直線型超聲電機及其驅動振子的製作方法

2023-09-13 03:02:55 2

專利名稱：直線型超聲電機及其驅動振子的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用壓電效應的電動機。
直線型超聲電機是一種由電能直接轉換成直線運動機械能的新型電機，具有直接驅動、控制性好、無噪聲、無磁性等優點，特別適合於小型、精密的直線運動裝置。它由壓電元件和彈性體共同組成驅動振子，利用壓電元件激勵出彈性體的超聲頻域共振，然後藉助摩擦力帶動移動體作直線運動。因此，適於實用的產品應該具有大的輸出推力，同時結構簡單、體積小。目前已有的直線型超聲電機中，當採用結構簡單的壓電元件(如直接粘貼壓電陶瓷片)使體積較小時，則普遍存在輸出推力不大的缺陷(一般為0.4～4N)；若要使輸出推力達到10N以上，則要採用結構複雜的壓電元件如層疊型壓電作動器，但該作動器存在製作難、成本高的問題，或者採用普通夾心式振子在彈性梁的兩端產生振動，但該結構使整體體積過於龐大且效率很低。
本發明的目的在於提供一種結構簡單而輸出推力大(達到10N以上)的直線型超聲電機及其驅動振子。
本發明提出的驅動振子其壓電元件採用壓電陶瓷片，彈性體分為前蓋和後蓋，前蓋的前部為平板狀、後部為柱狀，後蓋為柱狀，前蓋的後部與後蓋之間夾持壓電陶瓷片，前蓋的前部板面上貼合壓電陶瓷片。
本發明提出的直線型超聲電機由上述驅動振子與導軌等部件所組成，驅動振子通過夾持器定位，導軌下方設置底板，夾持器與底板之間通過緊固連杆聯為一體，使驅動振子垂直於導軌放置，並使前蓋的前部端面與導軌的上平面相接觸，緊固連杆上設置預壓力調整機構，底板與導軌之間設置直線運動導向件，夾持器與底板之間還設置垂直導向板。
驅動振子是超聲電機的核心部件。本發明所提出的驅動振子是一種夾心式柱狀振子與板狀振子的複合體，它將柱狀振子的縱向振動模態與板狀振子的橫向彎曲振動模態相結合，以縱向振動模態作垂直於導軌面方向的激振(即縱向激振)，以橫向彎曲振動模態作平行於導軌面方向的激振(即橫向激振)。夾心式柱狀振子通過在柱狀的前蓋4和後蓋2之間夾持壓電陶瓷片3而構成，通過緊固件或粘接劑將三者聯為一體，以採用緊固件為佳，緊固件1可置於柱狀振子的中間或外圍；柱狀截面可以是圓形、方形或其它形狀，壓電陶瓷片的形狀可與柱狀截面相適應。將前蓋的前部製作成板狀，在其平面上貼合壓電陶瓷片5就構成板狀振子，貼合的方式可以採用粘接劑或緊固件，以採用粘接劑為佳。板狀振子還兼作柱狀振子的聚能器，使柱狀振子的振動能量更集中、振動力更大。前蓋和後蓋均可採用金屬或陶瓷製作，壓電陶瓷片應採用發射型。驅動振子各部分的尺寸設計應使縱向振動與橫向振動的共振頻率達到一致。
將上述驅動振子構成超聲電機時，通過夾持器、底板和緊固連杆等使驅動振子垂直放置在導軌上，即夾持器8通過緊固件14與驅動振子6相連，底板11則置於導軌10的下方，可沿導軌作相對移動，緊固連杆7將夾持器與底板聯在一起，並使驅動振子前蓋的前部端面與導軌的上平面相接觸且板面垂直於導軌上表面並與導軌的橫截面平行，從而使驅動振子與導軌等部件一起組成超聲電機的主體，通過設置在緊固連杆上的預壓力調整機構13向驅動振子施加預壓力，預壓力調整機構可採用彈簧與螺母或彈簧與卡環等結構，底板與導軌之間設置的直線運動導向件12可採用導向輪或導向槽等結構，使驅動振子和底板一起沿導軌作直線運動，垂直導向板9的一端卡在夾持器側面的導向槽內呈精密滑動配合、另一端通過緊固件與夾持器的底板相連，以保證驅動振子在運動過程中其軸線與導軌面保持垂直。
壓電陶瓷片在交變電流的作用下激勵出縱、橫兩個方向的共振，從而在驅動振子與導軌相接觸的部位疊加成電機驅動所需的橢圓運動，進而使驅動振子在摩擦力的作用下產生沿導軌的直線運動。由於採用柱狀振子作縱向激振、板狀振子作橫向激振並將兩者複合為一體，亦未採用特殊結構或特殊要求的壓電元件，因此，本發明的驅動振子及其超聲電機結構簡單、體積小、成本低；同時由於採用夾心式複合驅動振子，一方面其振動發生力大，可對驅動振子施加大的預壓力，從而獲得大的輸出推力，還能得到大的斷電自鎖力，另一方面其振動位移大，降低了對導軌表面精度的要求，所以可實現大的行程此外，由於本發明的驅動振子為對稱結構且垂直於導軌布置，因此還可以實現雙向運動，即正反兩向運動切換靈活，性能一致。
附

