專利名稱：直線型超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的直線型超聲電機(jī)，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型動(dòng)力輸出裝置。其中，直線型超聲電機(jī)屬于直線電機(jī)的一種。該電機(jī)在具有一般超聲電機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上更是具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，運(yùn)動(dòng)精度高，無(wú)需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。此外，采用層疊式壓電陶瓷，充分利用了壓電陶瓷的d33效應(yīng)，可在利用小電壓驅(qū)動(dòng)的情況小得到更大的振動(dòng)振幅。目前，直線型超聲電機(jī)根據(jù)其產(chǎn)生接觸表面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)形式可分為駐波型直線超聲電機(jī)和行波型直線超聲電機(jī)，按照振動(dòng)位移又可分為面內(nèi)振動(dòng)形式和面外振動(dòng)形式，本電機(jī)屬于面內(nèi)振動(dòng)的駐波型直線超聲電機(jī)。因?yàn)閳A形才是實(shí)現(xiàn)行波的有利條件，所以行波方式用于直線型超聲電機(jī)會(huì)使振子體積很大，在驅(qū)動(dòng)振子時(shí)，必須使整個(gè)梁都產(chǎn)生振動(dòng)，功率消耗大，效率低。而利用面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)可進(jìn)一步使電機(jī)微型化，更體現(xiàn)超聲電機(jī)簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、大力矩、效率高，響應(yīng)速度快，應(yīng)用范圍更廣的直線型超聲電機(jī)。
本發(fā)明的直線型超聲電機(jī)，包括定子、動(dòng)子和層疊式壓電陶瓷。其特點(diǎn)是所述定子是由作用梁和通過(guò)絞支細(xì)條與作用梁相連接的且固定于底座上的弓形框所構(gòu)成，在作用梁兩端部與弓形框上端部?jī)?nèi)側(cè)之間分別粘貼縱振層疊式壓電陶瓷，在弓形框內(nèi)側(cè)底部中央粘貼彎振層疊式壓電陶瓷。提供定子與動(dòng)子之間預(yù)壓力的片彈簧通過(guò)調(diào)節(jié)部件固定在底座上。片彈簧還通過(guò)滑塊置于動(dòng)子上，將動(dòng)子壓在定子的驅(qū)動(dòng)頭上。兩個(gè)縱振層疊式壓電陶瓷采用兩相相位差為180°的正弦信號(hào)激勵(lì)，彎振層疊式壓電陶瓷采用與上述兩相信號(hào)相位差都為90°的正弦信號(hào)激勵(lì)，在這三組層疊式壓電陶瓷的聯(lián)合作用下，驅(qū)動(dòng)頭產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)推動(dòng)動(dòng)子連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成直線型超聲電機(jī)。
該超聲電機(jī)在具有一般超聲電機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，更具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，運(yùn)動(dòng)精度高，無(wú)需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，采用層疊式壓電陶瓷可在利用小電壓驅(qū)動(dòng)的情況小得到更大的振動(dòng)振幅，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。


圖1是直線型超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱1.底座；2.4.6.層疊式壓電陶瓷；3.驅(qū)動(dòng)頭；5.片彈簧；7.定子；8.動(dòng)子。
圖2是定子結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱9，弓形框；10，作用梁；11，絞支細(xì)條。
圖3是圖1的A-A剖視圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱1.底座；4.層疊式壓電陶瓷；3.驅(qū)動(dòng)頭；5.片彈簧；7.定子；8.動(dòng)子；9，弓形框；10，作用梁。
圖4動(dòng)子向圖示左方運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)的狀態(tài)示意圖。
其中(a)，(b)，(c)和(d)分別對(duì)應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)層疊式壓電陶瓷變形的四個(gè)極限位置。具體的，(a)為彎振層疊式壓電陶瓷4上升到最大位移，此時(shí)縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6保持常態(tài)，沒(méi)有位移變化，振子驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子接觸。(b)為彎振層疊式壓電陶瓷沒(méi)有位移的變化，縱振層疊式壓電陶瓷2達(dá)到拉伸的最大位移，縱振層疊式壓電陶瓷6則在壓縮的最大位移，振子驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子不接觸。(c)為彎振層疊式壓電陶瓷4下降到最大位移，此時(shí)縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6保持常態(tài)，沒(méi)有位移變化，振子驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子不接觸。(d)為彎振層疊式壓電陶瓷4沒(méi)有位移的變化，縱振層疊式壓電陶瓷2達(dá)到壓縮的最大位移，縱振層疊式壓電陶瓷6則在拉伸的最大位移，振子驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子不接觸。經(jīng)過(guò)一周循環(huán)后又回到(a)進(jìn)行下一次循環(huán)。
