一种惯性式压电超声电机

摘要

本发明一种惯性式压电超声电机，主要包括被移动工件、顶丝、定子和动子，所述被移动工件通过顶丝安装在驱动主体上，所述定子设在动子下方，所述顶丝与驱动主体接触，并向驱动主体施加竖直方向压力；所述动子包括驱动主体、驱动足和压电陶瓷，所述驱动足和压电陶瓷成对设置，所述驱动主体两侧加工有薄壁，所述驱动足设在薄壁内侧，所述压电陶瓷设在驱动足内侧并与其接触，所述驱动主体通过薄壁变相向驱动足与压电陶瓷施加水平预压力，所述驱动足与定子接触并存在竖直方向预压力。本发明能够调节定子与动子间正压力的结构方式，同时简化结构，增大负责能力。

权利要求

1.一种惯性式压电超声电机，主要包括被移动工件(1)、顶丝(2)、定子(6)和动子，所述被移动工件(1)通过顶丝(2)安装在驱动主体(3)上，所述定子(6)设在动子下方，其特征在于：所述顶丝(2)与驱动主体(3)接触，并向驱动主体(3)施加竖直方向压力；

所述动子包括驱动主体(3)、驱动足和压电陶瓷，所述驱动足和压电陶瓷成对设置在驱动主体(3)下方两侧，所述驱动主体(3)两侧加工有薄壁(31)，所述驱动足设在薄壁(31)内侧，所述压电陶瓷设在驱动足内侧并与其粘接在一起，所述驱动主体(3)通过薄壁(31)变相向驱动足与压电陶瓷施加水平预压力，所述驱动足与定子(6)接触并存在竖直方向预压力；

所述压电陶瓷与相应的激励电源连接；

所述驱动主体(3)的截面呈“E”形，所述驱动主体(3)内部开有狭缝槽(33)，所述狭缝槽(33)的上层端面直接与顶丝(2)接触，通过调节顶丝(2)深度，可改变薄壁(31)结构变形量，从而调节动子与定子(6)间正压力大小。

2.根据权利要求1所述的一种惯性式压电超声电机，其特征在于：所述薄壁(31)内侧设有凸起，所述凸起呈半圆形状，并与薄壁(31)一体成型，所述凸起的顶点与驱动足接触。

3.根据权利要求2所述的一种惯性式压电超声电机，其特征在于：所述薄壁(31)与驱动主体(3)呈一定夹角，所述夹角为90°-115°。

4.根据权利要求1所述的一种惯性式压电超声电机，其特征在于：所述驱动主体(3)上部端面设有开孔(10)，所述开孔(10)与狭缝槽(33)连通。

5.根据权利要求1所述的一种惯性式压电超声电机，其特征在于：所述被移动工件(1)上开有螺纹孔，所述螺纹孔与顶丝(2)装配，并通过顶丝(2)调节动子与定子(6)之间的正压力。

6.根据权利要求1所述的一种惯性式压电超声电机，其特征在于：所述驱动主体(3)下方设有压板(32)，所述压板(32)与驱动足接触，并向驱动足施加竖直方向的预压力。

7.根据权利要求4所述的一种惯性式压电超声电机，其特征在于：所述开孔(10)的侧截面呈“V”形锥面，所述顶丝(2)下端设有与开孔(10)相配的锥形端部，并与开孔(10)配合，实现带动被移动工件(1)发生位移。

8.根据权利要求1所述的一种惯性式压电超声电机，其特征在于：所述驱动足采用陶瓷材料或其他高硬度耐摩擦材料。

9.根据权利要求1所述的一种惯性式压电超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷可以为压电单晶、压电薄膜或压电高分子材料。

说明书

一种惯性式压电超声电机

技术领域

[0001] 本发明涉及超声电机领域，具体而言涉及一种定子与动子间预压力可调、结构简单负载能力大的惯性超声电机。

背景技术

[0002] 随着以机器人为代表机械装置的迅速发展，精密机械不断向高精度，高响应速度方向发展。传统的直线电机主要由线圈驱动，这种方式存在着许多不足，如体积大、机构复杂、精度不高、响应速度低等，不能适应现代精密机械的需求。

[0003] 近年来，压电材料以其响应速度快、输出力大、线性度好、不受电磁干扰等优点，得到了国内外广泛的研究和应用。利用压电材料特性制作超声波直线电机更是早有研究，但是，目前研究制作的压电直线超声波电机多采用贴装多个压电陶瓷片，为其通电后获得需要的相应振动，再将这一振动以各自的方式为电机的直线位移提供输出力，从而实现了压电超声波电机的直线运动。这些研究发挥了压电陶瓷的优点，克服了线圈式直线电机体积大、易受电磁干扰、响应慢等缺点。但是，这种压电直线电机在输出力、位移量、和结构上都存在一定的局限性，需做进一步的研究开发。

