慣性式壓電超聲電機(jī)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種慣性式壓電超聲電機(jī)及其控制方法，屬于慣性直線超聲電機(jī)技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 慣性式超聲電機(jī)是一類可微型化的壓電電機(jī)。與傳統(tǒng)的超聲電機(jī)相比，慣性式超 聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，精度高，易于微型化等優(yōu)點(diǎn)，備受研究人員的關(guān)注。但是由 于利用定子軸的不等速原理實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)，如何合理的激勵(lì)定子軸實(shí)現(xiàn)不等速運(yùn)動(dòng)是此 類慣性式超聲電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。專利[CN101071998A]公布了一種方波驅(qū)動(dòng)的慣性式 直線型壓電電機(jī)，利用層疊式壓電陶瓷堆的徑向變形通過放大機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換并放大為定子軸的 軸向變形，能很好實(shí)現(xiàn)高精度、大推力、快速響應(yīng)的功能。但是實(shí)際應(yīng)用中，層疊式壓電陶 瓷堆只能伸長變形，而不能收縮變形，這樣就大大降低了上述所公開的慣性式壓電電機(jī)的 效果，無法產(chǎn)生較大的推力以及快速響應(yīng)。即使在不同幅值的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下，層疊式壓 電陶瓷堆只能在最長伸長量到原長范圍內(nèi)變形，因此無法在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)慣性運(yùn)動(dòng)的原 理。此外，慣性式超聲電機(jī)的工作原理是利用慣性力克服摩擦力做功來實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的不等速 運(yùn)動(dòng)，但是動(dòng)子是設(shè)置在定子軸上，無法較好的調(diào)整兩者之間的預(yù)壓力，同時(shí)受定子結(jié)構(gòu)的 限制，慣性式超聲電機(jī)的應(yīng)用問題一直沒有能夠得到很好的解決。針對(duì)已提出的慣性式超 聲電機(jī)存在的問題，本發(fā)明提出了一種利用矩形壓電復(fù)合振子在鋸齒波信號(hào)的激勵(lì)下產(chǎn)生 的彎曲變形來驅(qū)動(dòng)動(dòng)子的直線運(yùn)動(dòng)，或者固定動(dòng)子實(shí)現(xiàn)定子的直線運(yùn)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有慣性式超聲電機(jī)的技術(shù)缺陷，提出一種實(shí)際可行、結(jié)構(gòu)簡單、大力 矩、高速度、高精度、大行程、易于控制、方便使用的新型慣性式壓電超聲電機(jī)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案： 一種慣性式壓電超聲電機(jī)，包括壓電復(fù)合振子、夾持裝置和圓桿，所述壓電復(fù)合振子 成對(duì)設(shè)置，前述成對(duì)設(shè)置的兩個(gè)壓電復(fù)合振子，分別為第一壓電復(fù)合振子、第二壓電復(fù)合振 子，對(duì)稱地分設(shè)在圓桿軸線兩側(cè)；所述壓電復(fù)合振子包括芯板以及兩片壓電陶瓷片，所述的 兩片壓電陶瓷片分別粘貼在芯板處于厚度方向上的內(nèi)外兩側(cè)面，芯板安裝在夾持裝置中， 而圓桿則與第一壓電復(fù)合振子的芯板、第二壓電復(fù)合振子的芯板之間所形成的夾持安裝部 相接觸；壓電陶瓷片與相應(yīng)的激勵(lì)電源連接。
[0005] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述夾持裝置包括兩個(gè)分體設(shè)置的夾持件， 分別為上夾持件、下夾持件；各夾持件包括固定部以及連接臂；所述固定部呈" n"設(shè)置，包括橫直段以及連接在橫直段兩端的堅(jiān)直段；固定部的堅(jiān)直段縱向開設(shè)貫穿的安 裝孔，且固定部的橫直段在端部分別連接有一連接臂，各連接臂皆設(shè)置有用于與芯板配合 連接的連接部a;上夾持件固定部的堅(jiān)直段與下夾持件固定部的堅(jiān)直段相背設(shè)置，且上夾 持件、下夾持件通過穿過安裝孔的螺紋連接組件鎖緊。
[0006] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述芯板，為一矩形板，在其長度方向的一個(gè)側(cè)邊的中 部位置開設(shè)夾持槽，在所述夾持槽的兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置一個(gè)與連接部a配合的連接部b;所述 芯板、夾持件之間通過連接部a、連接部b之間的配合連接而連成一體；所述夾持安裝部通 過第一壓電復(fù)合振子芯板上的夾持槽和第二壓電復(fù)合振子芯板上的夾持槽構(gòu)成。
[0007] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述夾持槽呈V形。
[0008] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述連接部a、連接部b為配合使用的凸起、插槽結(jié)構(gòu)。
[0009] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述凸起設(shè)置在芯板上，而插槽則開設(shè)在連接臂上。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述壓電復(fù)合振子為兩對(duì)，所述連接臂與固定部的堅(jiān) 直段形成T形狀；兩對(duì)壓電復(fù)合振子分設(shè)在固定部的兩側(cè)。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述上夾持件、下夾持件的兩側(cè)堅(jiān)直段端部之間均通 過一墊片連接。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述上夾持件、下夾持件所配裝的墊片中，至少有一片 為彈黃片。
