专利名称：运动叠加式直线型超声电机及电激励方式的制作方法
技术领域：
本发明的运动叠加式直线型超声电机及电激励方式，属超声电机领域。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。直线型超声电机是超声电机的一大分类。其中，行波型直线超声电机属于直线型超声电机的一种。目前，行波型直线超声电机采用直梁式或环梁式结构，环梁式行波型直线超声电机利用粘接在梁上的压电陶瓷激出环梁表面的行波来驱动压在梁上的动子作直线运动。直梁式行波型直线超声电机是利用直梁两端的振子分别激振和吸振形成梁表面的行波来驱动滑块运动。这两种结构的行波型直线超声电机上的梁体积都比较大，电机驱动动子时必须使整个梁都产生振动，功率消耗大，效率低，采用单面驱动，速度低，力矩小。
发明内容
本发明的目的在于研制一种尺寸小、结构简单、力矩大、速度快、效率高、响应速度快的运动叠加式直线型超声电机。
本发明的运动叠加式直线型超声电机，包括定子和动子及压电陶瓷。其特点是所述定子是一个环形弹性体，弹性体上下端面分别有均匀分布的驱动齿，弹性体内部上下面分别粘接有压电陶瓷，用于激励弹性体产生振动。动子由两个滑条组成；利用压缩弹簧的弹簧力将滑条压在定子驱动齿面上；利用相位差π/2的同频率正弦信号同时激励上下两层压电陶瓷来分别激发定子的两个的振动模态，这两个振动模态的叠加形成定子表面行波使得驱动端面上各质点产生椭圆运动来推动动子连续直线运动。其中，下滑条固定，定子下驱动端面驱动其自身作自行式直线运动；与此同时定子的上驱动端面驱动上滑条作相同方向的直线运动。电机上滑条的输出运动则是这两个运动的叠加。当激励信号相反时，即可实现动子的反方向直线运动。
该直线超声电机结构简单、尺寸小、输出力矩大、速度高、效率高。
图1是运动叠加式直线超声电机结构示意图。图中标号名称1.下滑条；2.弹性体；3.下滑块；4.螺栓；5.滑轮6.上滑条；7.上滑块；8.螺母；9.压缩弹簧；10.压电陶瓷片；11.中间块。
图2是运动叠加式直线超声电机行波形成原理图。其中图2(a)是弹性体的弯曲模态(一)；图2(b)是弹性体的弯曲模态(二)。图2所示的两个弯曲模态在空间相位上相差π/2。
图3是压电陶瓷片极化分区示意图，其中图3(a)为定子上层压电陶瓷片极化示意图；图3(b)为定子下层压电陶瓷片极化分区示意图。
图4是定子驱动齿表面的运动轨迹示意图，其中图4(a)为定子驱动齿表面质点顺时针运动示意图；图4(b)为电机输出左向运动示意图；图4(c)为定子驱动齿表面质点逆时针运动示意图；图4(d)为电机输出向右运动示意图。
具体实施例方式一种运动叠加式直线型超声电机如图1所示。其特点定子是带有均匀分布驱动齿的环形弹性体2，弹性体内部上下两面粘接有压电陶瓷片10，用于分别激励弹性体的两个弯曲模态。动子由下滑块3和上滑条6组成；下滑块用中间块11和螺栓4使其与弹性体及上滑块保持位置固定，压缩弹簧9的弹簧力使弹性体的带驱动齿的两个驱动面分别压在可动的上滑条和固定的下滑条上；由上下两层压电陶瓷片来分别激发定子的两个的振动模态，这两个振动模态的叠加形成弹性体表面行波使得下驱动端面上各质点产生椭圆运动来推动弹性体做直线运动，弹性体则带动上下滑块一体运动；同时弹性体上驱动端面上各质点的椭圆运动也推动上滑条做相同方向的直线运动，构成直线超声电机。反方向的运动则由相反的驱动信号来激励弹性体振动模态而实现。该电机采用两个驱动面的行波驱动，实现上下两种运动叠加，速度快，效率高。
结构设计原则1、由压电陶瓷片的逆压电效应激发弹性体的两个振动模态，调节弹性体的结构尺寸应使这两个振动频率一致、并且空间相位差π/2。2、以相位差为π/2的两个同频率正弦信号分别激励上下两层压电陶瓷，激发弹性体的两个振动模态合成为弹性体上下端面的行波，在驱动齿端面各质点形成椭圆轨迹，驱动动子直线运动。
