專利名稱：直線型超聲電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)振子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用壓電效應(yīng)的電動(dòng)機(jī)。
直線型超聲電機(jī)是一種由電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的新型電機(jī)，具有直接驅(qū)動(dòng)、控制性好、無(wú)噪聲、無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于小型、精密的直線運(yùn)動(dòng)裝置。它由壓電元件和彈性體共同組成驅(qū)動(dòng)振子，利用壓電元件激勵(lì)出彈性體的超聲頻域共振，然后借助摩擦力帶動(dòng)移動(dòng)體作直線運(yùn)動(dòng)。因此，適于實(shí)用的產(chǎn)品應(yīng)該具有大的輸出推力，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。目前已有的直線型超聲電機(jī)中，當(dāng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的壓電元件(如直接粘貼壓電陶瓷片)使體積較小時(shí)，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(dá)到10N以上，則要采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓電元件如層疊型壓電作動(dòng)器，但該作動(dòng)器存在制作難、成本高的問(wèn)題，或者采用普通夾心式振子在彈性梁的兩端產(chǎn)生振動(dòng)，但該結(jié)構(gòu)使整體體積過(guò)于龐大且效率很低。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而輸出推力大(達(dá)到10N以上)的直線型超聲電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)振子。
本發(fā)明提出的驅(qū)動(dòng)振子其壓電元件采用壓電陶瓷片，彈性體分為前蓋和后蓋，前蓋的前部為平板狀、后部為柱狀，后蓋為柱狀，前蓋的后部與后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(fā)明提出的直線型超聲電機(jī)由上述驅(qū)動(dòng)振子與導(dǎo)軌等部件所組成，驅(qū)動(dòng)振子通過(guò)夾持器定位，導(dǎo)軌下方設(shè)置底板，夾持器與底板之間通過(guò)緊固連桿聯(lián)為一體，使驅(qū)動(dòng)振子垂直于導(dǎo)軌放置，并使前蓋的前部端面與導(dǎo)軌的上平面相接觸，緊固連桿上設(shè)置預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)，底板與導(dǎo)軌之間設(shè)置直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向件，夾持器與底板之間還設(shè)置垂直導(dǎo)向板。
驅(qū)動(dòng)振子是超聲電機(jī)的核心部件。本發(fā)明所提出的驅(qū)動(dòng)振子是一種夾心式柱狀振子與板狀振子的復(fù)合體，它將柱狀振子的縱向振動(dòng)模態(tài)與板狀振子的橫向彎曲振動(dòng)模態(tài)相結(jié)合，以縱向振動(dòng)模態(tài)作垂直于導(dǎo)軌面方向的激振(即縱向激振)，以橫向彎曲振動(dòng)模態(tài)作平行于導(dǎo)軌面方向的激振(即橫向激振)。夾心式柱狀振子通過(guò)在柱狀的前蓋4和后蓋2之間夾持壓電陶瓷片3而構(gòu)成，通過(guò)緊固件或粘接劑將三者聯(lián)為一體，以采用緊固件為佳，緊固件1可置于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(yīng)。將前蓋的前部制作成板狀，在其平面上貼合壓電陶瓷片5就構(gòu)成板狀振子，貼合的方式可以采用粘接劑或緊固件，以采用粘接劑為佳。板狀振子還兼作柱狀振子的聚能器，使柱狀振子的振動(dòng)能量更集中、振動(dòng)力更大。前蓋和后蓋均可采用金屬或陶瓷制作，壓電陶瓷片應(yīng)采用發(fā)射型。驅(qū)動(dòng)振子各部分的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)使縱向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的共振頻率達(dá)到一致。
將上述驅(qū)動(dòng)振子構(gòu)成超聲電機(jī)時(shí)，通過(guò)夾持器、底板和緊固連桿等使驅(qū)動(dòng)振子垂直放置在導(dǎo)軌上，即夾持器8通過(guò)緊固件14與驅(qū)動(dòng)振子6相連，底板11則置于導(dǎo)軌10的下方，可沿導(dǎo)軌作相對(duì)移動(dòng)，緊固連桿7將夾持器與底板聯(lián)在一起，并使驅(qū)動(dòng)振子前蓋的前部端面與導(dǎo)軌的上平面相接觸且板面垂直于導(dǎo)軌上表面并與導(dǎo)軌的橫截面平行，從而使驅(qū)動(dòng)振子與導(dǎo)軌等部件一起組成超聲電機(jī)的主體，通過(guò)設(shè)置在緊固連桿上的預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)13向驅(qū)動(dòng)振子施加預(yù)壓力，預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)可采用彈簧與螺母或彈簧與卡環(huán)等結(jié)構(gòu)，底板與導(dǎo)軌之間設(shè)置的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向件12可采用導(dǎo)向輪或?qū)虿鄣冉Y(jié)構(gòu)，使驅(qū)動(dòng)振子和底板一起沿導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)，垂直導(dǎo)向板9的一端卡在夾持器側(cè)面的導(dǎo)向槽內(nèi)呈精密滑動(dòng)配合、另一端通過(guò)緊固件與夾持器的底板相連，以保證驅(qū)動(dòng)振子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其軸線與導(dǎo)軌面保持垂直。
