陶瓷(2)。动子(4)由下端面带均匀分度齿槽的条形体组成；条形动子带齿槽的面压在定子驱动头上；同一个振子的两个振动臂的具有π/2相位差的纵振联合作用使得驱动头产生椭圆运动(或圆周)推动动子连续直线运动，构成直线超声电机；两个角形振子的同向振动臂交替工作，驱动动子步进运动，构成直线步进超声电机。该电机除具有超声电机的一般特点外，采用开环控制，驱动电路简单，无累积误差，可实现正、反转的步进和连续直线运动。

Description

直线运动步进式超声电机
一、技术领域：
本发明的直线运动步进式超声电机，属超声电机领域。
二、背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。其中，直线运动步进式超声电机属于步进超声电机的一种。该电机除具有超声电机的一般特点外，采用开环控制，无累积误差，可实现正、反向的步进或连续直线运动，由两路同频有相位差的正弦信号激励，驱动电路简单。目前，开环控制步进超声电机采用模态旋转或自校正机理，模态转换型步进超声电机利用振动体上的小颗粒向节线处运动的现象实现步进定位，由于切向分力较小且定、转子间存在滑动摩擦，力矩较小。自校正型超声电机采用驻波驱动自校正定位原理，每一步运行转子必需运行到定子自校正区域才能确保不失步或多步，完全意义上的开环较难实现。对超声电机驱动电源实施控制实现步进的方法必需加入反馈环节以消除累积误差，***较复杂。直线运动步进式超声电机输出力矩与压电陶瓷能量输入成正比，提高力矩的潜力较大，定位准确，无累积误差。
三、发明内容：
本发明的目的在于研制一种结构简单、大力矩、效率高、响应速度快、应用范围更广的直线运动步进式超声电机。
本发明的直线运动步进式超声电机，包括定子和动子及压电陶瓷。其特点是：所述定子是由带有两个直角角形金属弹性体组成，每个角形振子的两个臂的根部分别贴有压电陶瓷，用于激励振子臂产生纵振。动子由下端面带均匀分度齿槽的条形体组成；利用片弹簧的弹簧力经轴承将条形动子带齿槽的面压在定子驱动头上；由压电陶瓷激发定子角形振子振动臂的纵振，利用相位差π/2的正弦信号同时激励同一个振子的两个振动臂，这两个振动臂纵振的联合作用使得驱动头产生圆周运动推动动子连续直线运动，构成直线超声电机；两个角形振子的同向振动臂交替工作驱动动子直线步进运动，使得不需位置反馈即可确定动子当前位置，电机运行步数由振子转换工作次数确定，振子切换时间由实验测定；只需激励另两个同相振子臂，使得振子产生与前面振子运动方向垂直的斜线运动，振子将产生反方向的推力，交替工作驱动动子反方向步进。
该超声电机可实现开环控制、无累积误差、定位准确、力矩大、工作可靠。
四、附图说明：
图1.是直线运动步进式超声电机结构示意图。
图中标号名称：1.定子；2.压电陶瓷；3.定子的角形振子；4.动子
图2.是动子向图示右方运动时电机的状态示意图。
其中：图2(a)为初始状态，图2(b)振动臂3在电源E＝Asin(ωt+π)激励下振动上半周期，工作振子与动子不接触，图2(c)振动臂3在电源E＝Asin(ωt+π)激励下振动下半周期，动子向图示右方运动的状态，图2(d)驱动头位于动子齿槽处，动子不动的状态，图2(e)为定子回复初始状态，图2(f)振动臂1在电源E＝Asin(ωt+π)激励下振动上半周期，工作振子与动子不接触，图2(g)振动臂1在电源E＝Asin(ωt+π)激励下振动下半周期，动子向图示右方运动的状态，图2(h)驱动头位于动子齿槽处，动子不动的状态，图2(i)为定子回复初始状态。
图3.是动子向图示左方运动时电机的状态示意图。
其中：图3(a)为初始状态，图3(b)振动臂2在电源E＝Asin(ωt+π)激励下振动上半周期，工作振子与动子不接触，图3(c)振动臂2在电源E＝Asin(ωt+π)激励下振动下半周期，动子向图示右方运动的状态，图3(d)驱动头位于动子齿槽处，动子不动的状态，图3(e)为定子回复初始状态，图3(f)振动臂4在电源E＝Asin(ωt+π)激励下振动上半周期，工作振子与动子不接触，图3(g)振动臂4在电源E＝Asin(ωt+π)激励下振动下半周期，动子向图示右方运动的状态，图3(h)驱动头位于动子齿槽处，动子不动的状态，图3(i)为定子回复初始状态。
五、具体实施方式：
