CN1913322A - 换能器耦合双向直线超声波电机及其激励方法 - Google Patents

Abstract

换能器耦合双向直线超声波电机及其激励方法，它涉及一种超声波电机及其激励方法。针对弯曲式、∏型和纵弯复合式直线超声波电机存在振幅小、驱动力小，输出功率小，激励方法单一的问题。本发明的拨齿(11－2)有四个并分别固定在基板(11－1)上，拨齿(11－2)的上端面粘贴有摩擦层(11－3)，换能器振子(12)的上端与基板(11－1)相连接，动子(1)的下端面与摩擦层(11－3)的上端面相接触，动子(1)的上端面与直线轴承(2)相接触，换能器振子(12)与支架(3)之间装有弹性加载装置(5)。本发明利用两个或多个换能器振子的纵向振动模式，通过螺钉与基板连接，使拨齿板耦合出弯曲振动，使拨齿产生不同方向的偏转，通过确定拨齿的位置和换能器振子的位置，采用相应的激励方式实现超声波电机的双向直线运动。

Description

换能器耦合双向直线超声波电机及其激励方法

技术领域

本发明涉及一种超声波电机及其激励方法。

背景技术

超声波电机是20世纪80年代逐渐发展起来的一种新型电机，其基本工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发弹性体作超声频域微振动，并通过摩擦传动转换成运动体的宏观转动或移动。直线超声波电机是一种正在发展中的新产品，目前，直线超声波电机分为三种类型：弯曲式直线超声波电机、∏型直线超声波电机和纵弯复合式直线超声波电机，已有这三种形式的直线超声波电机通常振幅较小，驱动力不大，输出功率小，并且激励方法也较单一。特别是弯曲式直线超声波电机不容易实现双向运动，存在控制性能差等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种换能器耦合双向直线超声波电机及其激励方法，它可解决弯曲式直线超声波电机、∏型直线超声波电机和纵弯复合式直线超声波电机存在振幅小、驱动力不大，输出功率小，激励方法单一的问题及弯曲式直线超声波电机存在不容易实现双向运动，控制性能差的问题。

本发明由动子、定子、直线轴承、支架、连接板、弹性加载装置和连接螺栓组成；所述的定子由拨齿板和换能器振子组成，所述的拨齿板由基板、拨齿和摩擦层组成；所述的拨齿由从左至右依次固定在基板上的拨齿一、拨齿二、拨齿三和拨齿四组成；拨齿一设置在基板所形成驻波的第一个波长λ1的1/8λ1或3/8λ1处，拨齿二设置在基板所形成驻波的第一个波长λ1的5/8λ1或7/8λ1处；拨齿三设置在基板所形成驻波的第二个波长λ2的1/8λ2或3/8λ2处，拨齿四设置在基板所形成驻波的第二个波长λ2的5/8λ2或7/8λ2处，拨齿一、拨齿二、拨齿三和拨齿四的上端面分别粘贴有摩擦层，换能器振子的上端与装在支架内的基板相连接，动子的下端面与摩擦层的上端面相接触，动子的上端面与直线轴承相接触，直线轴承与支架内的上端面相连接，换能器振子设置在支架的缺口内，所述的换能器振子由换能器振子一和换能器振子二组成，换能器振子一设置在换能器振子二对基板施振形成驻波的节点处或换能器振子二设置在换能器振子一对基板施振形成驻波的节点处，换能器振子与支架通过连接螺栓相连接，换能器振子与支架之间的连接螺栓上装有弹性加载装置，换能器振子通过螺栓二与连接板相连接；本发明的激励方法是这样完成的：采用单独对换能器振子一通电的激振方式、采用单独对换能器振子二通电的激振方式或采用对换能器振子一和换能器振子二同时通电的激振方式，此时换能器振子一和换能器振子二输入信号的相位差为90°或270°。