圖1．本發明的驅動振子的結構示意圖。
附圖2．附圖1的俯視圖。
附圖3．本發明的超聲電機的結構示意圖。
附圖4．附圖3的俯視圖。
從附圖中可以看出，本發明的實施例採用了圓柱體的夾心式柱狀振子，外徑為20mm，板狀振子的厚度為4mm，驅動振子總長度為100mm，所用的壓電陶瓷片為PZT-4，尺寸各為φ20×φ5×2mm和20×5×1mm，柱狀振子上的壓電陶瓷片與前、後蓋之間採用緊固螺栓連接，板狀振子上的壓電陶瓷片採用環氧樹脂粘貼，導軌長度(即電機行程)為500mm，夾持器和底板之間的緊固連杆為4根，每根連杆上均設由彈簧與螺母構成的預壓力調整機構，預壓力設定的為80N，導向輪亦為4個，以保證運動狀態的穩定，導軌的驅動面上未使用摩擦材料，驅動頻率為23kHz，測試結果表明，電機的輸出推力達到11N，斷電自鎖力為20N，輸出功率達1.4W，運行穩定，散熱良好，兩向運動切換靈活且輸出特性一致。如果在驅動面上使用了摩擦材料，則效果將會更好。
權利要求
1．一種直線型超聲電機的驅動振子，包括壓電元件和彈性體，其特徵在於壓電元件採用壓電陶瓷片，彈性體分為前蓋和後蓋，前蓋(4)的前部為平板狀、後部為柱狀，後蓋(2)為柱狀，前蓋的後部與後蓋之間夾持壓電陶瓷片(3)，前蓋的前部板面上貼合壓電陶瓷片(5)。
2．一種直線型超聲電機，包括驅動振子和導軌等，其特徵在於驅動振子(6)的結構如權利要求1所述，驅動振子通過夾持器(8)定位，導軌(10)的下方設置底板(11)，夾持器與底板之間通過緊固連杆(7)聯為一體，使驅動振子垂直於導軌放置且前蓋的前部端面與導軌的上平面相接觸，緊固連杆上設置預壓力調整機構(13)，底板與導軌之間設置直線運動導向件(12)，夾持器與底板之間還設置垂直導向板(9)。
全文摘要
本發明涉及利用壓電效應的電動機。提出了一種由夾心式柱狀振子與板狀振子複合而成的驅動振子以及根據該驅動振子設計的超聲電機,驅動振子(6)垂直於導軌(10),其壓電元件採用壓電陶瓷片,以柱狀振子作縱向激振,以板狀振子作橫向激振,結構簡單、成本低,可獲得大的輸出推力和斷電自鎖力,並可實現大的行程和雙向運動。
文檔編號H02N2/02GK1235404SQ9811128
公開日1999年11月17日 申請日期1998年5月7日 優先權日1998年5月7日
發明者趙淳生, 李朝東, 金龍 申請人:南京航空航天大學