CN115967298A - 一种紧凑微型纵弯耦合直线超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于直线电机领域，公开了一种紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，包括基座、动子杆以及定子机构，动子杆和定子机构均设置在基座上，动子杆沿预定方向可移动地设置，定子机构呈至少有一个对称轴的五边形弹性杆架结构，且至少一个对称轴与预定方向垂直，将对称轴作为定子对称轴，将定子对称轴经过的定子机构的角点作为驱动角点；将定子对称轴经过的定子机构的边杆作为联动杆，驱动角点抵压在动子杆的表面上，联动杆的中点固定设置在基座上，定子机构还包括两对压电陶瓷片，两对压电陶瓷片均贴设在联动杆的表面，两对压电陶瓷片平行且沿定子对称轴对应布设，并且每对压电陶瓷片均关于定子对称轴对称。

Description

一种紧凑微型纵弯耦合直线超声电机

技术领域

本发明属于直线电机领域，公开了一种紧凑微型纵弯耦合直线超声电机。

背景技术

随着生物医疗、微加工等高精尖领域的广泛发展，更多实际生产需要完成微观任务，因此小巧灵活、高性能的微型电机需求越来越大。目前电磁电机是驱动单元主要的解决方案，但其性能会随体积的减小而大大降低。此外电磁电机还存在高转速低扭矩、有电磁辐射、结构单一、大多数电磁电机仅输出旋转运动等不足。随着新型功能材料的快速发展，超声电机作为一种新型的驱动单元得到广泛关注。

超声电机是利用逆压电效应将电能转化成机械能，而后经过摩擦传动，实现宏观运动和力传递的驱动器，具有断电自锁，响应速度快、无电磁干扰、能在高磁场和真空环境中工作，不需要任何转换机构即可实现直线运动等优点，因此成为微型电机的研究热点。

根据驱动波形的不同，超声电机可分为三种类型：行波型、表面声波型和驻波型。行波电机不易小型化，能耗大，主要输出旋转运动；声表面波型电机对工艺要求高，难以实用化。驻波超声电机结构紧凑，性能良好，不需要传动机构直接输出直线运动，是直线超声电机研究的主流。驻波型直线超声电机的主流是复合模态型直线超声电机，其结构紧凑，设计灵活，可以满足微小型驱动场合的需要。中国发明专利申请“一种压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置”(申请号为202110998666.0)中公开了定子、动子以及两对压电陶瓷片，定子是一根弹性的金属直梁，金属直梁具有与动子狭窄接触的结构，压电陶瓷片贴设在金属直梁的表面，通过压电陶瓷片使金属直梁发生局部形变而产生整体结构的振动，并且该振动通过与动子摩擦接触，驱动动子进行直线移动。

但该实施方式也具有一定的局限，电机定子采用实心设计，重量大，通过压电片输入的驱动电信号能消耗大，不能更高效的转化成定子微观振动，进而驱动动子运动。因此为了获得较大的负载驱动能力，往往结构相对较大，不能很好地满足狭窄场合的应用。此外，实心定子质量大，刚度高，会导致该超声电机的工作频率较高，也给驱动电路的设计带来困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，通过结构上的独特设计，使电机定子振动功率流更容易传递到其驱动足上，采用镂空结构，能够大大降低定子多余质量对其高频振动能量的消耗，从而使得该直线超声电机在同体积下的负载驱动能力显著提升，因而能够做到较小的体积，更利于狭窄场合的应用。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：

一种紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，其特征在于，包括：基座、动子杆以及定子机构，动子杆和定子机构均设置在基座上，动子杆沿预定方向可移动地设置，定子机构呈至少有一个对称轴的五边形弹性杆架结构，且至少一个对称轴与预定方向垂直，将对称轴作为定子对称轴，将定子对称轴经过的定子机构的角点作为驱动角点；将定子对称轴经过的定子机构的边杆作为联动杆，驱动角点抵压在动子杆的表面上，联动杆的中点固定设置在基座上，定子机构还包括两对压电陶瓷片，两对压电陶瓷片均贴设在联动杆的表面，两对压电陶瓷片平行且沿定子对称轴对应布设，并且每对压电陶瓷片均关于定子对称轴对称。

优选地，每对压电陶瓷片上单独加载激励信号，且两对压电陶瓷片对应的激励信号的相位差为持续交替的π/2或-π/2。

优选地，联动杆的中部沿定子对称轴朝向外侧对称凸出，并且联动杆呈“十”；将与定子对称轴平行的定子机构的相对边杆作为驱动杆，驱动杆的自由端与联动杆具有预定段差，两个驱动杆与联动杆呈横置的“王”。

