基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機，屬于壓電電機【技術(shù)領(lǐng)域】。包括定子組件和動子組件，所述定子組件為一方形金屬薄板及2塊或4塊單向極化方形壓電陶瓷片組成；或所述定子組件為單塊單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊；動子組件采用滑條，在滑條上粘貼摩擦條。通過彈簧元件提供定子和動子之間所需的預壓力。分別對2塊或4塊壓電陶瓷片或單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊的兩個分區(qū)進行驅(qū)動，可使定子的驅(qū)動足上產(chǎn)生橢圓運動，在一定預壓力的作用下，驅(qū)動滑條直線運動。通過切換驅(qū)動信號，此電機可實現(xiàn)反向直線運動。該電機機構(gòu)簡單、體積小、重量輕、精度高、響應速度快，可用于精密機電設(shè)備、激光調(diào)諧設(shè)備及光學儀器設(shè)備。
【專利說明】基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機，屬壓電致動器【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電致動器一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將電壓信號轉(zhuǎn)換成應變信號，從而輸出驅(qū)動力的一種作動器。該種作動器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、響應快、低噪聲、無電磁干擾、位置和速度控制性好等特點，在工業(yè)自動化控制、光學精密儀器、生物醫(yī)療、航空航天、汽車專用電器、智能機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。
[0003]專利文獻I “PIEZOELECTRIC ACTUATOR FOR AN ULTRASONIC MOTOR”(應用于壓電電機的壓電作動器)，專利號:US20100013353。此專利文獻中，壓電陶瓷振動器利用單振動模態(tài)的非對稱激勵在其驅(qū)動足上產(chǎn)生斜線振動，從而輸出驅(qū)動力。此種方式，其驅(qū)動足磨損較為嚴重，從而使壓電致動器的壽命縮短。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型旨在研制一種結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、更適于微型化的基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機的工作方式。
[0005]一種基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機的工作方式，該電機包括定子組件、動子組件；其特征在于:所述定子組件包括金屬薄板，還包括兩塊粘貼在該金屬薄板正面并沿中心線對稱分布的單向極化矩形壓電陶瓷片或四塊粘貼在該金屬薄板正面和反面的并沿金屬薄板中心線對稱分布單向極化矩形壓電陶瓷片；還包括位于金屬薄板與動子組件相對應的表面上且處于上述中心線上的驅(qū)動足；上述單向極化矩形壓電陶瓷片極化方向均為由外側(cè)指向金屬薄板；所述動子組件包括滑條和摩擦片；該壓電電機還包括用于提供定子組件中的驅(qū)動足和動子組件中的摩擦片之間預壓力的彈簧元件。其工作方式:對于共有四片單向極化矩形壓電陶瓷片的情況:金屬薄板接地，四片單向極化矩形壓電陶瓷片分成兩組壓電陶瓷片，其中位于金屬薄板中心線同一側(cè)的分別貼在金屬薄板正面和反面的一對單向極化矩形壓電陶瓷片稱為一組壓電陶瓷片，兩組壓電陶瓷片外表面分別輸入
驅(qū)動信號，則定子組件的縱向振動和面內(nèi)的彎曲振動被同時激發(fā)出來且具有90度相位差，驅(qū)動足上會產(chǎn)生平面內(nèi)的橢圓運動，在一定預壓力的作用下，可推動滑條產(chǎn)生直線運動；對于共有兩片單向極化矩形壓電陶瓷片的情況:金屬薄板接地，兩片單向極化矩形壓電陶瓷片外表面分別輸入廣驅(qū)動信號，則定子組件的縱向振動和面內(nèi)的彎曲振動被同時激發(fā)出來且具有90度相位差，驅(qū)動足上會產(chǎn)生平面內(nèi)的橢圓運動，在一定預壓力的作用下，可推動滑條產(chǎn)生直線運動。