壓電陶瓷片在交變電流的作用下激勵(lì)出縱、橫兩個(gè)方向的共振，從而在驅(qū)動(dòng)振子與導(dǎo)軌相接觸的部位疊加成電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的橢圓運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使驅(qū)動(dòng)振子在摩擦力的作用下產(chǎn)生沿導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)。由于采用柱狀振子作縱向激振、板狀振子作橫向激振并將兩者復(fù)合為一體，亦未采用特殊結(jié)構(gòu)或特殊要求的壓電元件，因此，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)振子及其超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低；同時(shí)由于采用夾心式復(fù)合驅(qū)動(dòng)振子，一方面其振動(dòng)發(fā)生力大，可對(duì)驅(qū)動(dòng)振子施加大的預(yù)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(dòng)位移大，降低了對(duì)導(dǎo)軌表面精度的要求，所以可實(shí)現(xiàn)大的行程此外，由于本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)振子為對(duì)稱結(jié)構(gòu)且垂直于導(dǎo)軌布置，因此還可以實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)，即正反兩向運(yùn)動(dòng)切換靈活，性能一致。
附

圖1．本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)振子的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2．附圖1的俯視圖。
附圖3．本發(fā)明的超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4．附圖3的俯視圖。
從附圖中可以看出，本發(fā)明的實(shí)施例采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(qū)動(dòng)振子總長(zhǎng)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、后蓋之間采用緊固螺栓連接，板狀振子上的壓電陶瓷片采用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼，導(dǎo)軌長(zhǎng)度(即電機(jī)行程)為500mm，夾持器和底板之間的緊固連桿為4根，每根連桿上均設(shè)由彈簧與螺母構(gòu)成的預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)，預(yù)壓力設(shè)定的為80N，導(dǎo)向輪亦為4個(gè)，以保證運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定，導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)面上未使用摩擦材料，驅(qū)動(dòng)頻率為23kHz，測(cè)試結(jié)果表明，電機(jī)的輸出推力達(dá)到11N，斷電自鎖力為20N，輸出功率達(dá)1.4W，運(yùn)行穩(wěn)定，散熱良好，兩向運(yùn)動(dòng)切換靈活且輸出特性一致。如果在驅(qū)動(dòng)面上使用了摩擦材料，則效果將會(huì)更好。
權(quán)利要求
1．一種直線型超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)振子，包括壓電元件和彈性體，其特征在于壓電元件采用壓電陶瓷片，彈性體分為前蓋和后蓋，前蓋(4)的前部為平板狀、后部為柱狀，后蓋(2)為柱狀，前蓋的后部與后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(jī)，包括驅(qū)動(dòng)振子和導(dǎo)軌等，其特征在于驅(qū)動(dòng)振子(6)的結(jié)構(gòu)如權(quán)利要求1所述，驅(qū)動(dòng)振子通過(guò)夾持器(8)定位，導(dǎo)軌(10)的下方設(shè)置底板(11)，夾持器與底板之間通過(guò)緊固連桿(7)聯(lián)為一體，使驅(qū)動(dòng)振子垂直于導(dǎo)軌放置且前蓋的前部端面與導(dǎo)軌的上平面相接觸，緊固連桿上設(shè)置預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)(13)，底板與導(dǎo)軌之間設(shè)置直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向件(12)，夾持器與底板之間還設(shè)置垂直導(dǎo)向板(9)。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用壓電效應(yīng)的電動(dòng)機(jī)。提出了一種由夾心式柱狀振子與板狀振子復(fù)合而成的驅(qū)動(dòng)振子以及根據(jù)該驅(qū)動(dòng)振子設(shè)計(jì)的超聲電機(jī),驅(qū)動(dòng)振子(6)垂直于導(dǎo)軌(10),其壓電元件采用壓電陶瓷片,以柱狀振子作縱向激振,以板狀振子作橫向激振,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,可獲得大的輸出推力和斷電自鎖力,并可實(shí)現(xiàn)大的行程和雙向運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02N2/02GK1235404SQ9811128
公開(kāi)日1999年11月17日 申請(qǐng)日期1998年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月7日
發(fā)明者趙淳生, 李朝東, 金龍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)