[0004] 现有申请号为CN201210584752.8的技术方案利用定子轴的不等速原理实现动子的运动。方案采用横向变形原件的水平变形量通过加持机构将转换为竖直方向变形，所述加持机构与移动轴相连，使得所述移动轴获得竖直方向短距离往复移动，利用惯性力原理，使得动子获得竖直方向连续运动。

[0005] 该方案的缺点：1.动子与定子间预压力无法有效调整。惯性式超声电机利用惯性力客服摩擦力做功的形式以实现定子的不等速运动，由于动子与定子间预压力无法有效调节，导致无法有效调节期间摩擦力；

[0006] 2.负载能力有限。由于无法有效控制摩擦力，使得动子带动负载的能力受到限制。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种惯性式压电超声电机，从而解决现有技术中存在的前述问题。

[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0009] 一种惯性式压电超声电机，主要包括被移动工件、顶丝、定子和动子，所述被移动工件通过顶丝安装在驱动主体上，所述定子设在动子下方，所述顶丝与驱动主体接触，并向驱动主体施加竖直方向压力；

[0010] 所述动子包括驱动主体、驱动足和压电陶瓷，所述驱动足和压电陶瓷成对设置，所述驱动主体两侧加工有薄壁，所述驱动足设在薄壁内侧，所述压电陶瓷设在驱动足内侧并与其接触，所述驱动主体通过薄壁变相向驱动足与压电陶瓷施加水平预压力，所述驱动足与定子接触并存在竖直方向预压力；

[0011] 所述压电陶瓷与相应的激励电源连接。上述压电陶瓷由于尺寸过小，为单体结构，直接烧结而成。

[0012] 优选的，所述驱动主体的截面呈“E”形，所述驱动主体内部开有狭缝槽，所述狭缝槽上表面直接与顶丝接触，所述顶丝施加的压力使其发生变形，将压力向下传导。

[0013] 优选的，所述薄壁内侧设有凸起，所述凸起呈半圆形状，并与薄壁一体成型，所述凸起的顶点与驱动足接触。

[0014] 优选的，所述薄壁与驱动主体呈一定夹角，所述夹角为90°-115°。

[0015] 优选的，所述驱动主体上部端面设有开孔，所述开孔与狭缝槽连通。

[0016] 优选的，所述被移动工件上开有螺纹孔，所述螺纹孔与顶丝装配，并通过顶丝调节动子与定子之间的正压力。

[0017] 优选的，所述驱动主体下方设有压板，所述压板与驱动足接触，并向驱动足施加竖直方向的预压力。

[0018] 优选的，所述开孔的侧截面呈“V”形锥面，所述顶丝下端设有与开孔相配的锥形端部，并与开孔配合，实现带动被移动工件发生位移。

[0019] 优选的，所述驱动足采用陶瓷材料或其他高硬度耐摩擦材料。

[0020] 优选的，所述压电陶瓷可以为压电单晶、压电薄膜或压电高分子材料。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0021] 本发明该发明相对于其他超声电机，具有输出力可调且机构简单、易于加工、使用方便等特点。

[0022] 通常超声电机采用定子发生形变，从而带动动子发生位移，而该发明通过在动子的驱动主体设计弹性形变结构，而定子则静止不动的方式实现所需位移，简化超声电机整体运动；

[0023] 驱动主体采用对称布置，装配两套压电陶瓷-驱动足结构，可增大与定子接触面，提高动子受力稳定性，确保运动过程中与定子时时接触；

[0024] 驱动主体上部开有狭缝槽，狭缝槽的上层端面直接与顶丝接触，通过调节顶丝深度，可改变上层端面结构变形量，从而调节动子与定子间正压力大小，可有效降低对加工精度要求，同时可弥补机加工等引起的误差，提高成品率；

[0025] 驱动主体两侧薄壁结构向压电陶瓷-驱动足结构施加预压力，确保压电陶瓷的变形量能够有效传递给驱动主体，从而带动被移动工件发生位移。

[0026] 本发明相对于一般的线圈式直线电机和其它一些超声波直线电机，它具有输出力大、响应速度快、结构简单、易于加工、方便使用、不受电磁干扰等优点。在实现直线运动的同时，还充分运用了压电材料的优秀特性。配合上合理地驱动电源，就可以在保证较大输出力的同时，控制这个直线电机按照需要进行工作。因此这种惯性式压电直线电机在微位移机械系统、微位移定位、光学精密仪器、航空航天控制等领域中具有重要的应用价值。

