专利名称：直线型超声电机及其驱动振子的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用压电效应的电动机。
直线型超声电机是一种由电能直接转换成直线运动机械能的新型电机，具有直接驱动、控制性好、无噪声、无磁性等优点，特别适合于小型、精密的直线运动装置。它由压电元件和弹性体共同组成驱动振子，利用压电元件激励出弹性体的超声频域共振，然后借助摩擦力带动移动体作直线运动。因此，适于实用的产品应该具有大的输出推力，同时结构简单、体积小。目前已有的直线型超声电机中，当采用结构简单的压电元件(如直接粘贴压电陶瓷片)使体积较小时，则普遍存在输出推力不大的缺陷(一般为0.4～4N)；若要使输出推力达到10N以上，则要采用结构复杂的压电元件如层叠型压电作动器，但该作动器存在制作难、成本高的问题，或者采用普通夹心式振子在弹性梁的两端产生振动，但该结构使整体体积过于庞大且效率很低。
本发明的目的在于提供一种结构简单而输出推力大(达到10N以上)的直线型超声电机及其驱动振子。
本发明提出的驱动振子其压电元件采用压电陶瓷片，弹性体分为前盖和后盖，前盖的前部为平板状、后部为柱状，后盖为柱状，前盖的后部与后盖之间夹持压电陶瓷片，前盖的前部板面上贴合压电陶瓷片。
本发明提出的直线型超声电机由上述驱动振子与导轨等部件所组成，驱动振子通过夹持器定位，导轨下方设置底板，夹持器与底板之间通过紧固连杆联为一体，使驱动振子垂直于导轨放置，并使前盖的前部端面与导轨的上平面相接触，紧固连杆上设置预压力调整机构，底板与导轨之间设置直线运动导向件，夹持器与底板之间还设置垂直导向板。
驱动振子是超声电机的核心部件。本发明所提出的驱动振子是一种夹心式柱状振子与板状振子的复合体，它将柱状振子的纵向振动模态与板状振子的横向弯曲振动模态相结合，以纵向振动模态作垂直于导轨面方向的激振(即纵向激振)，以横向弯曲振动模态作平行于导轨面方向的激振(即横向激振)。夹心式柱状振子通过在柱状的前盖4和后盖2之间夹持压电陶瓷片3而构成，通过紧固件或粘接剂将三者联为一体，以采用紧固件为佳，紧固件1可置于柱状振子的中间或外围；柱状截面可以是圆形、方形或其它形状，压电陶瓷片的形状可与柱状截面相适应。将前盖的前部制作成板状，在其平面上贴合压电陶瓷片5就构成板状振子，贴合的方式可以采用粘接剂或紧固件，以采用粘接剂为佳。板状振子还兼作柱状振子的聚能器，使柱状振子的振动能量更集中、振动力更大。前盖和后盖均可采用金属或陶瓷制作，压电陶瓷片应采用发射型。驱动振子各部分的尺寸设计应使纵向振动与横向振动的共振频率达到一致。
将上述驱动振子构成超声电机时，通过夹持器、底板和紧固连杆等使驱动振子垂直放置在导轨上，即夹持器8通过紧固件14与驱动振子6相连，底板11则置于导轨10的下方，可沿导轨作相对移动，紧固连杆7将夹持器与底板联在一起，并使驱动振子前盖的前部端面与导轨的上平面相接触且板面垂直于导轨上表面并与导轨的横截面平行，从而使驱动振子与导轨等部件一起组成超声电机的主体，通过设置在紧固连杆上的预压力调整机构13向驱动振子施加预压力，预压力调整机构可采用弹簧与螺母或弹簧与卡环等结构，底板与导轨之间设置的直线运动导向件12可采用导向轮或导向槽等结构，使驱动振子和底板一起沿导轨作直线运动，垂直导向板9的一端卡在夹持器侧面的导向槽内呈精密滑动配合、另一端通过紧固件与夹持器的底板相连，以保证驱动振子在运动过程中其轴线与导轨面保持垂直。
压电陶瓷片在交变电流的作用下激励出纵、横两个方向的共振，从而在驱动振子与导轨相接触的部位叠加成电机驱动所需的椭圆运动，进而使驱动振子在摩擦力的作用下产生沿导轨的直线运动。由于采用柱状振子作纵向激振、板状振子作横向激振并将两者复合为一体，亦未采用特殊结构或特殊要求的压电元件，因此，本发明的驱动振子及其超声电机结构简单、体积小、成本低；同时由于采用夹心式复合驱动振子，一方面其振动发生力大，可对驱动振子施加大的预压力，从而获得大的输出推力，还能得到大的断电自锁力，另一方面其振动位移大，降低了对导轨表面精度的要求，所以可实现大的行程此外，由于本发明的驱动振子为对称结构且垂直于导轨布置，因此还可以实现双向运动，即正反两向运动切换灵活，性能一致。
附
图1．本发明的驱动振子的结构示意图。
附图2．附图1的俯视图。
附图3．本发明的超声电机的结构示意图。
附图4．附图3的俯视图。
从附图中可以看出，本发明的实施例采用了圆柱体的夹心式柱状振子，外径为20mm，板状振子的厚度为4mm，驱动振子总长度为100mm，所用的压电陶瓷片为PZT-4，尺寸各为φ20×φ5×2mm和20×5×1mm，柱状振子上的压电陶瓷片与前、后盖之间采用紧固螺栓连接，板状振子上的压电陶瓷片采用环氧树脂粘贴，导轨长度(即电机行程)为500mm，夹持器和底板之间的紧固连杆为4根，每根连杆上均设由弹簧与螺母构成的预压力调整机构，预压力设定的为80N，导向轮亦为4个，以保证运动状态的稳定，导轨的驱动面上未使用摩擦材料，驱动频率为23kHz，测试结果表明，电机的输出推力达到11N，断电自锁力为20N，输出功率达1.4W，运行稳定，散热良好，两向运动切换灵活且输出特性一致。如果在驱动面上使用了摩擦材料，则效果将会更好。
权利要求
1．一种直线型超声电机的驱动振子，包括压电元件和弹性体，其特征在于压电元件采用压电陶瓷片，弹性体分为前盖和后盖，前盖(4)的前部为平板状、后部为柱状，后盖(2)为柱状，前盖的后部与后盖之间夹持压电陶瓷片(3)，前盖的前部板面上贴合压电陶瓷片(5)。
2．一种直线型超声电机，包括驱动振子和导轨等，其特征在于驱动振子(6)的结构如权利要求1所述，驱动振子通过夹持器(8)定位，导轨(10)的下方设置底板(11)，夹持器与底板之间通过紧固连杆(7)联为一体，使驱动振子垂直于导轨放置且前盖的前部端面与导轨的上平面相接触，紧固连杆上设置预压力调整机构(13)，底板与导轨之间设置直线运动导向件(12)，夹持器与底板之间还设置垂直导向板(9)。
全文摘要
本发明涉及利用压电效应的电动机。提出了一种由夹心式柱状振子与板状振子复合而成的驱动振子以及根据该驱动振子设计的超声电机,驱动振子(6)垂直于导轨(10),其压电元件采用压电陶瓷片,以柱状振子作纵向激振,以板状振子作横向激振,结构简单、成本低,可获得大的输出推力和断电自锁力,并可实现大的行程和双向运动。
文档编号H02N2/02GK1235404SQ9811128
公开日1999年11月17日 申请日期1998年5月7日 优先权日1998年5月7日
发明者赵淳生, 李朝东, 金龙 申请人:南京航空航天大学