优选地，定子机构具有一个对称轴。

优选地，驱动角点外凸形成驱动足，驱动角点通过驱动足与动子杆接触。

优选地，基座包括基座主体和定子安装台，基座主体具有安装凹槽，安装凹槽的内壁上具有导向滑轨，动子杆具有沿自身长度方向延伸且与导向滑轨配合的导向滑槽，动子杆通过导向滑槽设置在安装凹槽上，定子安装台设置在安装凹槽内，定子机构固设在定子安装台上，部分驱动角点超出定子安装台的边缘，并且驱动角点水平抵压在动子杆上。

进一步地，定子安装台沿定子对称轴可移动地设置在安装凹槽内，基座还包括调紧螺栓和预紧弹簧，调紧螺栓自基座主体的外部穿设进安装凹槽内，预紧弹簧位于安装凹槽内，并且预紧弹簧的两端分别水平抵接在调紧螺栓的端部的定子安装台的表面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.因为本发明的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机包括基座、动子杆以及定子机构，动子杆和定子机构均设置在基座上，动子杆沿预定方向可移动地设置，定子机构呈至少有一个对称轴的五边形弹性杆架结构，且至少一个对称轴与预定方向垂直，将对称轴作为定子对称轴，将定子对称轴经过的定子机构的角点作为驱动角点；将定子对称轴经过的定子机构的边杆作为联动杆，驱动角点抵压在动子杆的表面上，联动杆的中点固定设置在基座上，定子机构还包括两对压电陶瓷片，两对压电陶瓷片均贴设在联动杆的表面，两对压电陶瓷片平行且沿定子对称轴对应布设，并且每对压电陶瓷片均关于定子对称轴对称，两对压电陶瓷片通过联动杆使得五边形弹性结构的角点连锁发生振动，从而在叠加至驱动角点使得驱动角点具有周期性在预定方向内的水平平面且呈周期性重复出现的封闭驱动轨迹，并能够通过压电陶瓷片的激励波形调整驱动轨迹的曲度，使得整体结构的振动能量基本都被驱动角点驱动动子的驱动能量上，因此，本发明通过整体结构上的独有无边性弹性架杆涉及，能够大大降低整体结构振动能量被定子的多余质量消耗，采用镂空设计，从而使得直线超声电机在同体积下的负载驱动能力显著提升，因而能够做到较小的体积，因此更利于狭窄场合的应用。

2.因为本发明的每对压电陶瓷片上单独加载激励信号，且两对压电陶瓷片对应的激励信号的相位差为持续交替的π/2或-π/2，因此，本发明通过相位差为持续交替的π/2或-π/2的两个激励信号，同时激发定子机构的第一阶纵振模态和第二阶弯振模态；通过纵弯模态耦合，会使驱动角点产生椭圆的运动轨迹，从而经摩擦作用驱动动子运动。

3.因为本发明的联动杆的中部沿定子对称轴朝向外侧对称凸出，并且联动杆呈“十”；将与定子对称轴平行的定子机构的相对边杆作为驱动杆，驱动杆的自由端与联动杆具有预定段差，两个驱动杆与联动杆呈横置的“王”，因此，本发明通过“十”的联动杆构造，加强了联动杆固定安装部位的强度且对振幅具有增益；通过“王”的联动杆与驱动杆构造，提高了驱动杆的质量，进一步增益了整体结构的振幅。

附图说明

图1为本发明的实施例的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机的示意图；

图2为本发明的实施例的定子机构的示意图；

图3为本发明的实施例的压电陶瓷片的极化方向示意图；

图4(a)为本发明的实施例的定子机构的周期振动的过程示意图一；

图4(b)为本发明的实施例的定子机构的周期振动的过程示意图二；

图4(c)为本发明的实施例的定子机构的周期振动的过程示意图三；

图4(d)为本发明的实施例的定子机构的周期振动的过程示意图四。

图中：100、紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，10、基座，11、基座主体，11a、安装凹槽，11b、导向滑轨，X、预定方向，12、滑动台安装座，13、定子安装台，14、调紧螺栓，15、预紧弹簧，20、动子杆，30、定子机构，Y、定子对称轴，31、联动杆，32、驱动杆，33、从动杆，33a、驱动足，34、压电陶瓷片。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种紧凑微型纵弯耦合直线超声电机作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

如图1所示，本实施例中的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机100，包括基座10、动子杆20以及定子机构30。

基座10包括基座主体11、滑动台安装座12、定子安装台13、调紧螺栓14以及预紧弹簧15。

基座主体11具有形成于表面的安装凹槽11a和导向滑轨11b。

导向滑轨11b形成于安装凹槽11a的内壁上且沿预定方向X延伸，具体地，安装凹槽11a使得基座主体11呈“凹”，导向滑轨11b位于安装凹槽11a的一侧内壁上，并且预定方向X为水平方向。

