专利名称：一种薄壁自由梁驱动的直线超声电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及的利用矩形截面薄壁自由梁的弯曲振动模态驱动的直线超声 电机，尤其涉及一种薄壁自由梁驱动的直线超声电机
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷逆压电效应激发定子弹性体产生超声频域微幅 机械振动，再通过定子与转子(或动子)之间的摩擦作用将定子的微幅振动转 换成转子(或动子)的宏观的转动(或直线运动)。它打破了惯常的由电磁感 应效应获得速度和动力的传统电机的概念，与传统的电磁电机相比，具有动力 密度大、响应快、无噪声、电磁兼容性好等一系列独特的性能。超声电机技术
在20世纪末得到迅速发展，已在航空航天、机器人、汽车、精密定位仪、微型 机械等领域里得到成功的应用，它是当今国内外微特电机领域研究的热点之
超声电机分为旋转型和直线型两大类。与传统的电磁型直线电机相比，直 线型超声电机的最大特点是无需运动转换机构、定子通过直接驱动动子实现直 线运动。直线超声电机的研究略晚于旋转型超声电机，却因其独特的优点而备 受青睐，并成该领域内的又一热点。本世纪初以来，日本、美国、俄罗斯、以 色列、新加坡等国先后研制出了多种型式的直线超声电机，其中有些还得到了 工作应用，但总的来看，日本的直线超声电机技术走在世界前列。国内的直线 超声电机研究始于上世纪90年代末，南京航空航天大学、中国科学院、清华大 学、华中科技大学等高等院校和科研院所在这方面做了不少的研究，并取得了 一定的成果。但总的来说，我国直线超声电机仍处于研究阶段，与国外相比仍存在较大差距。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄壁自由梁驱动的直线超声电机，该超声电机 具有亚微米级(甚至更高)定位精度、毫秒级响应速度、较快的运动速度、较 大的输出推力，应用范围广泛。
本发明是这样实现的，它包括定子组件、动子组件、支座组件、预紧加压 组件,其特征是预紧加压组件连接定子组件，定子组件和动子组件分别连接支座 组件。
本发明所述的定子组件包括定子、驱动齿、压电陶瓷，定子正面连有6个 驱动齿，定子通过驱动齿连接动子组件，定子背面连有压电陶瓷。
本发明所述的动子组件包括上盖板、动子体、滚珠、滚珠盖，滚珠放置在 上盖板的盲孔内之后用滚珠盖将其定位，滚珠盖固定连接上盖板，动子上开有 V型槽，滚珠通过V型槽对动子进行导向。
本发明所述的支座组件包括短挡板、长挡板、底座，短挡板和长挡板分别 固定连接底座，底座上开有若干个安装孔。
本发明所述的预紧加压组件包括弹簧、调节垫片、调节螺钉、弹性体，调 节螺钉连接下端的调节垫片，两块调节垫片之间连有弹簧，调节垫片两端分别 连有弹性体。
本发明所述的定子为矩形截面结构薄壁自由梁。
本发明所述的压电陶瓷分两层布置在定子背面上，第一层压电陶瓷由6个 高性能压电晶片所组成，第二层压电陶瓷由9个高性能压电晶片组成，各晶片 之间均少许留出间隙，两层压电陶瓷中的各压电晶片均具有相同的极化方向配 置，每块晶片上均需接入适当配置且频率处于超声频域的调频、调幅谐波激励 电信号。
4本发明的技术效果是(1)定子采用薄壁自由梁结构，有利于实现电机小 型轻量化；(2)电机基于驻波弯曲振动模态驱动，可使电机输出较大推力；(3) 定子驱动齿步距小，动子位置分辨率高，电机可实现亚微米级甚至更高精度的 快速精密定位；(4)电机性能更稳定。动子设计成具有适度柔性的结构，可保 证定子与动子具有较理想的界面接触状态，这将大大改善电机稳定性，减小其 发热；(5)动子运动阻力小，由于动子组件采用滚珠导向结构，可大大减小电 机的摩擦阻力，提高电机和效率和响应速度。
图l为本发明的二维示意图。 图2为本发明的三维结构图。 图3为本发明的定子组件和动子组件的结构示意。 图4为本发明的驱动齿和压电陶瓷片分布图。 图5为本发明的定子梁的工作模态B^示意图。 图6为本发明的定子梁的工作模态B^示意图。 图7为本发明的激发Bc6模态的压电陶瓷的极化配置与供电方式。 图8为本发明的激发B。9模态的压电陶瓷的极化配置与供电方式。 图9为本发明的定子推动动子组件做正向直线运动的机理。 图10为本发明的定子推动动子组件做反向直线运动的机理。
具体实施例方式
如图l、图2所示，本发明是这样实现的，它包括定子组件、动子组件、 支座组件、预紧加压组件，其特征是预紧加压组件连接定子组件，定子组件和动 子组件分别连接支座组件。
如图3所示，本发明所述的定子组件包括定子11、驱动齿9、压电陶瓷12，其特征是定子11正面连有六个驱动齿9，定子11的背面连有压电陶瓷12。 如图3所示，本发明所述的动子组件包括上盖板l、动子2、滚珠7、滚珠