[0006]一種基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機，該電機包括定子組件、動子組件；其特征在于:所述定子組件包括單塊單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊，極化方向由該壓電陶瓷塊沿厚度方向上的上表面指向下表面，兩分區(qū)沿該壓電陶瓷塊中心線左右對稱；還包括位于單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊與動子組件相對應的表面上且處于上述中心線上的驅(qū)動足；所述動子組件包括滑條和摩擦片；該壓電電機還包括用于提供定子組件中的驅(qū)動足和動子組件中的摩擦片之間預壓力的彈簧元件。其工作方式:對于單塊單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊的情況:單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊上表面的兩個分區(qū)分別輸入E=Vsin ω t和E=Vcos ω t驅(qū)動信號，單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊下表面接地，則定子組件的縱向振動和面內(nèi)的彎曲振動被同時激發(fā)出來且具有90度相位差，驅(qū)動足上會產(chǎn)生平面內(nèi)的橢圓運動，在一定預壓力的作用下，可推動滑條產(chǎn)生直線運動。
[0007]所述驅(qū)動足為方柱形、半圓球形、圓柱形或三角塊形結(jié)構(gòu)。
[0008]本實用新型的利用面內(nèi)模態(tài)的直線壓電電機的作動單元為單定子結(jié)構(gòu)，利用彈性體的兩種振動模態(tài)的相互耦合作用來實現(xiàn)驅(qū)動足的橢圓運動，通過摩擦力的作用，把運動傳遞出去。
[0009]本實用新型的一種基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機利用逆壓電效應。當定子組件包括金屬薄板，還包括兩塊粘貼在該金屬薄板正面并沿中心線對稱分布的單向極化矩形壓電陶瓷片或四塊粘貼在該金屬薄板正面和反面的并沿金屬薄板中心線對稱分布單向極化矩形壓電陶瓷片時，當對兩組壓電陶瓷片施加相位差為180度的正弦電壓信號時，兩組壓電陶瓷片作反相的面內(nèi)伸縮振動，金屬薄板的面內(nèi)彎曲振動模態(tài)被有效激發(fā)。在彎曲振動模態(tài)下，金屬薄板上的驅(qū)動足上產(chǎn)生水平上的位移；當對兩組壓電陶瓷片施加相位差為O度的正弦電壓信號時，兩組壓電陶瓷片作同相的面內(nèi)伸縮振動，金屬薄板的縱向振動模態(tài)被有效激發(fā)。在縱向振動模態(tài)下，金屬薄板上的驅(qū)動足上產(chǎn)生豎直方向上的位移。當對兩塊壓電陶瓷片施加相位差為η/2的正弦電壓信號時，金屬薄板的面內(nèi)彎曲振動模態(tài)和縱向振動模態(tài)被同時激發(fā)出來。由此在驅(qū)動足上的位移在空間上具有η/2的相位差，在時間上也具有η/2的相位差，從而在金屬薄板的驅(qū)動足上形成一個面內(nèi)橢圓運動軌跡。當定子組件為包括單塊單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊單向極化的兩分區(qū)壓電陶瓷片，極化方向由該壓電陶瓷片塊沿厚度方向上的上表面指向下表面，兩分區(qū)沿該壓電陶瓷片塊中心線左右對稱時，當對壓電陶瓷塊的兩分區(qū)分別施加相位差為180度的正弦電壓信號時，壓電陶瓷塊的兩個分區(qū)作反相的面內(nèi)伸縮振動，整個壓電陶瓷塊的面內(nèi)彎曲振動模態(tài)被有效激發(fā)。在彎曲振動模態(tài)下，壓電陶瓷塊上的驅(qū)動足上產(chǎn)生水平上的位移；當對壓電陶瓷塊的兩個分區(qū)分別施加相位差為O度的正弦電壓信號時，壓電陶瓷塊的兩個分區(qū)同時做面內(nèi)伸縮振動，整個壓電陶瓷塊的縱向振動模態(tài)被有效激發(fā)。在縱向振動模態(tài)下，壓電陶瓷塊上的驅(qū)動足上產(chǎn)生豎直方向上的位移。當對壓電陶瓷塊的兩個分區(qū)上分別施加相位差為η/2的正弦電壓信號時，壓電陶瓷塊的面內(nèi)彎曲振動模態(tài)和縱向振動模態(tài)被同時激發(fā)出來。由此在驅(qū)動足上的位移在空間上具有η/2的相位差，在時間上也具有π/2的相位差，從而在壓電陶瓷塊上的驅(qū)動足上形成一個面內(nèi)橢圓運動軌跡。
[0010]該電機整體結(jié)構(gòu)緊湊、易于小型化，使得電機具有更廣闊的應用空間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是電機定子的工作模態(tài)圖，圖2(a)為電機定子彎曲振動模態(tài)，圖2 (b)為定子縱向振動模態(tài)；
[0013]圖3是激勵壓電陶瓷-金屬復合結(jié)構(gòu)電機定子產(chǎn)生所需振動的驅(qū)動信號施加方式示意圖；
[0014]圖4是激勵壓電陶瓷電機定子產(chǎn)生所需振動的驅(qū)動信號施加方式示意圖；
[0015]圖5是電機定子上不同形狀的驅(qū)動足示意圖；
[0016]圖中標號及符號名稱:1為金屬薄板；2為單向極化矩形壓電陶瓷片，2-1、第一壓電陶瓷；2-2、第二壓電陶瓷；2-3、第三壓電陶瓷；2-4、第四壓電陶瓷江為單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊；3為驅(qū)動足，3-1為方柱形驅(qū)動足，3-2為半球形驅(qū)動足，3-3為圓柱形驅(qū)動足，3-4為三角塊形驅(qū)動足；4為彈簧；5為摩擦片；6為滑條；p為壓電陶瓷片極化方向；7、為兎一輸入端；8、為弟_■輸入端；9、為接地端。
【具體實施方式】