滑动台安装座12设置在安装凹槽11a的底部且位于导向滑轨11b一侧内壁的近旁，具体地，滑动台安装座12呈“凹”。

定子安装台13设置在安装凹槽11a的滑动台安装座12内，并且定子安装台13沿与预定方向X垂直的水平方向可移动地设置在安装凹槽11a内，具体地，定子安装台13与滑动台安装座12通过各自表面的凹凸配合形成可移动设置。

调紧螺栓14自基座主体11的外部穿设进安装凹槽11a内，预紧弹簧15位于安装凹槽11a内，并且预紧弹簧15的两端分别水平抵接在调紧螺栓14的端部的定子安装台13的表面，具体地，与调紧螺栓14螺纹配合的是与导向滑轨11b一侧内壁相对的另一侧内壁，该内壁上开有与调紧螺栓14配合的螺纹通孔(附图中未示出)，从而通过旋转调紧螺栓14，能够调节预紧弹簧15施加在定子安装台13表面的力。

动子杆20沿预定方向可移动地设置在基座主体11上，动子杆20具有沿自身长度方向延伸且与导向滑轨11b配合的导向滑槽(附图中未示出)，从而动子杆20通过导向滑槽设置在安装凹槽11a的一侧内壁上。

如图2所示，定子机构30设置在定子安装台13上。

定子机构30呈至少有一个对称轴的五边形弹性杆架结构，具体地，定子机构30为相互连续形成一个弹性整体的联动杆31、驱动杆32以及从动杆33，并且定子机构30仅具有一个对称轴，在本实施例中，机构的杆均为方杆，并且该方杆的所有表面水平或竖直设置。

至少一个对称轴与预定方向X垂直，将对称轴作为定子对称轴Y，定子安装台13通过导轨凹槽配合沿定子对称轴Y可移动地设置在滑动台安装座12内，将定子对称轴Y经过的定子结构30的角点作为驱动角点；驱动角点外凸形成驱动足33a，驱动角点通过驱动足33a与动子杆20的表面接触，将定子对称轴Y经过的定子结构30的边杆作为联动杆31，驱动角点通过驱动足33a抵压在动子杆20的表面上，联动杆31的中点固定设置在定子安装台13上，具体地，联动杆31的中部沿定子对称轴Y朝向外侧对称凸出，并且联动杆31呈“十”；驱动杆32与定子对称轴Y平行，驱动杆32的自由端与联动杆31具有预定段差，两个驱动杆32与联动杆31呈横置的“王”,驱动杆32与联动杆垂直，驱动杆32中部凸出部分的中部具有螺纹孔，两个从动杆33形成一个等腰三角的两个腰边，相交处即为驱动角点，从而通过螺丝(附图中未示出)能够将定子机构通过上述螺纹孔安装在定子安装台13上，部分驱动角点即驱动足33a超出定子安装台13的边缘，并且驱动角点通过驱动足33a水平抵压在动子杆20上，通过预紧弹簧15施加在定子安装台13表面的力使得驱动足33a的表面抵压在动子杆20的表面，在本实施例中，中部凸出形成沿定子对称轴Y延伸的矩形体，沿预定方向X的定子机构30的总跨度范围为17mm-19mm；沿预定方向X的驱动杆32的跨度范围为1.7mm-2.3mm；沿定子对称轴Y的驱动杆32在定子机构30外侧的长度范围为6.7mm-7.3mm；沿定子对称轴Y的驱动杆32在定子机构30内侧的长度范围为6.2mm-6.8mm；沿定子对称轴Y的联动杆31的跨度范围为1.7mm-2.3mm；驱动足33a的表面呈优弧弧面，并且该弧形表面中涉及与动子杆20接触的面积占弧形表面总面积的比例最高值为55％。

如图3所示，定子机构30还包括两对压电陶瓷片34，两对压电陶瓷片34均贴设在联动杆31的表面，两对压电陶瓷片34平行且沿定子对称轴Y对应布设，并且每对压电陶瓷片34均关于定子对称轴Y对称。

每对压电陶瓷片34上单独加载激励信号，且两对压电陶瓷片34对应的激励信号的相位差为持续交替的π/2和-π/2，即两对压电陶瓷片34的极化方向呈对称分布。

具体地，两组压电陶瓷片34分别施加激励电信号Usin(ωt)和Ucos(ωt)；由于两各电信号始终存在π/2的相位差，可同时激发出定子机构30的第一阶纵振模态和第二阶弯振模态；模态通过纵弯模态耦合，会使驱动足33a处在水平面内产生椭圆运动，从而经摩擦作用驱动动子杆20进行直线运动。当正弦激励信号施加在压电片34a上，相位相差±π/2的余弦激励信号施加在压电片34b上，驱动动子杆20正向直线运动；切换驱动电极，当余弦信号施加在压电片34a上,相位相差±π/2的正弦激励信号施加在压电片34b上，驱动动子杆20反向直线运动。在本实施例中，通过对定子机构进行模态分析，当频率为67.948kHz时，驱动足33a沿定子对称轴Y的移动距离最大，当频率为67.877kHz时，驱动足33a沿预定方向X的移动距离最大；当两相模态的频率的差值为71Hz时，驱动功率和所需的信号输出源的工作的稳定性之间具有最佳的兼容性，并且超声电机定子的振动基本不会因两相模态频差过大原因而被消耗。

