专利名称：弯纵振动复合柱体直线超声波电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种弯纵振动复合柱体直线超声波电机，属于超声波电机制造的技 术领域。
背景技术：
超声波电机利用逆压电效应将电能转化为电机定子的振动，然后通过电机定 子和动子间摩擦耦合驱动电机动子运动。因而超声波电机具有一系列优点，与传 统的电磁电机相比，它具有惯性小、响应快、控制特性好、不受磁场影响、同时 本身也不产生磁场、定位精度高等特点。特别是它具有重量轻、结构简单、效率 高、噪声小、低速大扭矩、可直接驱动负载等特性。直线超声电机不仅具备了超 声电机一系列的优点，它还具有不需要丝杆机构进行运动转换，在闭环系统中能 实现高精度定位等优点。在国外，直线超声波电机被广泛应用于半导体制造、电 动医疗器械、工业自动化机器和计算机辅助制造等领域。上世纪卯年代中期， 国内开始了直线超声波电机的研究，并取得一定的成果。近年来，由于直线超声波电机位置分辨率高的特点，在半导体工业和其他精 密仪器装置领域，运用直线超声波电机产生大推力实现大范围运动的需求越来越 大。技术内容技术问题本发明的目的在于提供一种弯纵振动复合柱体直线超声波电机， 采用圆柱定子，圆柱定子柱体的弯曲振动控制驱动足和滑块接触面的摩擦力，利 用圆柱定子柱体的纵向振动产生定子推力。该电机具有直线超声波电机的全部优 点。此外，该电机还具有大推力和动态性能优良的特点。
技术方案 一种弯纵振动复合柱体直线超声波电机，该电机包括圆柱定子、 预紧机构、底座板，底座板水平设置，导轨安装板纵向垂直固定于底座板的左端， 导轨槽的底部固定于导轨安装板内侧中部，滑块滑动接触导轨槽的槽壁，滑块外 侧与驱动足的左端接触，预紧机构横向固定在底座板的右端，圆柱定子纵向设置 在驱动足与预紧机构之间，驱动足右端固定于圆柱定子左侧，圆柱定子右侧与预 紧机构的直线运动球支座左端弧线凹槽接触。上述的弯纵振动复合柱体直线超声波电机的圆柱定子包括五个匹配块，从圆 柱定子左端到右端相邻两个匹配块之间设有一个陶瓷片对且依次设置第一弯振 陶瓷片对、第一纵振陶瓷片对、第二纵振陶瓷片对、第二弯振陶瓷片对，各陶瓷 片对由两个压电陶瓷片之间夹有一个电极片构成，上述各陶瓷片对、电极片、匹 配块带有通孔，通孔的内壁与螺杆螺纹配合。预紧机构包含直线运动球支座、弹 簧、安放座、预压滑块、调节螺栓、轴承、导轨轴，直线运动球支座底部与底座 板接触，安放座垂直固定于底座板的右端，调节螺栓与安放座中孔的内壁螺纹配 合，调节螺栓左端设有预压滑块，在直线运动球支座右侧与预压滑块左端之间横 向设置弹簧，弹簧两侧水平设置导轨轴，导轨轴左端设有轴承与直线运动球支座 中部连接，导轨轴右端贯穿固定于安放座外侧。本发明弯纵振动复合柱体直线超声波电机，距圆柱定子两端三分之一圆柱定 子长度处分别设置驱动足。第一弯振陶瓷片对与第二弯振陶瓷片对反向极化且绕 轴位置上互差180度，第一纵振陶瓷片对、第二纵振陶瓷片对同向极化，上述各 陶瓷片对设置在两个驱动足之间。圆柱定子中点处和距圆柱定子两端六分之一圆 柱定子长度处分别设有夹持槽，三个预紧机构的直线运动球支座左端弧线凹槽分 别与夹持槽接触。通过预紧机构的直线运动球支座固定圆柱定子，圆柱定子在直线运动球支座 的夹持位置有凹槽以便于固定，通过调节预紧机构上的调节螺栓，调整对圆柱定 子的预压力。圆柱定子安有两个驱动足驱动导轨上滑块运动。该电机的圆柱定子 由匹配块和压电陶瓷片组成，在每两片压电陶瓷片之间设有电极片，从圆柱定子 左端到右端依次设置左匹配块、第一弯振陶瓷片对、第一中间匹配块、第一纵振 陶瓷片对、第二中间匹配块、第二纵振陶瓷片对、第三中间匹配块、第二弯振陶 瓷片对、右匹配块。上述各陶瓷片对、电极片、匹配块带有通孔，通孔的内壁与