[0017]以下將結(jié)合附圖對本實用新型的結(jié)構(gòu)進行詳細說明。
[0018]如圖1所示，本實用新型提供一種基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機，包括定子和動子，定子為一矩形金屬薄板I及兩塊或4塊單向極化壓電陶瓷片2組成；動子組件采用滑條6，在滑條上粘貼摩擦條5。通過彈簧元件4提供定子和動子之間所需的預壓力。分別對兩塊或4塊壓電陶瓷片進行驅(qū)動，可使定子的驅(qū)動足上產(chǎn)生橢圓運動，在一定預壓力的作用下，驅(qū)動滑條直線運動。通過切換驅(qū)動信號，此電機可實現(xiàn)反向直線運動。
[0019]圖2為定子工作模態(tài)圖。圖2(a)為電機定子彎曲振動模態(tài)。在彎曲振動模態(tài)下，金屬薄板I上的驅(qū)動足3上產(chǎn)生水平方向上的位移；圖2(13)為定子縱向振動模態(tài)。在縱向振動模態(tài)下，金屬薄板I上的電機定子驅(qū)動足3上產(chǎn)生豎直方向上的位移。
[0020]如圖3所示，第一壓電陶瓷2-1和第三2-3為一組，第二壓電陶瓷2_2和第四壓電陶瓷2-4為一組,壓電陶瓷的極化方向為P方向。驅(qū)動信號的第一輸入端7連接在第一壓電陶瓷2-1和第三壓電陶瓷2-3的外表面上，驅(qū)動信號的第二輸入端8連接在第二壓電陶瓷2-2和第四壓電陶瓷2-4的外表面上。當電機定子驅(qū)動信號第一輸入端7和第二輸入端8分別輸入ω t和t驅(qū)動信號,接地端9接地時,可以同時把此結(jié)構(gòu)電機定子如圖2所示的振動模態(tài)激發(fā)出來，電機振子的驅(qū)動足會產(chǎn)生平面內(nèi)的橢圓運動，在一定預壓力的作用下，可推動滑條產(chǎn)生直線運動。
[0021]如圖4所示，電機定子為一單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊，單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊的正面分為兩個區(qū)，當電機定子驅(qū)動信號第一輸入端7和第二輸入端8分別輸入E=Vsin ω t和E=Vcos ω t驅(qū)動信號,接地端9接地時,可以同時把此結(jié)構(gòu)電機定子如圖2所示的振動模態(tài)激發(fā)出來。由此，在電機定子的驅(qū)動足3上會產(chǎn)生平面內(nèi)的橢圓運動，在一定預壓力的作用下，可推動滑條產(chǎn)生直線運動。
[0022]如圖5所示，電機定子上的驅(qū)動足可為方柱形3-1、半球形3-2、圓柱形3_3和三角塊形3-4。
[0023]以上實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實用新型保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機，該電機包括定子組件、動子組件；其特征在于: 所述定子組件包括金屬薄板(1),還包括兩塊粘貼在該金屬薄板(1)正面并沿中心線對稱分布的單向極化矩形壓電陶瓷片(2)或四塊粘貼在該金屬薄板(1)正面和反面的并沿金屬薄板(1)中心線對稱分布單向極化矩形壓電陶瓷片0還包括位于金屬薄板(1)與動子組件相對應的表面上且處于上述中心線上的驅(qū)動足(3)；上述單向極化矩形壓電陶瓷片(2)極化方向均為由外側(cè)指向金屬薄板(1)； 所述動子組件包括滑條(6)和摩擦片(5)； 該壓電電機還包括用于提供定子組件中的驅(qū)動足(3)和動子組件中的摩擦片(5)之間預壓力的彈簧元件“)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機，其特征在于:所述驅(qū)動足(3)為方柱形、半圓球形、圓柱形或三角塊形結(jié)構(gòu)。
3.一種基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機，該電機包括定子組件、動子組件；其特征在于: 所述定子組件包括單塊單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊(2,),極化方向由該壓電陶瓷塊沿厚度方向上的上表面指向下表面，兩分區(qū)沿該壓電陶瓷塊中心線左右對稱； 還包括位于單塊單向極化兩分區(qū)方形壓電陶瓷塊(2,)與動子組件相對應的表面上且處于上述中心線上的驅(qū)動足(3)； 所述動子組件包括滑條(6)和摩擦片(5)； 該壓電電機還包括用于提供定子組件中的驅(qū)動足(3)和動子組件中的摩擦片(5)之間預壓力的彈簧元件“)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于面內(nèi)模態(tài)的板式直線壓電電機，其特征在于:所述驅(qū)動足(3)為方柱形、半圓球形、圓柱形或三角塊形結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H02N2/04GK204206020SQ201420597706
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】時運來, 彭瀚旻 申請人:南京航空航天大學