一种直线运动步进式超声电机如图1所示。其特点：定子1是由带有两个角形振子金属弹性体3组成，每个角形振子的两个臂的根部帖有压电陶瓷2，用于激励振子臂产生纵振。动子4由下端面带均匀分度齿槽的条形体组成；条形动子带齿槽的面压在定子驱动头上；由压电陶瓷激发定子角形振子振动臂的纵振，同一个振子的两个振动臂的具有相位差的纵振联合作用可使得驱动头产生椭圆运动推动动子连续直线运动，构成直线超声电机；两个角形振子的同向振动臂交替工作，可驱动动子步进运动。反方向的步进可由两个角形振子的另外两个同向振动臂交替工作实现。电源采用两路同频率具有π/2相位差的正弦信号，用于激发定子振动头的椭圆运动或斜直线运动，驱动动子连续直线运动或步进直线运动。步进运动时切换时间足以保证动子的下一个齿槽转到驱动头处；步距是动子相邻齿槽间距的一半。该电机除具有超声电机的一般特点外，采用开环控制，无累积误差，可实现正、反转的步进。由两路同频有相位差的正弦信号激励，驱动电路简单。
结构设计原则：1、由压电陶瓷片的逆压电效应激发出定子角形振子一个臂的一阶纵振，同时诱发另一个臂的二阶弯振，振子驱动头与动子接触面发生倾斜并伴有水平方向运动，可推动动子运动。2、以相位差为π/2的两个同频正弦信号分别激励角形振子两个臂，两个臂均产生一阶纵振，在驱动头处合成为一个倾斜的椭圆轨迹，椭圆倾斜角为π/2，当两个臂振幅相等时，驱动头运动轨迹为一个圆。3、两个角形振子驱动头间的距离需与动子齿距协调设计，满足下面条件：驱动头间距除以动子齿距的余数为动子齿距的1/2，以确保一个驱动头在动子齿槽时，另一个驱动头位于动子齿面上。
下面是一个直线运动步进式超声电机例子：
利用压电陶瓷片的逆压电效应d31激发出定子角形振子振动臂的一阶纵振。图1是该电机的结构示意图，它主要由定子组件、动子及机座组成。动子下端面带有齿距2mm、齿宽1mm、槽深1mm的均匀分度齿槽，用于电机步进定位；定子角形振子振动臂根部粘贴8个向单向极化压电陶瓷片，用于激励定子振动臂一阶纵振；定子两个振子驱动头间距27mm，每个角形振子两个振动臂互相垂直。
直线步进运动分析见图2、图3。动子步进通过交替激励两个角形振子互相平行的两个振动臂(1、3或2、4)实现。
向图示右方直线步进运动分析见图2.：
初始状态见图2.(a)，定子右侧角形振子驱动头左边缘位于动子齿面上；提供正弦激励E＝Asin(ωt+π)给振动臂3，激励振动臂3一阶纵向振动，同时诱发振动臂4的二阶弯振，在每个振动周期的上半周，该振子与动子不接触(见图2.(b))，动子不动；在每个振动周期的下半周，振子驱动头端面左部与动子齿面接触(图2.(c))，推动动子向右运动；当该驱动头左部位于动子齿槽处时(图2.(d))，动子不再被驱动；这时动子已向右方运动半个动子齿距，动子第一步的运动结束，定子左侧的角形振子驱动头端面左部已位于动子齿面上(见图2.(e))；现在将驱动信号切换给振动臂1，激励振动臂1一阶纵向振动，同时诱发振动臂2的二阶弯振，在每个振动周期的上半周，该振子与动子不接触(见图2.(f))，动子不动；在每个振动周期的下半周，振子驱动头端面左部与动子齿面接触(图2.(g))，推动动子向右运动；当该驱动头左部位于动子齿槽处时(图2.(h))，动子不再被驱动；这时动子又向右方运动半个动子齿距，动子第二步的运动结束，定子右侧的角形振子驱动头端面左部已位于动子齿面上(见图2.(i))；如此，交替激励振动臂1、3可实现电机动子向图示右方的直线步进运动，切换时间可由实验确定。
向图示左方直线步进运动分析见图3.(a-i)：
与上述方法同理，交替激励振动臂2、4可实现电机动子向图示左方的直线步进运动。
该步进超声电机可实现最小步距1mm，更小的步距可通过减小动子上的齿距来实现。
该电机连续直线运动可采用两种方法实现：
1)对振动臂1、3或2、4同时施加相位差为π的正弦激励，可实现动子正或反方向的连续直线运动；也可将振动臂1、3或2、4的压电陶瓷按激化方向反贴，这样对振动臂1、3或2、4同时施加同相位的正弦激励即可实现动子正或反方向的连续直线运动；
2)对振动臂1、2和3、4同时施加相位差为π/2或3π/2的正弦激励，可使得振子驱动头产生正、反方向的圆周运动。1、3间相位差为π，可实现动子正或反方向的连续直线运动。

Claims (3)

1.一种直线运动步进式超声电机，包括底座、定子、动子和压电陶瓷，其特征在于，所述定子(1)上有两个直角角形驱动振子(3)，每个直角角形驱动振子两个臂的根部分别粘贴有压电陶瓷(2)；所述动子(4)是下端面带有均匀分度齿槽的条形动子；利用片弹簧(6)提供的弹簧力经轴承(5)将条形动子带齿槽的面压在定子驱动头上。
2.根据权利要求1所述的直线运动步进式超声电机，其特征在于，用相位差为π/2的正弦信号同时激励一个振子的两个振动臂可使得振子头产生椭圆(或圆周)运动推动动子连续直线运动。
3.根据权利要求1或2所述的直线运动步进式超声电机，其特征在于，两个直角角形振子的同相振动臂的交替工作，推动动子实现电机的直线步进运动，步距等于动子相邻齿距的一半。
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