CN105048862A - 基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，属于惯性直线型超声电机的技术领域。电机包括：定子、底板、动子，定子包括结构对称的两个矩形法兰文振子以及定子对称轴上的驱动杆，每个法兰文振子包括：通过螺栓固定的前端块、压电陶瓷片、夹持件、后端块，夹持件上开有通过螺纹与底板链接的通孔，压电陶瓷片安置在弯曲振动的波峰处，两个法兰文振子通过其前端块与驱动杆连接，动子套在驱动杆上。本发明利用矩阵振子一阶弯曲振动以及压电陶瓷沿厚度方向振动的效应，简化了电机结构且便于安装调节，弯曲振动是低阶模态因而振动频率低且包含的能量大，有利于增加驱动杆的振动幅值，提高振动能量的利用率，取得更好的振动效果。

Description

基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机

技术领域

本发明公开了基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，属于惯性直线型超声电机的技术领域。

背景技术

直线超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，它利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，并通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线（旋转）运动，直接推动负载。它具有结构紧凑、低速大扭矩、响应快、定位精度高和电磁兼容性等优点。在航空航天、武器装备和精密驱动领域有着广泛的应用前景。

目前国内直线超声电机的研究发展很快，清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校先后对直线超声电机展开了研究。在中国专利网上，从2004年开始陆续公开了申请号为200510046044.9名称为“环形驻波直线超声电机”的专利、申请号为200610132316.1名称为“棱柱型纵弯复合振子直线超声电机”的专利。近年来，南京航空航天大学研制成功了申请号为200710020963.8的专利所涉及的圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法、申请号为200810124426.2的专利所涉及的基于连续驱动杆原理的K形直线超声电机等。上述直线超声电机使用了定子结构的两项振动模态，并在驱动足处形成椭圆运动，该电机具有较大的推力和运动速度，但是两项模态要求具有相同的振动模态频率，而模态频率一致性对电机的设计提出了更高的要求。惯性直线超声电机是一类直线超声电机，它使用定子结构的一项模态，通过控制电机一项电信号输入形式，并利用动子的惯性驱动动子运动。由于惯性直线超声电机使用定子的一项模态，因此具有更加简单的结构，所以该电机更利于电机结构的小型化。

国内对于惯性式超声电机的研究非常少，申请号为200710020966.1名称为“方波驱动惯性式直线型压电电机”属于一种惯性式的压电电机，该电机定子主要由定子轴和复合压电换能器组成，动子为一带有缺口和环形凹槽的环。该电机的驱动主要是基于位移放大原理，复合压电换能器加上方波激励信号后，激发出层叠式压电陶瓷堆伸缩变形，从而引起定子轴沿轴向方向往返速度不同的振动，该专利是通过压电叠堆和利用位移放大机构来放大振幅。由于该电机没有使用结构的振动模态，振动频率低于超声频率，故不能称为超声电机。文献[Hyun-PhillKo,SangsigKim,SergjusN.Borodinas.Anoveltinyultrasoniclinearmotorusingtheradialmodeofabimorph.SensorsandActuatorsA125(2006)477–481]报道的惯性直线超声电机使用了圆形板结构的面外振动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，利用压电陶瓷激发定子结构的一阶弯振来增加其振幅，解决了动子运动效率地低以及单项电源不能驱动电机的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，包括：定子、底板、动子，所述定子包括：结构对称的两个矩形法兰文振子以及位于定子对称轴上的驱动杆，每个法兰文振子包括：通过螺栓固定的前端块、压电陶瓷片、夹持件、后端块，所述夹持件上开有通过螺纹与底板链接的通孔，所述压电陶瓷片安置在弯曲振动的波峰处，两个法兰文振子通过其前端块与驱动杆连接，动子套在驱动杆上。

进一步的，所述基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机中，每个法兰文振子包含位于夹持件两侧的压电陶瓷片组，其中，

每个压电陶瓷片组：包含两片压电陶瓷，各压电陶瓷片都有两个极化方向相反的分区以及分隔两分区的隔离通孔，压电陶瓷片靠近通孔一端的极化方向相互背离，压电陶瓷片远离通孔一端的极化方向与靠近通孔一端的极化方向相反。

更进一步的，所述基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机中，两个法兰文振子的前端块通过柔性铰链链接。

更进一步的，所述基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机中，通孔远离驱动杆。

更进一步的，所述基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机中，所述动子为带有开口的弹性圆环，弹性圆环的两端开有供紧固螺栓穿过的螺孔。