本发明具有以下有益效果：一、本发明设计的超声波电机，通过激发换能器振子做纵向振动，耦合出拨齿板的弯曲振动形成驻波，通过设置拨齿的位置和换能器振子的位置实现了动子的直线双向运动。二、本发明通过连接板将换能器振子一和换能器振子二连接起来，再通过连接螺栓与支架连接在一起，利用换能器振子的纵向振动对基板的激振点施振，实现了直线超声波电机高速、大推力、大功率的输出。三、本发明在换能器振子与支架之间设置弹性加载装置，通过调节预紧力，可保证摩擦层与动子之间及动子与直线轴承之间相接触，保证了双向直线超声波电机驱动的可靠性。四、本发明可采用单独对换能器振子一通电的激振方式，也可采用单独对换能器振子二通电的激振方式，还可采用对换能器振子一和换能器振子二同时通电的激振方式，当采用两个换能器振子同时激振时，换能器振子一和换能器振子二输入信号应有一定的相位差，一般相位差为90°或270°。五、本发明的超声波电机具有动态响应快、输出力大、移动速度快、功率高、能够实现双向运动等优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构俯视图，图2是对基板11-1的激振点I向上施振时，拨齿一11-2-1和拨齿三11-2-3两个拨齿产生向左驱动作用的波形图，图3是对图2中的激振点I向下施振时，拨齿二11-2-2和拨齿四11-2-4两个拨齿产生向左驱动作用的波形图，图4是将基板11-1在激振点I施振时所形成驻波节点作为激振点II，并对其向上施振时，拨齿二11-2-2和拨齿四11-2-4两个拨齿产生向右驱动作用的波形图，图5是对图4中的激振点II向下施振时，拨齿一11-2-1和拨齿三11-2-3两个拨齿产生向右驱动作用的波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由动子1、定子101、直线轴承2、支架3、连接板4、弹性加载装置5和连接螺栓6、螺钉一7、螺栓一8、螺栓二9组成；所述的定子101由拨齿板11和兰文杰换能器振子12组成，所述的拨齿板11由基板11-1、拨齿11-2和摩擦层11-3组成；所述的拨齿11-2由从左至右依次固定在基板11-1上的拨齿一11-2-1、拨齿二11-2-2、拨齿三11-2-3和拨齿四11-2-4组成；拨齿一11-2-1设置在基板11-1所形成驻波的第一个波长λ1的1/8λ1或3/8λ1处，拨齿二11-2-2设置在基板11-1所形成驻波的第一个波长λ1的5/8λ1或7/8λ1处；拨齿三11-2-3设置在基板11-1所形成驻波的第二个波长λ2的1/8λ2或3/8λ2处，拨齿四11-2-4设置在基板11-1所形成驻波的第二个波长λ2的5/8λ2或7/8λ2处，实际应用时，由于精度所限，拨齿一11-2-1设置在第一个波长λ1的1/8λ1或3/8λ1附近、拨齿二11-2-2设置在第一个波长λ1的5/8λ1或7/8λ1附近、拨齿三11-2-3设置在第二个波长λ2的1/8λ2或3/8λ2附近及拨齿四11-2-4设置在第二个波长的λ2的5/8λ2或7/8λ2附近均在本发明的保护范围内，拨齿一11-2-1、拨齿二11-2-2、拨齿三11-2-3和拨齿四11-2-4的上端面分别粘贴有摩擦层11-3，可增大摩擦力，提高电机的输出效率，兰文杰换能器振子12的上端与装在支架3内的基板11-1通过螺钉一7相连接，动子1的下端面与摩擦层11-3的上端面相接触，动子1的上端面与直线轴承2相接触，直线轴承2与支架3内的上端面通过螺栓一8连接；换能器振子12设置在支架3的缺口3-1内，所述的兰文杰换能器振子12由换能器振子一12-1和换能器振子二12-2组成，换能器振子一12-1设置在换能器振子二12-2对基板11-1施振形成驻波的节点处或换能器振子二12-2设置在换能器振子一12-1对基板11-1施振形成驻波的节点处，兰文杰换能器振子12与支架3通过连接螺栓6相连接，兰文杰换能器振子12与支架3之间的连接螺栓6上装有弹性加载装置5，所述的弹性加载装置5为圆柱螺旋弹簧或碟型弹簧，兰文杰换能器振子12与连接板4通过螺栓二9连接，所述的摩擦层11-3由塑料基摩擦材料制成，所述的塑料基摩擦材料为改性聚四氟乙烯、改性酚醛树脂、改性环氧树脂或聚苯酯复合材料，采用上述材料可提高耐磨性能，所述的直线轴承2的型号为LM-60。