附图说明

[0027] 图1是一种惯性式压电超声电机的整体布局示意图；

[0028] 图2是驱动主体剖面图及俯视图；

[0029] 图3是驱动主体正等轴测图；

[0030] 图4是动子及定子装配结构剖面图。

[0031] 附图标记：

[0032] 1-被移动工件，2-顶丝，3-驱动主体，31-薄壁，32-压板，33-狭缝槽， 4-右驱动足，5-右压电陶瓷，6-定子，7-左驱动足，8-左压电陶瓷，9-固定基体，10-开孔。

具体实施方式

[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 请参阅图1-4，本发明提供的一种惯性式压电超声电机，主要包括被移动工件1、顶丝2、和动子，所述被移动工件1通过顶丝2安装在驱动主体3 上，所述定子6设在动子下方，所述顶丝2与驱动主体3接触，并向驱动主体3施加竖直方向压力；

[0035] 所述动子包括驱动主体3、驱动足和压电陶瓷，所述驱动足和压电陶瓷成对设置，所述驱动主体3两侧加工有薄壁31，所述驱动足设在薄壁31内侧，所述压电陶瓷设在驱动足内侧并与其接触，所述驱动主体3通过薄壁31 变相向驱动足与压电陶瓷施加水平预压力，所述驱动足与定子6接触并存在竖直方向预压力；

[0036] 所述压电陶瓷与相应的激励电源连接。

[0037] 优选的，所述驱动主体3的截面呈“E”形，所述驱动主体3内部开有狭缝槽33，所述狭缝槽33上表面直接与顶丝2接触，所述顶丝2施加的压力使其发生变形，将压力向下传导。

[0038] 优选的，所述薄壁31内侧设有凸起，所述凸起呈半圆形状，并与薄壁 31一体成型，所述凸起的顶点与驱动足接触。

[0039] 优选的，所述薄壁31与驱动主体3呈一定夹角，所述夹角为90°-115 °。

[0040] 优选的，所述驱动主体3上部端面设有开孔10，所述开孔10与狭缝槽 33连通。

[0041] 优选的，所述被移动工件1上开有螺纹孔，所述螺纹孔与顶丝2装配，并通过顶丝2调节动子与定子6之间的正压力。

[0042] 优选的，所述驱动主体3下方设有压板32，所述压板32与驱动足接触，并向驱动足施加竖直方向的预压力。

[0043] 优选的，所述开孔10的侧截面呈“V”形锥面，所述顶丝2下端设有与开孔10相配的锥形端部，并与开孔10配合，实现带动被移动工件1发生位移。

[0044] 优选的，所述驱动足采用陶瓷材料或其他高硬度耐摩擦材料。

[0045] 优选的，所述压电陶瓷可以为压电单晶、压电薄膜或压电高分子材料。

[0046] 工作原理：

[0047] 如图3所示，上述驱动主体3顶部的开孔10截面设为V形锥面结构，与顶丝2配合，实现带动移动部件发生位移；

[0048] 如图2所示驱动主体3上部开有狭缝槽33，狭缝槽33的上层端面直接与顶丝2接触，通过调节顶丝2深度，可改变上层端面结构变形量，从而调节动子与定子6间正压力大小；驱动主体3两侧加工有薄壁31，通过薄壁 31变形向驱动足与压电陶瓷施加预压力；驱动主体3为对称结构，可容纳两组压电陶瓷-驱动足结构，相较于单组压电陶瓷-驱动足可将速度提高一倍，同时增大与定子6的接触面积，提高稳定性。

[0049] 被移动工件1开有盛放驱动主体3的槽，驱动主体3通过顶部V形锥面与顶丝2配合带动被移动工件1发生位移，与压电陶瓷-驱动足结构通过(胶) 进行紧固，同时在两侧薄壁31件预压力下紧密接触驱动足，压电陶瓷与驱动足通过(胶)粘接在一起；通过将顶丝2施加驱动主体3的压力传递到驱动足，与定子6紧密接触。

[0050] 初始安装状态下，驱动主体3两侧薄壁31通过变形向左驱动足7和右驱动足4,与左压电陶瓷8和右压电陶瓷5施加预压力。

[0051] 此时为标准状态，通过控制电压使得右压电陶瓷5瞬间伸长同时左压电陶瓷8瞬间缩短，此时右驱动足4向右移动，驱动主体3右侧薄壁31变形增大，左驱动足7在驱动主体3左侧薄壁31作用下向右移动，由于该过程中惯性力大于摩擦力，因此驱动主体3未发生位移；

[0052] 随后控制电压使得右压电陶瓷5缓慢缩短至标准状态同时左压电陶瓷8 缓慢伸长，由于该过程中惯性力小于摩擦力，因此右驱动足4与左驱动足7 未发生移动，由左压电陶瓷8和右压电陶瓷5,带动驱动主体3向右移动，至此完成一个运动周期。

[0053] 继续重复以上动作，使得动子能够连续向右发生间断性微米级移动。

[0054] 反之可使动子向左运动。

[0055] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。