再进一步的，所述基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机中，驱动杆端部开有销孔。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）利用矩阵振子一阶弯曲振动以及压电陶瓷沿厚度方向振动的效应，发明了一种结构简单且便于安装调节的惯性直线型超声电机，弯曲振动是低阶模态因而振动频率低且包含的能量大，有利于增加驱动杆的振动幅值，提高振动能量的利用率，取得更好的振动效果；

（2）本发明使用了矩形结构的弯曲振动，相对圆形板结构的面外振动，矩形结构的弯曲振动具有高的振动效率，又因为本发明采用双法兰文振子结构，增加推力，因此所提出的惯性直线超声电机有助于提高惯性直线超声电机的输出力和速度；

（3）压电陶瓷片的极化方式只需要单相电源激励就能激发弯振，有利于电压的加载和调节；

（4）采用螺栓固定这样的刚对刚接触方式将整体固定在底板上，链接振子的柔性链接不仅弱化这种刚对刚的接触方式而且叠加两个振子的振动，提高了驱动杆的振动幅值，有利于力的传递；

（5）驱动杆上的销孔将动子限制在驱动杆上，防止动子在双向运动的过程中脱离驱动杆。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明惯性直线型超声电机的结构示意图；

图2是压电陶瓷极化方向的示意图；

图3是图1中定子的部分结构示意图；

图4是夹持件结构示意图；

图5是动子结构示意图；

图6方波驱动电源示意图。

图中标号说明：1、前端块，11、柔性铰链，2、夹持件，21、通孔，3、后端块，4、压电陶瓷片，5、底板，6、动子，7、驱动杆，71、销孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本领域的技术人员可以理解，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）具有本发明所属技术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。

本发明提出的基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，不仅可以提高动子的运动效率，而且只需要单项电源就能驱动，同时该超声电机又有结构设计简单，便于安装调节的特点。如图1所示，该惯性直线型超声电机包括前端块1、夹持件2、后端块3、压电陶瓷片4组成的定子、底板5和动子6。电机采用了矩形振子的一阶弯曲振动，利用了压电陶瓷片的d₃₃（沿厚度方向振动）效应，这样的好处在于矩形板的弯振和纵振相比，弯曲振动是低阶模态，振动频率低，所包含的能量大，有利于增加驱动杆7的振动幅值，提高振动能量的利用率，取得更好的振动效果。

定子如图1、图3、图4所示，包括结构对称的两个矩形法兰文振子以及位于定子对称轴上的驱动杆7。两个振子关于定子的对称轴对称放置可以同时和同向推动驱动杆7在对称轴上运动。每个法兰文振子包括：通过螺栓固定的前端块1、压电陶瓷片4、夹持件2、后端块3，夹持件2上开有通过螺纹与底板5链接的通孔21，压电陶瓷片4安置在弯曲振动的波峰处。两个法兰文振子通过其前端块与驱动杆7连接，动子6套在驱动杆7上。当电机工作时，驱动杆7的位移激励是由定子左右两边的弯振共同提供的，这样驱动杆7的振动比只有一个弯振提供动力时要大，而且力的输出也会有很大的提高；同时在前端块1的上部有一个弧形的柔性铰链11，它可以有效的将两种振动的效果叠加起来。在驱动杆7的端部有一销孔71，在销孔中插入一个销钉将动子6限制在驱动杆7上。如图5所示的动子6为一有开口的弹性圆环，弹性圆环的两端开有供紧固螺栓穿过的螺孔，动子6只有一个自由度且只能沿着驱动杆7前后运动。本发明采用了螺栓将整体固定在底板5上，这种连接方式属于一种刚对刚的接触方式，而柔性铰链11是一种柔性结构，正好可以弱化这种状况，提高驱动杆7的振动幅值，有利于力的传递。

该超声电机共有8块压电陶瓷片，在夹持件2的两边有2片压电陶瓷片构成的压电陶瓷片组各两组。压电陶瓷片采用分区极化，压电陶瓷片上的通孔将两个分区分隔且固定螺栓从该通孔穿过与前端块1、夹持件2、后端块3链接，靠近通孔21一端2片压电陶瓷片的极化方向相互背离，远离通孔21另一端2片压电陶瓷的极化方向与靠近通孔一端的极化方向相反，具体极化方向如图2所示。在两块压电陶瓷片之间有一块铜片可以用来通电。这样极化的好处在于只需要单项电源激励就能够激发弯振，同时也有利于电压的加载和调节。