螺杆螺纹配合。左匹配块和右匹配块通过螺杆连接并紧配合中间匹配块和压电陶 瓷片。压电陶瓷对两相激励弯曲振动的压电陶瓷的电极分割为两个区，并且相互 反向极化，两相激励纵向振动的压电陶瓷为一个分区，从每组陶瓷片中间引出电 极接入激励电源，陶瓷片与定子匹配块相接触的面接地。对纵向振动和弯曲振动 陶瓷片施加频率相同相位相差9(^的激励电源，产生相位差为卯^的两种振动模 态，使定子驱动足接触面质点产生椭圆运动，从而推动滑块滑行，通过交换两激 励电源相序就可以改变滑块的运动方向。有益效果本发明在于提供一种弯纵振动复合柱体直线超声波电机。采用圆 柱定子，利用柱体的弯曲振动控制定子和滑块接触面的摩擦力，利用柱体的纵向 振动产生定子推力。制作的定子直径为20mm的弯纵振动复合柱体直线超声波电 机，其最大输出推力达20N，最高速度达100mm/s。由上可见，本发明的弯纵振 动复合柱体直线超声波电机是以压电振动体、移动体和固定预紧机构组成的超声 波电机，它与传统电磁电机相比，具有推力大、快速动态响应和运行无噪声等突 出特点。
图l是本发明的总体结构侧视图。其中有圆柱定子l、预紧机构2、底座板 3、导轨安装板4、导轨槽5、滑块6、驱动足7、直线运动球支座21、弧线凹槽 211、弹簧22、安放座23、安放座中孔231、预压滑块24、调节螺栓25。图2是本发明的定子结构示意图。其中有夹持槽ll、螺杆12、匹配块13、 第一弯振陶瓷片对14、第一纵振陶瓷片对15、第二纵振陶瓷片对16、第二弯振 陶瓷片对17、电极片18、驱动足7。图3是本发明的总体结构俯视图。其中有圆柱定子l、预紧机构2、轴承26、 导轨轴27。图4是压电陶瓷安放位置示意图。其中有第一弯振陶瓷片对14、第一纵振 陶瓷片对15、第二纵振陶瓷片对16、第二弯振陶瓷片对17、电极片18，其中的 "+"为正向极化，"-"为反向极化。
具体实施例方式
电机包括圆柱定子l、预紧机构2、底座板3，底座板3水平设置，导轨安 装板4纵向垂直固定于底座板3的左端，导轨槽5的底部固定于导轨安装板(4) 内侧中部，滑块6滑动接触导轨槽5的槽壁51，滑块6外侧与驱动足7的左端 接触，预紧机构2横向固定在底座板3的右端，圆柱定子1纵向设置在预紧机构 2左端的弧线凹槽211中，驱动足7右端固定于圆柱定子1左侧。预紧机构2包含直线运动球支座21、弹簧22、安放座23、预压滑块24、调 节螺栓25、轴承26、导轨轴27，直线运动球支座21底部与底座板3接触，安 放座23垂直固定于底座板3的右端，调节螺栓25与安放座中孔231的内壁螺纹 配合，调节螺栓25左端设有预压滑块24，在直线运动球支座21右侧与预压滑 块24左端之间横向设置弹簧22，弹簧22两侧水平设置导轨轴27，导轨轴27 左端设有轴承26与直线运动球支座21中部连接，导轨轴27右端贯穿固定于安 放座23外侧。弯纵振动复合柱体直线超声波电机的圆柱定子1总长度为282 mm，直径为20 咖，包括五个匹配块13，从圆柱定子1左端到右端相邻两个匹配块之间设有一个 陶瓷片对且依次设置第一弯振陶瓷片对14、第一纵振陶瓷片对15、第二纵振陶瓷 片对16、第二弯振陶瓷片对17，各陶瓷片对由两个压电陶瓷片之间夹有一个电极 片18构成，上述各陶瓷片对、电极片18、匹配块带有通孔，通孔的内壁与螺杆 12螺纹配合。两个驱动足7分别设置在圆柱定子94 mm处和188咖处且处于同一 平面，第一弯振陶瓷片对14、第二弯振陶瓷片对17到圆柱定子中点处的距离分 别为12mm，第一纵振陶瓷片对15、第二纵振陶瓷片对16到圆柱定子中点处的距 离分别为4 mm，第一弯振陶瓷片对14与第二弯振陶瓷片对17反向极化且绕轴位 置上互差180度，第一纵振陶瓷片对15、第二纵振陶瓷片对16同向极化，上述 各陶瓷片对设置在两个驱动足7之间。从每组陶瓷片中间引出电极接入激励电源， 陶瓷片与定子匹配块相接触的面接地。对纵向振动和弯曲振动陶瓷片施加频率相 同相位相差90°的激励电源，产生相位差为90"的两种振动模态，使定子驱动足接 触面质点产生椭圆运动，从而推动滑块滑行，通过交换两激励电源相序就可以改 变滑块的运动方向。电机的最大输出推力达20N，最高速度达100mm/s。