以下结合实施例对驱动足33a对动子杆20的一个驱动周期(一个周期的总时间为t)的定子机构30的振动情况进行说明：

如图4(a)所示，在t＝0到t＝t/4的时间内，驱动足33a因振动沿定子对称轴Y远离动子杆20移动，在此阶段，驱动凸点33a与动子杆20的表面接触；如图4(b)所示，在t＝t/4到t＝t/2的时间内，驱动足33a因振动沿预定方向X定向直线移动，在此阶段，驱动凸点33a与动子杆20的表面接触；如图4(c)所示，在t＝t/2到t＝3t/4的时间内，驱动足33a因振动沿定子对称轴Y朝向动子杆20移动，在此阶段，驱动凸点33a与动子杆20的表面在不接触；如图4(d)所示，在t＝3t/4到t＝t的时间内，驱动足33a因振动沿预定方向X定向反向直线移动，在此阶段，驱动凸点33a与动子杆20的表面保持脱离状态，由于在整个t的时间内，驱动足33a的运动轨迹呈一水平的椭圆，从而经过循环周期运动，实现动子杆20沿预定方向的持续移动。切换驱动电极，驱动足为反向水平椭圆运动，从而实现动子杆20反方向的持续直线运动。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，其特征在于，包括：

基座、动子杆以及定子机构，所述动子杆和所述定子机构均设置在所述基座上，所述动子杆沿预定方向可移动地设置，

所述定子机构呈至少有一个对称轴的五边形弹性杆架结构，且至少一个对称轴与所述预定方向垂直，将该对称轴作为定子对称轴，将该定子对称轴经过的所述定子结构的角点作为驱动角点；将所述定子对称轴经过的所述定子结构的边杆作为联动杆，所述驱动角点抵压在所述动子杆的表面上，所述联动杆的中点固定设置在所述基座上，

所述定子机构还包括两对压电陶瓷片，该两对压电陶瓷片均贴设在所述联动杆的表面，所述两对压电陶瓷片平行且沿所述定子对称轴对应布设，并且每对所述压电陶瓷片均关于所述定子对称轴对称。

2.根据权利要求1所述的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，其特征在于：

其中，每对所述压电陶瓷片上单独加载激励信号，且所述两对压电陶瓷片对应的激励信号的相位差为持续交替的π/2或-π/2。

3.根据权利要求1所述的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，其特征在于：

其中，所述联动杆的中部沿所述定子对称轴朝向外侧对称凸出，并且所述联动杆呈“十”；

将与所述定子对称轴平行的所述定子结构的相对边杆作为驱动杆，所述驱动杆的自由端与所述联动杆具有预定段差，两个所述驱动杆与所述联动杆呈横置的“王”。

4.根据权利要求1所述的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，其特征在于：

其中，所述定子机构具有一个对称轴。

5.根据权利要求1所述的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，其特征在于：

其中，所述驱动角点外凸形成驱动足，所述驱动角点通过所述驱动足与动子杆接触。

6.根据权利要求1所述的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，其特征在于：

其中，所述基座包括基座主体和定子安装台，

所述基座主体具有安装凹槽，该安装凹槽的内壁上具有导向滑轨，所述动子杆具有沿自身长度方向延伸且与所述导向滑轨配合的导向滑槽，所述动子杆通过所述导向滑槽设置在安装凹槽上，

所述定子安装台设置在所述安装凹槽内，所述定子机构固设在所述定子安装台上，部分所述驱动角点超出所述定子安装台的边缘，并且所述驱动角点水平抵压在所述动子杆上。

7.根据权利要求6所述的紧凑微型纵弯耦合直线超声电机，其特征在于：

其中，所述定子安装台沿所述定子对称轴可移动地设置在所述安装凹槽内，

所述基座还包括调紧螺栓和预紧弹簧，

所述调紧螺栓自所述基座主体的外部穿设进所述安装凹槽内，所述预紧弹簧位于所述安装凹槽内，并且所述预紧弹簧的两端分别水平抵接在所述调紧螺栓的端部的所述定子安装台的表面。

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