具體實(shí)施例方式一種直線型超聲電機(jī)如圖1、圖2、圖3所示。其特點(diǎn)定子7是由作用梁10，弓形框9及絞支細(xì)條11組成，在作用梁的三面周邊粘貼有層疊式壓電陶瓷2，4，6，動(dòng)子8為直線滑軌，片彈簧5直接提供定子與動(dòng)子間的預(yù)壓力，將動(dòng)子壓在定子驅(qū)動(dòng)頭上?？v振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6用于激勵(lì)作用梁產(chǎn)生縱振；彎振層疊式壓電陶瓷4用于激勵(lì)作用梁產(chǎn)生彎振，驅(qū)動(dòng)頭產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)推動(dòng)動(dòng)子連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成直線型超聲電機(jī)。縱振層疊式壓電陶瓷2和6使用相位差為180°的兩相正弦信號(hào)來(lái)激勵(lì)，而彎振層疊式壓電陶瓷4采用與上述兩者相位差都為90°的正弦信號(hào)來(lái)激勵(lì)。這樣，就可以在作用梁的上端面產(chǎn)生橢圓(或圓周)運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)動(dòng)子的連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)時(shí)只需改變縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6的相位差180°為-180°，即，互換縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6的激勵(lì)電壓，就可驅(qū)動(dòng)動(dòng)子的反方向直線運(yùn)動(dòng)。該超聲電機(jī)在具有一般超聲電機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，更具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，運(yùn)動(dòng)精度高，無(wú)需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，采用層疊式壓電陶瓷可在利用小電壓驅(qū)動(dòng)的情況小得到更大振幅，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1、利用的振子一階縱向固有振動(dòng)模態(tài)和一階彎曲固有振動(dòng)模態(tài)的頻率應(yīng)在超聲范圍內(nèi)，且縱振和彎振的共振頻率盡量一致，即要滿足頻率一致性的要求。2、由層疊式壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)出定子上作用梁振子上的一階縱振和一階彎振，兩者合成為驅(qū)動(dòng)面的表面橢圓運(yùn)動(dòng)，以引起動(dòng)子的連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。3、以相位差為180°的兩個(gè)同頻正弦信號(hào)分別激勵(lì)縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6，此時(shí)作用梁產(chǎn)生一階縱振，同時(shí)以與上述兩相正弦信號(hào)的相位差都為90°的同頻正弦信號(hào)激勵(lì)彎振層疊式壓電陶瓷4，可激發(fā)作用梁的一階彎振，這兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)在驅(qū)動(dòng)頭處合成為一個(gè)橢圓軌跡。4、為了減少裝夾對(duì)振型的影響，采用弓形框的設(shè)計(jì)，這樣就避免了找節(jié)面和節(jié)面狹窄的困難。5、考慮到應(yīng)使驅(qū)動(dòng)端的振幅盡可能大，本文將驅(qū)動(dòng)足置于作用梁上端的驅(qū)動(dòng)面中心。
下面是一個(gè)直線型超聲電機(jī)例子利用層疊式壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)d33激發(fā)出定子上作用梁振子的一階縱振和一階彎振。圖1是該電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由定子組件、動(dòng)子及機(jī)座組成。定子主要的部分是作用梁以及絞支細(xì)條，梁長(zhǎng)為33mm，寬為10mm，厚度和陶瓷片長(zhǎng)度保持一致，為3mm。絞支細(xì)條的長(zhǎng)為5mm，寬為0.5mm，以確保細(xì)條的彎曲港督遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其縱向剛度，這樣，作用梁冶就可簡(jiǎn)化為絞支梁之模型。