本实施方式中的兰文杰换能器振子12可根据所需输出功率、动子行程等要求采用多个换能器振子和多个拨齿11-2。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的换能器振子一12-1和换能器振子二12-2分别由前匹配块20、压电陶瓷片一21、薄铜片22、压电陶瓷片二23、法兰24、后匹配块25和螺钉26组成；前匹配块20由铝、钢、铜或钛合金制成，后匹配块25由铝、钛合金、钢或铜制成，所述的前匹配块20由前至后依次由制成一体的小圆柱体20-1、曲面形过渡体20-2和大圆柱体20-3组成，如此设计，具有较好的聚能效果，驱动效率高；换能器振子一12-1和换能器振子二12-2由前至后依次设置有前匹配块20、压电陶瓷片一21、薄铜片22、压电陶瓷片二23、法兰24和后匹配块25，法兰24设置在换能器振子12的节面位置处，节面是指换能器振子12振动位移为零的面，实际应用时，由于精度所限，法兰24设置在节面位置附近也在本发明的保护范围内，前匹配块20、压电陶瓷片一21、薄铜片22、压电陶瓷片二23、法兰24和后匹配块25通过螺钉26连接固定，法兰24与支架3通过所述的连接螺栓6连接固定，法兰24与连接板4之间通过所述的螺栓二9连接，前匹配块20与基板11-1之间通过螺钉一7连接。本实施方式中的压电陶瓷片采用两个，即压电陶瓷片一21和压电陶瓷片二23，为了提高能量，压电陶瓷片还可采用四片、六片或更多片。使用时，将薄铜片22的一端通过导线与电源相连接，将法兰24或支架3的另一端接地。本实施方式中，所采用的压电陶瓷片一21和压电陶瓷片二23的型号可为：PZT-4或PZT-8。

具体实施方式三：本实施方式的换能器耦合双向直线超声波电机的激励方法是这样完成的：采用单独对换能器振子一12-1通电的激振方式，通过施加与换能器振子一12-1相吻合的高频交流电压，能够实现动子1向左运动；本实施方式中还可采用单独对换能器振子二12-2通电的激振方式，通过施加与换能器振子二12-2相吻合的高频交流电压，能够实现动子1向右运动；本实施方式中还可采用对换能器振子一12-1和换能器振子二12-2同时通电的激振方式，此时换能器振子一12-1和换能器振子二12-2输入信号的相位差一般为90°或270°。采用上述激励方式可实现电机的双向直线运动。

工作原理是：本发明利用兰文杰换能器振子12的纵向振动模式，通过螺钉一7连接耦合出拨齿板11的弯曲振动，使拨齿11-2产生偏转，从而驱动双向直线超声波电机运动。

其具体运动方式是：当对基板11-1的激振点I向上施振时，拨齿一11-2-1、拨齿三11-2-3上起振并产生向左位移分量和向左的驱动力，通过与动子1接触摩擦而驱动动子1向左运动(参见附图2)，从而驱动电机向左运动；当对基板11-1的激振点I向下施振时，拨齿二11-2-2、拨齿四11-2-4上起振并产生向左位移分量和向左的驱动力，通过与动子1接触摩擦而驱动动子1向左运动(参见附图3)，从而驱动电机向左运动；当对基板11-1在激振点I施振时所形成驻波节点处的激振点II向上施振时，拨齿二11-2-2、拨齿四11-2-4上起振并产生向右位移分量和向右的驱动力，通过与动子1接触摩擦而驱动动子1向右运动(参见附图4)，从而驱动电机向右运动；当对基板11-1在激振点I施振时所形成驻波节点处的激振点II向下施振时，拨齿一11-2-1、拨齿三11-2-3上起振并产生向右位移分量和向右的驱动力，通过与动子1接触摩擦而驱动动子1向右运动(参见附图5)，从而驱动电机向右运动。

综合以上分析可知，两个激振点间隔施振或以一定组合方式同时施振，拨齿11-2可以产生左右两个方向的驱动力，实现电机的双向直线运动。

Claims (10)

