[发明专利]一种压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置

说明书

本发明公开一种压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置；该装置主要包括贴片式压电换能器、动子、预压力调节机构、安装支架和底座；换能器由一根金属直梁、四片压电陶瓷、夹持组成；在驱动足处设置了摩擦材料；预压力调节机构由弹簧、导轨以及导轨连接板等组成；定子通过夹持机构与安装支架固定，其中定子的驱动足与动子接触；动子通过导轨连接板安装在导轨上，并通过弹簧来实现预压力大小的调节；工作时，对换能器施加规定的电压信号，可以同时激发出定子的二阶弯振和一阶纵振；通过纵弯模态耦合，驱动足处将会产生微幅椭圆运动，从而经摩擦作用驱动动子运动；该直线电机具有结构简单、紧凑、体积小、重量轻的优点。

技术领域

本发明涉及压电换能器、超声电机和振动利用领域，尤其是涉及压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置及其方法。

背景技术

直线超声电机是一种利用压电材料逆压电效应激发弹性体的微幅振动，并通过摩擦作用将振动转换成动子直线运动的新型微特电机，相比于传统电磁电机具有结构简单紧凑、直接驱动、断电自锁、无电磁干扰、定位精度高等优点，在航空航天、光学系统、自动化、精密驱动、仿生机器人、生物医学工程和深海探测等领域有重要的应用价值。

直线超声电机按照波动方式可以分为行波型和驻波型。然而行波型直线超声电机存在功耗大、输出效率低等问题，在实际应用中难以被采用。相比之下驻波型直线超声电机具有高速、大推力、高精度等优点。兰杰文压电振子装配复杂，限制了其在一些特定的狭窄场合应用。本发明采用贴片式压电陶瓷则可有效简化作动器结构，减小了整个电机体积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置及其工作方法，满足狭窄空间场景对微小型驱动器件的应用需求。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置，该装置主要包括贴片式压电换能器(定子)、动子、预压力调节机构、底座和安装支架；换能器由一根金属直梁、四片压电陶瓷、夹持组成；在直梁一端设置了变截面梁，用于放大驱动足处的振幅；在驱动足处设置了氧化铝陶瓷摩擦材料；预压力调节机构由弹簧、导轨以及导轨连接板等组成；定子通过夹持机构与安装支架固定，其中定子的驱动足与动子接触；动子通过导轨连接板安装在导轨上，并通过弹簧来实现定、动子之间预压力大小的调节；

进一步的，所述的压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置，所述压电陶瓷粘贴于直梁两侧，其极化方向为沿压电陶瓷厚度方向同时向外或向内。

进一步的，所述的压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置所述贴片式压电陶瓷用环氧树脂粘贴在直梁上。

进一步的，所述的压电激励的贴片式纵弯复合型直线超声电机装置，进一步的，所述操控方法包括以下步骤：

将压电陶瓷片按照对角线的形式分为两组，分别称为A组和B组。A组压电陶瓷片施加电信号Usin(ωt)(U为电压幅值，ω为激励频率，t为时间)，B组压电陶瓷片施加电信号Ucos(ωt)；由于上述两相电信号在时间上存在π/2的相位差，因此可以同时激发出定子的一阶纵振和二阶弯振模态；当定子工作在一阶纵振模态，驱动足产生沿定子轴线方向的周期性位移，而当定子工作在二阶弯振模态时，驱动足产生沿垂直定子轴线方向的周期性位移。通过纵弯模态耦合，驱动足处将会产生微幅椭圆运动，从而经摩擦作用驱动动子运动。当施加在两组压电陶瓷片上的激励信号的相位差为-π/2时，驱动足处的椭圆运动轨迹反向，即可实现动子的反向直线运动。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.结构简单、体积紧凑、设计容易，可以降低直线电机装置的成本；

2.采用对称的一阶纵振和二阶弯振模态耦合，可以构建在驱动足处的椭圆轨迹，实现电机的等速双向运动；