一种纵弯复合模态的直线超声电机 【技术领域】
本发明涉及一种超声电机，尤其涉及一种螺栓轴型纵弯复合模态的直线超声电机。
背景技术
直线超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成动子的宏观直线运动的一种新型电机。它与传统电磁式直线电机相比，具有结构简单、紧凑、功率密度大、定位精度高、灵敏度高、可断电自锁、不需运动转换机构即可直接输出直线运动等一系列优点。
目前，直线超声电机通常采用圆柱体兰杰文振子，利用纵、弯等复合振动模态，为使振子表面质点产生椭圆运动轨迹，振子纵向和弯曲振动频率必须趋于一致，但由于圆柱体复合振子圆截面的对称性，在同一或相近频率激励下，将必然同时存在绕X轴和绕Y轴的同频弯曲振动，使所设计的直线超声电机效率和可靠性降低。另外，采用圆柱体复合振子，在装配过程中难于保证激励振子弯曲振动的压电陶瓷片对正。因此也使直线超声电机的效率、驱动力、驱动速度及可靠性等性能降低，难于实现工业化应用。
【发明内容】
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种纵弯复合模态的直线超声电机，该电机相对于其他采用圆柱形兰杰文振子和其它利用纵弯模态的直线超声电机，其优点是便于设计、制造和安装、结构简单、可靠性高、成本低。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种纵弯复合模态的直线超声电机，包括底座、设于底座上的复合振子、给复合振子加压的预压力机构及与复合振子接触的动子，该复合振子包括压电陶瓷片、与压电陶瓷片电连接的电极片及与压电陶瓷片连接且与动子接触的驱动头，压电陶瓷片分两组，分别用以激励驱动头的弯曲振动模态和纵向振动模态，所述复合振子整体呈棱柱型。
所述压电陶瓷片横截面为矩形，中间设有通孔，其中一组沿轴向同向极化的压电陶瓷片为纵振压电陶瓷片，每两个纵振压电陶瓷片为一组，且反极化方向连接，其公共接触区为电源信号输入端，非公共接触区为输入地端；另外一组压电陶瓷片沿矩形面长度方向分成两个对称的极化区，并沿厚度方反向极化，为弯振压电陶瓷片，每两个弯振压电陶瓷片为一组，反极化方向连接，其公共接触区为电源信号输入端，非公共接触区为输入地端。
所述复合振子还包括盖板，预压力机构通过该盖板给复合振子加压。
所述预压力机构包括插装于底座底部的预压力施加螺钉、设于预压力施加螺钉末端的预压力螺母、与预压力螺母接触的预压弹簧及与预压弹簧连接的预紧螺栓，该预紧螺栓依次插装于盖板、两组压电陶瓷片及驱动头的中孔内，将盖板、两组压电陶瓷片及驱动头串接一起。
所述动子包括线性滑轨及设于线性滑轨底部的滚珠。
所述驱动头采用变截面超声变幅杆。
线性滑轨上或者驱动头与线性滑轨接触部位涂复有耐磨材料。
所述盖板与驱动头均为金属弹性体。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
发明将复合振子整体设计成棱柱型，就由于棱柱体复合振子圆截面的不对称性，在同一或相近频率激励下，可以避免同时绕X轴和绕Y轴的同频弯曲振动，使所设计的直线超声电机效率和可靠性提高。另外，采用棱柱体复合振子，在装配过程中易于保证激励振子弯曲振动的压电陶瓷片对正。因此可使直线超声电机的效率、驱动力、驱动速度及可靠性等性能提高，易于实现工业化应用。
【附图说明】
图1为本发明的纵弯复合模态的直线超声电机的结构示意图；
图2为纵振压电陶瓷片分区极化示意图；
图3为弯振压电陶瓷片分区极化示意图；
图4a为复合振子的正面结构图，图4b为复合振子的侧面结构图；
图5为直线超声电机所利用模态及模态复合示意图。
图1及图4中标号名称是：1-底座，2-盖板，3-弯振压电陶瓷片(分区极化)，4-纵振压电陶瓷片(同向不分区极化)，5-驱动头，6-电极片，7-滚珠，8-线性滑轨，9-预紧螺栓，10-预压弹簧，11-预压力螺母，12-预压力施加螺钉。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1至图5所示，一种纵弯复合模态的直线超声电机，包括底座1、设于底座1上的复合振子、给复合振子加压的预压力机构及与复合振子接触的动子，该复合振子包括压电陶瓷片、与压电陶瓷片电连接的电极片6及与压电陶瓷片连接且与动子接触的驱动头5，压电陶瓷片分两组，分别用以激励驱动头的弯曲振动模态和纵向振动模态，所述复合振子整体呈棱柱型。
如图2、图3所示，所述压电陶瓷片横截面为矩形，中间设有通孔，其中一组沿轴向同向极化的压电陶瓷片为纵振压电陶瓷片4，每两个纵振压电陶瓷片4为一组，且反极化方向连接，其公共接触区为电源信号输入端，非公共接触区为输入地端；另外一组压电陶瓷片沿矩形面长度方向分成两个对称的极化区，并沿厚度方反向极化，为弯振压电陶瓷片3，每两个弯振压电陶瓷片3为一组，反极化方向连接，其公共接触区为电源信号输入端，非公共接触区为输入地端。
所述复合振子还包括盖板2，预压力机构通过该盖板2给复合振子加压。
所述预压力机构包括插装于底座1底部的预压力施加螺钉12、设于预压力施加螺钉12末端的预压力螺母11、与预压力螺母11接触的预压弹簧10及与预压弹簧10连接的预紧螺栓9，该预紧螺栓9依次插装于盖板2、两组压电陶瓷片3、4及驱动头5的中孔内，将盖板2、两组压电陶瓷片3、4及驱动头5串接一起。
所述动子包括线性滑轨8及设于线性滑轨8底部的滚珠7；所述驱动头5采用变截面超声变幅杆；线性滑轨8上或者驱动头5与线性滑轨8接触部位涂复有耐磨材料；所述盖板2与驱动头5均为金属弹性体。
该直线超声电机利用复合振子的一阶纵振模态和一阶弯振模态的复合模态作为工作模态，如图5所示。经合理的结构设计，当驱动电源将一定相位差超声频率的交流激励信号施加给该复合振子内部地纵振压电陶瓷4和弯振压电陶瓷片3时，在压电陶瓷逆压电效应作用下，复合振子将同时被激发出一阶纵向L1和一阶弯曲B1两种振动，且使这两振动模态的频率相差很小或相近。压电陶瓷片均沿厚度方向极化，利用压电陶瓷的d33效应激励出驱动振子的对称振动和反对称振动模态耦合的复合振动。
复合振子作一阶纵振时驱动头上的质点作纵向运动，复合振子在一阶弯曲振动时驱动足上的质点作横向运动，在有一定相位差(π/2)的复合振子一阶纵振和一阶弯振复合共振模态下，驱动头上质点的运动轨迹为椭圆。当在复合振子与直线导轨之间施加一定的预压力时，驱动头和直线滑轨之间的摩擦力就能带动直线滑轨做直线运动。改变两激励信号的相位差为-π/2，直线导轨便作反向运动。