直線運(yùn)動(dòng)分析見(jiàn)圖4。動(dòng)子的正、反向運(yùn)動(dòng)靠交換縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6的正弦激勵(lì)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
向圖示左方的直線運(yùn)動(dòng)分析建圖4(a)，(b)，(c)和(d)分別對(duì)應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)的四個(gè)極限位置。具體的，(a)為彎振層疊式壓電陶瓷4上升到最大位移，此時(shí)縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6保持常態(tài)，沒(méi)有位移變化，振子驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子接觸。(b)為彎振層疊式壓電陶瓷沒(méi)有位移的變化，縱振層疊式壓電陶瓷2達(dá)到拉伸的最大位移，縱振層疊式壓電陶瓷6則在壓縮的最大位移，振子驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子不接觸。(c)為彎振層疊式壓電陶瓷4下降到最大位移，此時(shí)縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6保持常態(tài)，沒(méi)有位移變化，振子驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子不接觸。(d)為彎振層疊式壓電陶瓷4沒(méi)有位移的變化，縱振層疊式壓電陶瓷2達(dá)到壓縮的最大位移，縱振層疊式壓電陶瓷6則在拉伸的最大位移，振子驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子不接觸。經(jīng)過(guò)一周循環(huán)后又回到(a)進(jìn)行下一次循環(huán)。我們?cè)跈C(jī)座上可以加上兩個(gè)觀點(diǎn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行限位和切換縱振層疊式壓電陶瓷2和縱振層疊式壓電陶瓷6的激勵(lì)正弦信號(hào)，以保證動(dòng)子可來(lái)回反復(fù)地做直線運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種直線型超聲電機(jī)，包括定子、動(dòng)子和壓電陶瓷，其特征在于，所述定子(7)由作用梁(10)和通過(guò)絞支細(xì)條(11)與作用梁(10)相連接的且固定于底座(1)上的弓形框(9)所構(gòu)成，在作用梁(10)兩端部與弓形框(9)上端部?jī)?nèi)側(cè)之間分別粘貼縱振層疊式壓電陶瓷(2)和縱振層疊式壓電陶瓷(6)，在弓形框(9)內(nèi)側(cè)底部中央粘貼彎振層疊式壓電陶瓷(4)，提供定子(7)與動(dòng)子(8)之間預(yù)壓力的片彈簧(5)通過(guò)調(diào)節(jié)部件固定在底座(1)上，片彈簧還通過(guò)滑塊置于動(dòng)子(8)上，將動(dòng)子(8)壓在定子(7)的驅(qū)動(dòng)頭(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線型超聲電機(jī)，其特征在于，弓形框(9)采用具有相位差的正弦信號(hào)同時(shí)激勵(lì)三組層疊式壓電陶瓷，其中，縱振層疊式壓電陶瓷(2)和縱振層疊式壓電陶瓷(6)使用相位差為180°的正弦信號(hào)來(lái)激勵(lì)，而彎振層疊式壓電陶瓷(4)采用與上述兩者都成90°的正弦信號(hào)來(lái)激勵(lì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直線型超聲電機(jī)，其特征在于，只需改變縱振層疊式壓電陶瓷(2)和縱振層疊式壓電陶瓷(6)的相位差180°為-180°，即可驅(qū)動(dòng)動(dòng)子反方向直線運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一種直線型超聲電機(jī)，屬超聲電機(jī)類。該電機(jī)包括定子、動(dòng)子及機(jī)座。所述定子(7)是由作用梁(10)，弓形框(9)及絞支細(xì)條組成，貼于作用梁周邊的縱振層疊式壓電陶瓷(2)和縱振層疊式壓電陶瓷(6)用于激勵(lì)作用梁產(chǎn)生縱振；彎振層疊式壓電陶瓷(4)用于激勵(lì)作用梁產(chǎn)生彎振?？v振層疊式壓電陶瓷(2)和縱振層疊式壓電陶瓷(6)采用兩相相位差為180°的兩相正弦信號(hào)激勵(lì)，彎振層疊式壓電陶瓷(4)采用與上述兩相相位差都為90°的正弦信號(hào)激勵(lì)，在三組層疊式壓電陶瓷的聯(lián)合作用下，驅(qū)動(dòng)頭產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)推動(dòng)動(dòng)子連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，運(yùn)動(dòng)精度高，無(wú)需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。此外，充分利用了壓電陶瓷的d33效應(yīng)，可在利用小電壓驅(qū)動(dòng)的情況小得到更大振幅。
文檔編號(hào)H02N2/04GK1777012SQ20051012299
公開(kāi)日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者黃衛(wèi)清, 蘇艷文, 趙淳生 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)