1、一种换能器耦合双向直线超声波电机，它由动子(1)、定子(101)、直线轴承(2)、支架(3)、连接板(4)、弹性加载装置(5)和连接螺栓(6)组成；其特征在于所述的定子(101)由拨齿板(11)和换能器振子(12)组成，所述的拨齿板(11)由基板(11-1)、拨齿(11-2)和摩擦层(11-3)组成；所述的拨齿(11-2)由从左至右依次固定在基板(11-1)上的拨齿一(11-2-1)、拨齿二(11-2-2)、拨齿三(11-2-3)和拨齿四(11-2-4)组成；拨齿一(11-2-1)设置在基板(11-1)所形成驻波的第一个波长λ1的1/8λ1或3/8λ1处，拨齿二(11-2-2)设置在基板(11-1)所形成驻波的第一个波长λ1的5/8λ1或7/8λ1处；拨齿三(11-2-3)设置在基板(11-1)所形成驻波的第二个波长λ2的1/8λ2或3/8λ2处，拨齿四(11-2-4)设置在基板(11-1)所形成驻波的第二个波长λ2的5/8λ2或7/8λ2处，拨齿一(11-2-1)、拨齿二(11-2-2)、拨齿三(11-2-3)和拨齿四(11-2-4)的上端面分别粘贴有摩擦层(11-3)，换能器振子(12)的上端与装在支架(3)内的基板(11-1)相连接，动子(1)的下端面与摩擦层(11-3)的上端面相接触，动子(1)的上端面与直线轴承(2)相接触，直线轴承(2)与支架(3)内的上端面相连接；换能器振子(12)设置在支架(3)的缺口(3-1)内，所述的换能器振子(12)由换能器振子一(12-1)和换能器振子二(12-2)组成，换能器振子一(12-1)设置在换能器振子二(12-2)对基板(11-1)施振形成驻波的节点处或换能器振子二(12-2)设置在换能器振子一(12-1)对基板(11-1)施振形成驻波的节点处，换能器振子(12)与支架(3)通过连接螺栓(6)相连接，换能器振子(12)与支架(3)之间的连接螺栓(6)上装有弹性加载装置(5)，换能器振子(12)与连接板(4)相连接。

2、根据权利要求1所述的换能器耦合双向直线超声波电机，其特征在于所述的换能器振子一(12-1)和换能器振子二(12-2)分别由前匹配块(20)、压电陶瓷片一(21)、薄铜片(22)、压电陶瓷片二(23)、法兰(24)、后匹配块(25)和螺钉(26)组成；换能器振子一(12-1)和换能器振子二(12-2)由前至后依次设置有前匹配块(20)、压电陶瓷片一(21)、薄铜片(22)、压电陶瓷片二(23)、法兰(24)和后匹配块(25)，法兰(24)设置在换能器振子(12)的节面位置处，前匹配块(20)、压电陶瓷片一(21)、薄铜片(22)、压电陶瓷片二(23)、法兰(24)和后匹配块(25)通过螺钉(26)连接固定，法兰(24)与支架(3)通过所述的连接螺栓(6)连接固定，法兰(24)与连接板(4)相连接，前匹配块(20)与基板(11-1)相连接。

3、根据权利要求2所述的换能器耦合双向直线超声波电机，其特征在于所述的前匹配块(20)由铝、钢、铜或钛合金制成，所述的后匹配块(25)由铝、钛合金、钢或铜制成。

4、根据权利要求2所述的换能器耦合双向直线超声波电机，其特征在于所述的前匹配块(20)由前至后依次由制成一体的小圆柱体(20-1)、曲面形过渡体(20-2)和大圆柱体(20-3)组成。

5、根据权利要求1所述的换能器耦合双向直线超声波电机，其特征在于所述的弹性加载装置(5)为圆柱螺旋弹簧或碟型弹簧。

6、根据权利要求1所述的换能器耦合双向直线超声波电机，其特征在于所述的摩擦层(11-3)由塑料基摩擦材料制成。

7、根据权利要求6所述的换能器耦合双向直线超声波电机，其特征在于所述的塑料基摩擦材料为改性聚四氟乙烯、改性酚醛树脂、改性环氧树脂或聚苯酯复合材料。

8、一种如权利要求1所述的换能器耦合双向直线超声波电机的激励方法，其特征在于所述的激励方法是这样完成的：采用单独对换能器振子一(12-1)通电的激振方式。

9、一种如权利要求1所述的换能器耦合双向直线超声波电机的激励方法，其特征在于所述的激励方法是这样完成的：采用单独对换能器振子二(12-2)通电的激振方式。

10、一种如权利要求1所述的换能器耦合双向直线超声波电机的激励方法，其特征在于所述的激励方法是这样完成的：采用对换能器振子一(12-1)和换能器振子二(12-2)同时通电的激振方式，此时换能器振子一(12-1)和换能器振子二(12-2)输入信号的相位差为90°或270°。

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