权利要求
1、一种弯纵振动复合柱体直线超声波电机，其特征在于该电机包括圆柱定子(1)、预紧机构(2)、底座板(3)，底座板(3)水平设置，导轨安装板(4)纵向垂直固定于底座板(3)的左端，导轨槽(5)的底部固定于导轨安装板(4)内侧中部，滑块(6)滑动接触导轨槽(5)的槽壁(51)，滑块(6)外侧与驱动足(7)的左端接触，预紧机构(2)横向固定在底座板(3)的右端，圆柱定子(1)纵向设置在预紧机构(2)左端的弧线凹槽(211)中，驱动足(7)右端固定于圆柱定子(1)左侧。
2、根据权利要求1所述的弯纵振动复合柱体直线超声波电机，其特征在于 圆柱定子(1)包括五个匹配块(13)，从圆柱定子(1)左端到右端相邻两个匹 配块之间设有一个陶瓷片对且依次设置第一弯振陶瓷片对(14)、第一纵振陶瓷 片对(15)、第二纵振陶瓷片对(16)、第二弯振陶瓷片对(17)，各陶瓷片对由 两个压电陶瓷片之间夹有一个电极片(18)构成，上述各陶瓷片对、电极片(18)、 匹配块带有通孔，通孔的内壁与螺杆(12)螺纹配合。
3、 根据权利要求1所述的弯纵振动复合柱体直线超声波电机，其特征在于 预紧机构(2)包含直线运动球支座(21)、弹簧(22)、安放座(23)、预压滑块(24)、调节螺栓(25)、轴承(26)、导轨轴(27)，直线运动球支座(21)底部 与底座板(3)接触，安放座(23)垂直固定于底座板(3)的右端，调节螺栓(25) 与安放座中孔(231)的内壁螺纹配合，调节螺栓(25)左端设有预压滑块(24)， 在直线运动球支座(21)右侧与预压滑块(24)左端之间横向设置弹簧(22)， 弹簧(22)两侧水平设置导轨轴(27)，导轨轴(27)左端设有轴承(26)与直 线运动球支座(21)中部连接，导轨轴(27)右端贯穿固定于安放座(23)外侧。
4、 根据权利要求1所述的弯纵振动复合柱体直线超声波电机，其特征在于 距圆柱定子两端三分之一圆柱定子长度处分别设置驱动足(7)且处于同一平面。
5、 根据权利要求1所述的弯纵振动复合柱体直线超声波电机，其特征在于第 一弯振陶瓷片对(14)与第二弯振陶瓷片对(17)反向极化且绕轴位置上互差180 度，第一纵振陶瓷片对(15)、第二纵振陶瓷片对(16)同向极化，上述各陶瓷片 对设置在两个驱动足(7)之间。
6、根据权利要求1所述的弯纵振动复合柱体直线超声波电机，其特征在于 圆柱定子(1)中点处和距圆柱定子(1)两端六分之一圆柱定子长度处分别设有 夹持槽(11)，三个预紧机构(2)的直线运动球支座(21)左端弧线凹槽(211) 分别与夹持槽(11)接触。
全文摘要
弯纵振动复合柱体直线超声波电机是一种圆柱定子弯曲振动型的直线超声波电机包括圆柱定子(1)、预紧机构(2)、底座板(3)。圆柱定子(1)包括五个匹配块(13)、第一弯振陶瓷片对(14)、第一纵振陶瓷片对(15)、第二纵振陶瓷片对(16)、第二弯振陶瓷片对(17)。通过预紧机构(2)对圆柱定子(1)施加法向预压力。通过调节螺栓(25)，调整对圆柱定子(1)的预压力。该电机具有直线超声波电机的一系列优点，此外，该电机还具有输出力大、调速范围宽的特点。
文档编号H02N2/02GK101162876SQ20071013148
公开日2008年4月16日 申请日期2007年8月31日 优先权日2007年8月31日
发明者徐志科, 秦申蓓, 胡敏强, 龙 金, 强 陈 申请人:东南大学