[0013] 本發(fā)明的另一技術(shù)目的是提供一種上述慣性式壓電超聲電機(jī)的控制方法，包括以 下步驟：將壓電復(fù)合振子上芯板兩側(cè)的壓電陶瓷片均與同頻、同向、同型的鋸齒波激勵(lì)信號(hào) 連接；當(dāng)給壓電陶瓷片施加慢升電信號(hào)時(shí)，激勵(lì)壓電復(fù)合振子產(chǎn)生彎曲模態(tài)，并選擇芯板的 面外二階彎振作為工作模態(tài)，此時(shí)壓電復(fù)合振子在夾持安裝部對(duì)圓桿施加夾持力，壓電復(fù) 合振子將鎖住并抱緊圓桿，圓桿由于摩擦力作用將會(huì)隨著壓電復(fù)合振子的向前彎曲而向前 直線運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)慢升電信號(hào)施加到最大值時(shí)，瞬間轉(zhuǎn)換為快降電信號(hào)，壓電復(fù)合振子將快速 從彎曲狀態(tài)恢復(fù)至原來的平衡位置，此時(shí)，由于動(dòng)子自身慣性力的作用克服了壓電復(fù)合振 子回復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，促使圓桿繼續(xù)保持向前直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；當(dāng)快降電信號(hào)快速回 復(fù)至0,下一個(gè)周期的慢升電信號(hào)又開始激勵(lì)；重復(fù)上述的激勵(lì)過程，圓桿始終保持向前的 直線運(yùn)動(dòng)。
[0014] 根據(jù)以上的技術(shù)方案，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明所述的慣性式壓電超聲電機(jī)，不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、大力矩、高速度、高精度、大 行程、易于控制、方便使用等優(yōu)點(diǎn)，而且易于加工和實(shí)現(xiàn)微型化，可用于手機(jī)、相機(jī)、顯微鏡 等儀器設(shè)備的聚焦系統(tǒng)或者精密器械的驅(qū)動(dòng)部分。
[0015] 2、為了解決夾持問題對(duì)本發(fā)明電機(jī)性能的影響，將夾持裝置設(shè)計(jì)為上下兩部分， 同時(shí)每一部分上安裝兩組壓電復(fù)合振子；這樣一來，便是四組壓電復(fù)合振子在同頻、同向、 同型的鋸齒波激勵(lì)信號(hào)作用下驅(qū)動(dòng)圓桿的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。而最大的預(yù)壓力調(diào)節(jié)問題則通過 兩個(gè)螺栓將上、下夾持裝置連接起來，并在螺栓端部設(shè)置一個(gè)半環(huán)形彈簧片來解決。通過調(diào) 節(jié)螺栓來控制壓電復(fù)合振子與圓桿接觸的預(yù)壓力。同時(shí)由于V形槽具有調(diào)節(jié)預(yù)壓力的作 用，結(jié)合夾持裝置和彈簧片實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的預(yù)壓力的可調(diào)可控，對(duì)電機(jī)性能的提升具有很大 的作用。
【附圖說明】
[0016] 圖1是慣性式壓電超聲電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2是壓電復(fù)合振子的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3是芯板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖4是上夾持件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖5是下夾持件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖6是半部分定子的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖7是彈簧片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖8是鋸齒波信號(hào)示意圖。
[0024] 圖9是慣性式壓電超聲電機(jī)的原理示意圖。
[0025] 圖中：1、芯板；1. 1、V形槽；1. 2、凸起；2、壓電陶瓷片；3、上夾持件；3. 1、螺紋孔； 3. 2、上插槽；4、下夾持件；4. 1、通孔；4. 2、下插槽；5、圓桿；6、墊片；7、螺栓；8、彈簧片； 8. 1、安裝槽；壓電復(fù)合振子9。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖 詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0027] 如圖1、圖6所示，本發(fā)明所述的慣性式壓電超聲電機(jī)，包括壓電復(fù)合振子9、夾持 裝置和圓桿5,所述壓電復(fù)合振子成對(duì)設(shè)置，附圖中包括兩對(duì)，共四組；前述成對(duì)設(shè)置的兩 個(gè)壓電復(fù)合振子，分別為第一壓電復(fù)合振子、第二壓電復(fù)合振子，對(duì)稱地分設(shè)在圓桿5軸線 兩側(cè)；所述壓電復(fù)合振子包括芯板1以及分別粘貼在芯板1兩側(cè)面的兩片壓電陶瓷片2,芯 板1安裝在夾持裝置中，圓桿5通過第一壓電復(fù)合振子的芯板1與第二壓電復(fù)合振子的芯 板1之間所形成的夾持安裝部夾持固定。
[0028] 如圖2所示，本發(fā)明所述壓電復(fù)合振子由芯板1以及粘貼在芯板1沿厚度方向上 的內(nèi)外兩個(gè)表面的壓電陶瓷片2構(gòu)成；其中，所述芯板1，如圖3所示，為一矩形板，在其長 度方向的一個(gè)側(cè)邊的中部位置開設(shè)V形槽1. 1，在所述V形槽1. 1的兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置一個(gè)凸 起1. 2,因此，所述的V形槽1. 1的一個(gè)槽壁與相鄰的凸起1. 2之間形成凹槽，同時(shí)凹槽在凸 起1. 2 -側(cè)的槽壁根部設(shè)置有一個(gè)凸臺(tái)；所述壓電陶瓷片2與V形槽1. 1的槽底齊平。
[0029] 所述夾持裝置，如圖1、圖4、圖5所示，包括兩個(gè)分體設(shè)置的夾持件，分別為上夾持 件3、下夾持件4;各夾持件均包括固定部以及連接臂；所述固定部呈"n"設(shè)置，包括橫直 段以及