夹持件2上有一个通孔21，通过螺栓将通孔固定在底板5上，通孔21远离驱动杆7，因为该超声电机利用的是一阶弯振的端部，而一阶弯振的中部可以上下移动，所以通孔21离驱动杆7越远，驱动杆的振动幅度就会越大，驱动效果就会越好。

后端块3为一个带有通孔的金属块，它和压电陶瓷片4、夹持件2以及前端块1通过螺栓固定，在螺栓处有一个铜片，垫片和弹簧垫片。铜片的作用为接地线，垫片和弹簧垫片主要起到了一个预紧的作用。

本发明的驱动原理结合图6来进一步说明：压电陶瓷片通正电后上端收缩下端膨胀，如果在交流电的作用下一个周期内收缩和膨胀交替出现。如果在图6所示的电压下工作时，在AB段动子6在静摩擦力的作用下和驱动杆7一起平稳地向上移动一定距离，在BC段当激励电压快速下降时，驱动杆7快速的向下移动，因为动子6的惯性力克服了滑动摩擦力，所以动子没有跟随驱动杆7向下移动而是继续向前运动一段距离。当AB段再次出现时，动子6又向前移动一段距离，如此周而复始，逐步积累位移，从而实现了动子沿驱动杆7向上的连续步进运动。同理，当加上反向激励信号时，动子6可实现沿驱动杆7反向的连续运动。可见，在一个运动周期内AB段为电源驱动动子6工作时间，BC段为动子6由于惯性向前运动阶段，在整个运动周期内动子6均向前运动，所以该超声电机能量的利用率高，驱动的效果好。方波（或锯齿波）驱动惯性式超声电机除了具有体积小、重量轻、精度和分辨率高、响应快，驱动电路简单的特点，可实现双向直线运动，从而可在精密机械设备及光学仪器设备的聚焦系统中得到很广阔的应用。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）利用矩阵振子一阶弯曲振动以及压电陶瓷沿厚度方向振动的效应，发明了一种结构简单且便于安装调节的惯性直线型超声电机，弯曲振动是低阶模态因而振动频率低且包含的能量大，有利于增加驱动杆的振动幅值，提高振动能量的利用率，取得更好的振动效果；

（2）本发明使用了矩形结构的弯曲振动，相对圆形板结构的面外振动，矩形结构的弯曲振动具有高的振动效率，又因为本发明采用双法兰文振子结构，增加推力，因此所提出的惯性直线超声电机有助于提高惯性直线超声电机的输出力和速度；

（3）压电陶瓷片的极化方式只需要单相电源激励就能激发弯振，有利于电压的加载和调节；

（4）采用螺栓固定这样的刚对刚接触方式将整体固定在底板上，链接振子的柔性链接不仅弱化这种刚对刚的接触方式而且叠加两个振子的振动，提高了驱动杆的振动幅值，有利于力的传递；

（5）驱动杆上的销孔将动子限制在驱动杆上，防止动子在双向运动的过程中脱离驱动杆。

Claims (6)

1.基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，包括：定子、底板（5）、动子（6），其特征在于，

所述定子包括：结构对称的两个矩形法兰文振子以及位于定子对称轴上的驱动杆（7），每个法兰文振子包括：通过螺栓固定的前端块（1）、压电陶瓷片（4）、夹持件（2）、后端块（3），所述夹持件（2）上开有通过螺纹与底板（5）链接的通孔（21），所述压电陶瓷片（4）安置在弯曲振动的波峰处，两个法兰文振子通过其前端块与驱动杆（7）连接，动子（6）套在驱动杆（7）上。

2.根据权利要求1所述的基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，其特征在于，每个法兰文振子包含位于夹持件（2）两侧的压电陶瓷片组，其中，

每个压电陶瓷片组：包含两片压电陶瓷，各压电陶瓷片都有两个极化方向相反的分区以及分隔两分区的隔离通孔，压电陶瓷片靠近通孔（21）一端的极化方向相互背离，压电陶瓷片远离通孔（21）一端的极化方向与靠近通孔（21）一端的极化方向相反。

3.根据权利要求1所述的基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，其特征在于，两个法兰文振子的前端块通过柔性铰链（11）链接。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，其特征在于，所述通孔（21）远离驱动杆（7）。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，其特征在于，所述动子（6）为带有开口的弹性圆环，弹性圆环的两端开有供紧固螺栓穿过的螺孔。

6.根据权利要求1或2或3所述的基于矩形板弯曲振动的惯性直线型超声电机，其特征在于，所述驱动杆（7）端部开有销孔（71）。