[發明專利]一種壓電激勵的貼片式縱彎復合型直線超聲電機裝置

在審

• 申請號: 202110998666.0
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113765433A
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 王鑫;汪國慶
• 申請（專利權）人: 南京市擘星精密科技有限公司
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 馬苗苗

本發明公開一種壓電激勵的貼片式縱彎復合型直線超聲電機裝置；該裝置主要包括貼片式壓電換能器、動子、預壓力調節機構、安裝支架和底座；換能器由一根金屬直梁、四片壓電陶瓷、夾持組成；在驅動足處設置了摩擦材料；預壓力調節機構由彈簧、導軌以及導軌連接板等組成；定子通過夾持機構與安裝支架固定，其中定子的驅動足與動子接觸；動子通過導軌連接板安裝在導軌上，并通過彈簧來實現預壓力大小的調節；工作時，對換能器施加規定的電壓信號，可以同時激發出定子的二階彎振和一階縱振；通過縱彎模態耦合，驅動足處將會產生微幅橢圓運動，從而經摩擦作用驅動動子運動；該直線電機具有結構簡單、緊湊、體積小、重量輕的優點。

技術領域

本發明涉及壓電換能器、超聲電機和振動利用領域，尤其是涉及壓電激勵的貼片式縱彎復合型直線超聲電機裝置及其方法。

背景技術

直線超聲電機是一種利用壓電材料逆壓電效應激發彈性體的微幅振動，并通過摩擦作用將振動轉換成動子直線運動的新型微特電機，相比于傳統電磁電機具有結構簡單緊湊、直接驅動、斷電自鎖、無電磁干擾、定位精度高等優點，在航空航天、光學系統、自動化、精密驅動、仿生機器人、生物醫學工程和深海探測等領域有重要的應用價值。

直線超聲電機按照波動方式可以分為行波型和駐波型。然而行波型直線超聲電機存在功耗大、輸出效率低等問題，在實際應用中難以被采用。相比之下駐波型直線超聲電機具有高速、大推力、高精度等優點。蘭杰文壓電振子裝配復雜，限制了其在一些特定的狹窄場合應用。本發明采用貼片式壓電陶瓷則可有效簡化作動器結構，減小了整個電機體積。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種壓電激勵的貼片式縱彎復合型直線超聲電機裝置及其工作方法，滿足狹窄空間場景對微小型驅動器件的應用需求。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種壓電激勵的貼片式縱彎復合型直線超聲電機裝置，該裝置主要包括貼片式壓電換能器(定子)、動子、預壓力調節機構、底座和安裝支架；換能器由一根金屬直梁、四片壓電陶瓷、夾持組成；在直梁一端設置了變截面梁，用于放大驅動足處的振幅；在驅動足處設置了氧化鋁陶瓷摩擦材料；預壓力調節機構由彈簧、導軌以及導軌連接板等組成；定子通過夾持機構與安裝支架固定，其中定子的驅動足與動子接觸；動子通過導軌連接板安裝在導軌上，并通過彈簧來實現定、動子之間預壓力大小的調節；

進一步的，所述的壓電激勵的貼片式縱彎復合型直線超聲電機裝置，所述壓電陶瓷粘貼于直梁兩側，其極化方向為沿壓電陶瓷厚度方向同時向外或向內。

進一步的，所述的壓電激勵的貼片式縱彎復合型直線超聲電機裝置所述貼片式壓電陶瓷用環氧樹脂粘貼在直梁上。

進一步的，所述的壓電激勵的貼片式縱彎復合型直線超聲電機裝置，進一步的，所述操控方法包括以下步驟：

將壓電陶瓷片按照對角線的形式分為兩組，分別稱為A組和B組。A組壓電陶瓷片施加電信號Usin(ωt)(U為電壓幅值，ω為激勵頻率，t為時間)，B組壓電陶瓷片施加電信號Ucos(ωt)；由于上述兩相電信號在時間上存在π/2的相位差，因此可以同時激發出定子的一階縱振和二階彎振模態；當定子工作在一階縱振模態，驅動足產生沿定子軸線方向的周期性位移，而當定子工作在二階彎振模態時，驅動足產生沿垂直定子軸線方向的周期性位移。通過縱彎模態耦合，驅動足處將會產生微幅橢圓運動，從而經摩擦作用驅動動子運動。當施加在兩組壓電陶瓷片上的激勵信號的相位差為-π/2時，驅動足處的橢圓運動軌跡反向，即可實現動子的反向直線運動。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

1.結構簡單、體積緊湊、設計容易，可以降低直線電機裝置的成本；

2.采用對稱的一階縱振和二階彎振模態耦合，可以構建在驅動足處的橢圓軌跡，實現電機的等速雙向運動；