[发明专利]一种基于压电陶瓷板面内振动的直线超声电机

说明书

技术领域

本发明属于利用压电陶瓷材料逆压电效应的一种微型直线型超声电机。

背景技术

目前直线型超声电机的输出功率、推力普遍较小，限制了其应用，且压电 陶瓷板抗拉强度低，振动时易破裂。有些类型的直线超声电机为提高输出推力， 采用兰杰文振子结构，但此种结构电机体积较大。因此，传统的直线型超声电 机，结构比较复杂，体积大，机电转化效率和位置分辨率都比较低，不适用于 小型，精密型的直线运动装置的驱动和控制。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，设计一种结构简单、大推力、 机电转化效率高、响应速度快、可控性能好的基于压电陶瓷板面内振动的直线 超声电机。

为了解决上述技术问题，本发明包括如下技术方案：一种基于压电陶瓷板 面内振动的直线超声电机，包括定位在底座上的振子、驱动头、直线导轨、底 座、滚珠和压紧机构；所述振子包括相互复合的压电陶瓷板和金属弹性体薄板； 所述压电陶瓷板正面分两个区，压电陶瓷板分区对称面一端粘结驱动头，压电 陶瓷板分区对称面另一端通过压紧机构压紧；所述驱动头与直线导轨接触，直 线导轨下表面设有滚珠与底座相接触；所述振子个数为两个，两个振子的结构 相同并且以直线导轨为轴对称设置。

本发明的创新在于所述的振子为完全对称的双振子结构，并且以导轨为轴 对称设置，利用两振动模态频率必然相等的特性，相对于单振子的结构，本发 明通过双振子进行驱动，实现较高的机电转换效率，安装简单，电转化效率高， 输出功率大。

所述压电陶瓷板为正多边形，其正表面为镀银层，反面为接地的全电极； 压电陶瓷板沿厚度极化，并且对称分为两个极化方向相同的分区。

所述振子的正多边形压电陶瓷板和金属弹性体薄板通过环氧树脂粘结复 合。

所述振子为中空结构。

所述振子通过定位螺钉和橡胶垫圈定位在底座上

所述压紧机构包括活动连接在底座上的预压螺钉，预压螺钉的端部通过橡 胶压紧在压电陶瓷板上。

所述驱动头为三角形或梯形或半圆形凸起结构，其表面设有耐磨材料层或 陶瓷层。驱动头起到振动放大的作用，而且表面设置耐磨层，使工作稳定。

与现有技术相比，其优点是利用了压电陶瓷本身的分区对称性和复合振子 结构的对称性，即具有空间对称结构的振子其空间正交弯曲模态必然耦合，两 振动模态频率必然相等的特性，因此可简化直线超声电机的设计，采用双振子 驱动，实现较高的机电转换效率。相对于采用单个压电陶瓷板作振子的直线超 声电机，其优点是采用双振子驱动结构简单，便于安装，输出力大。

附图说明

图1，正多边形的双振子面内振动直线超声电机侧视、俯视的结构示意图；

图2，压电陶瓷板分区极化示意图；

图3，压电陶瓷复合层板与驱动头粘结示意图；

图4，双振子布置与激励信号连接简图；

图5，压电陶瓷板与面内振动模态振型示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行说明，如图1、图3所示，振子4由正多 边形的压电陶瓷板10和金属弹性体薄板11通过环氧树脂12粘结复合而成，在 压电陶瓷板10分区对称面处粘结驱动头8，驱动头8起振动放大作用，并通过 涂敷耐磨材料或选用陶瓷材料以提高振子耐磨性，改善振子4与直线导轨7的 接触。定位螺钉5用来定位振子4且起导向作用。在直线导轨7下表面和底座2 接触处安装滚珠6，以减小摩擦阻力。橡胶3、预压螺钉1和底座2构成预压力 调节装置，通过改变橡胶3的变形程度来控制施加在振子4上的预压力。所述 振子个数为两个，两个振子的结构相同并且以直线导轨为轴对称设置。

图2和3所示为压电陶瓷分区极化示意图和复合层板与驱动头粘结示意图， 压电陶瓷板正面分为两个区，沿厚度方向极化，且极化方向相同，压电陶瓷正 表面为镀银层；压电陶瓷反面即背面为全电极，且接地。当在两个分区分别施 加两相频率相同，相位差为90度的激励信号，经由压电陶瓷的逆压电效应，在 压电振子面内激发出两相面内正交弯曲振动模态，这两种模态的合并使其在驱 动头的端部质点作椭圆运动，在预紧力作用下，产生摩擦力驱动直线导轨7做 直线运动，完成能量转换。

如图4所示双振子布置与激励信号连接简图，电机采用双振子同步驱动， 两振子沿直线导轨7两侧对称布置，可显著提高电机输出力。

如图5所示为横截面为正方形压电陶瓷板面内弯曲模态振型，由于其结构 对称性和压电陶瓷极化后本身的对称性，面内正交两相弯曲振动模态必然耦合， 在同一激励信号频率下，可同时激励出两正交振动模态，从而可提高机电转换 效率。