下面是一个运动叠加式直线型超声电机例子利用压电陶瓷片的逆压电效应d31激发出定子的两个振动模态。图1是该电机的结构示意图，它主要由定子、动子组成。定子是一个环形的金属弹性体，左右两端分别为半圆弧形，上下两端面为直线形，上下两端平面开有齿矩1mm、齿宽2mm、槽深1mm的均匀分布的驱动齿，用于放大驱动齿面的振幅。弹性体内部上下两个面粘接两层压电陶瓷片，分别用于激励定子的两个振动模态。整个定子尺寸为36mm×18mm×8mm。
电机定子驱动表面的运动轨迹分析见图4定子上下两层压电陶瓷片按图3(a)、(b)所示分区。压电陶瓷片箭头方向表示极化方向。其中上层压电陶瓷片为三个分区，其长度比例为3∶4∶3，用来激励定子的振动模态(一)(见图2(a))；下层压电陶瓷片为两个分区，其长度相等，用来激励定子的振动模态(二)(见图2(b))。提供正弦激励信号E＝Usinωt给上层压电陶瓷片的11、12和13三个面，同时提供余弦激励信号E＝Ucosωt给下层压电陶瓷片的21和22两个面，同时激励定子的两个同频相位差π/2的振动模态，这两个模态合成定子的沿顺时针方向的行波。定子上下驱动齿面质点的运动为沿顺时针方向的椭圆运动1(见图4(a))。如图4(b)所示定子下驱动齿面驱动定子自身作向右的直线运动2，同时定子上驱动齿面驱动上滑条作相对定子向右的直线运动3，上滑条的绝对运动则是两个向右运动的叠加；提供余弦激励信号E＝Ucosωt给上层压电陶瓷片的11、12和13三个面，同时提供正弦弦激励信号E＝Usinωt给下层压电陶瓷片的21和22两个面，同时激励定子的两个同频相位差π/2的振动模态，这两个模态合成定子的沿逆时针方向的行波。定子上下驱动齿面质点的运动为沿逆时针方向的椭圆运动1(见图4(c))。如图4(d)定子下驱动齿面驱动定子作向左的直线运动2，同时定子上驱动齿面驱动上滑条作相对于定子的向左的直线运动3，上滑条的绝对运动则是两个向左运动的叠加。
权利要求
1.一种运动叠加式直线型超声电机，包括定子、动子和压电陶瓷片，其特征在于，所述定子包括上下两外侧面带驱动齿的环形弹性体(2)、压电陶瓷片(10)，两片压电陶瓷片(10)分别粘接在环形弹性体(2)内腔上下两内侧表面上，所述动子包括内侧面带滑轮的上下两块滑块(7，3)和可动的上滑条(6)、固定的下滑条(1)，其中可动的上滑条(6)内侧面压在环形弹性体(2)上外侧面的驱动齿上，固定的下滑条(1)内侧面压在环形弹性体(2)下外侧面的驱动齿上，上滑块(7)通过内侧面的滑轮放置在可动的上滑条(6)外侧面上，下滑块(3)通过内侧面的滑轮与固定的下滑条(1)的外侧面相接触，利用螺栓(4)贯穿于定子和动子的中间孔并通过套装在螺栓(4)上端上的压缩弹簧(9)提供的弹簧力及置于环形弹性体(2)内腔中间的中间块(11)，将定子和动子连接成一整体构成运动叠加式直线型超声电机。
2.一种如权利要求1所述的运动叠加式直线型超声电机的电激励方式，其特征在于，用两个相位差为π/2的正弦信号同时激励定子的两个同频相位差π/2的振动模态可使定子产生行波，使得定子上下驱动齿面产生椭圆运动推动动子连续直线运动。
全文摘要
一种运动叠加式直线型超声电机及电激励方式，属超声电机。该电机包括定子、动子。所述定子是环形弹性体(2)，弹性体外部上下两端面有均匀分布的驱动齿，内部上下两端面分别粘接压电陶瓷片(10)。所述动子包括下滑块(3)、上滑块(7)和上滑条(6)；利用压缩弹簧(9)提供的弹簧力将可动上滑条和固定的下滑条(1)分别压在定子两侧驱动齿面上。上下两层压电陶瓷分别激励定子的两个的振动模态叠加形成定子表面行波，使得驱动端面上各质点产生椭圆运动来推动动子连续直线运动。上滑块的运动作为电机的输出运动，是上滑块相对与定子的相对运动和定子的自行运动的叠加。该直线超声电机可输出大力矩、高速度、高效率的直线运动。
文档编号H02N2/06GK101071999SQ20071002096
公开日2007年11月14日 申请日期2007年4月5日 优先权日2007年4月5日
发明者赵淳生, 李玉宝 申请人:南京航空航天大学