盖8，其特征是滚珠7放置在上盖板1的盲孔之后用滚珠盖8将其定位，用螺
钉10将滚珠盖8固定连接上盖板1，动子2上幵有V型槽，滚珠通过V型槽
对动子组件进行导向。
如图1所示，本发明所述的支座组件包括短挡板3、长挡板4、底座5，其
特征是短挡板3和长挡板4分别通过螺栓6固定连接底座5，底座5上开有若
干个安装孔。
如图2所示，本发明所述的预紧加压组件包括弹簧14、调节垫片13、调 节螺钉15、弹性体16，其特征是调节螺钉15连接下端的调节垫片13，两块调 节垫片13之间连有弹簧14，调节垫片13两端分别连有弹性体16。
如图4所示，本发明所述的压电陶瓷12,压电陶瓷12分两层布置，第一
层压电陶瓷由六个高性能压电晶片所组成，第二层压电陶瓷由九个高性能压电
晶片组成，各晶片之间均留出少许间隙，两层压电陶瓷中的各压电晶片均具有
相同的极化方向配置，每块晶片上均需接入适当配置且频率处于超声频域的调
频、调幅谐波激励电信号。如图5、图6所示，选取定子11的B。6 、 BQ9弯曲振动模态作为电机的工
作模态。为了避免电机运转时可能引起的机械振动噪声，定子ll的结构与尺
寸必须确保上述两种模态的模态频率处于超声频域内。
本发明通过定子组件的超声频域机械振动推动动子组件2运动。为了激发
定子11的纯弯曲振动工作模态动，需在定子11的背面粘贴压电陶瓷12，并需
在压电陶瓷12上施加高频激励电信号，使压电陶瓷12产生逆压电效应，弓|起
定子11机械振动，并且为了激发定子11的B。6模态，贴于定子11背面压电
陶瓷应按图7所示方式极化和供电；为了激发定子11的B。9模态，贴于定子11背面的压电陶瓷12应按图8所示方式进行极化和供电。
本发明的电机的工作原理是通过在压电陶瓷12上施加高频谐波激励信
号激发定子(11)的B。6 (或Bo9)弯振模态，致使驱动齿9的顶面处质点作正 向(或反向)椭圆运动，并借助驱动齿9与动子2之间的摩擦力推动动子2做 往复直线运动。
图9给出了驱动齿9推动动子2做正向直线运动的情况。动子2的正向驱 动是通过定子11的Bo9模态实现，如图9b)所示。定子在按B。，9模态进行弯 曲振动的前半周期，驱动齿92、 93和96与动子2接触且作顺时针摆动，通过驱 动齿9与动子2之间的摩擦作用推动动子2作正向直线运动，驱动齿9p 94 和95与动子处于脱离状态；在定子11按Bo9模态进行弯曲振动的后半周期， 驱动齿92、 93和96与动子脱离接触，不向动子2传递动力，而驱动齿A、 94 和95与动子组件2接触且作顺时针摆动，通过驱动齿9与动子2之间的摩擦作 用继续推动动子2作正向直线运动，完成一个周期运动。如图9c)。
图10给出了驱动齿9推动动子做2反向直线运动的情况。动子2的反向 驱动是通过定子11的Bo6模态实现，如图10b)所示。定子在进行Bo,6模态弯 振的前半周期，驱动齿92、 94和96与动子2接触且作逆时针摆动，通过驱动齿 9与动子2之间的摩擦作用推动动子2作反方向直线运动，驱动齿9" 93和95 与动子2处于脱离状态；定子11在B。，6模态弯振的后半周期，驱动齿92、 94 和96与动子脱离接触，不向动子2传递动力，而驱动齿9p 93和95与动子2 接触且作逆时针摆动，通过驱动齿9与动子2之间的摩擦作用继续推动动子2 作反向直线运动，完成一个周期运动。如图10c)。
权利要求
1、一种薄壁自由梁驱动的直线超声电机，它包括定子组件、动子组件、支座组件、预紧加压组件，其特征是预紧加压组件连接定子组件，定子组件和动子组件分别连接支座组件。
2、 根据权利要求l所述的薄壁自由梁驱动的直线超声电机，其特征是定 子组件包括定子、驱动齿、压电陶瓷，定子正面连有6个驱动齿，定子通过驱 动齿连接动子组件，定子背面连有压电陶瓷。
3、 根据权利要求l所述的薄壁自由梁驱动的直线超声电机，其特征是动 子组件包括上盖板、动子体、滚珠、滚珠盖，滚珠放置在上盖板的盲孔内之后 用滚珠盖将其定位，滚珠盖固定连接上盖板，动子上开有V型槽，滚珠通过V 型槽对动子进行导向。
4、 根据权利要求l所述的薄壁自由梁驱动的直线超声电机，其特征是支 座组件包括短挡板、长挡板、底座，短挡板和长挡板分别固定连接底座，底座 上开有若千个安装孔。
5、 根据权利要求l所述的薄壁自由梁驱动的直线超声电机，其特征是预 紧加压组件包括弹簧、调节垫片、调节螺钉、弹性体，调节螺钉连接下端的调 节垫片，两块调节垫片之间连有弹簧，调节垫片两端分别连有弹性体。
6、 根据权利要求l、 2所述的薄壁自由梁驱动的直线超声电机，其特征是 所述的定子为矩形截面结构薄壁自由梁。
7、 根据权利要求2所述的薄壁自由梁驱动的直线超声电机，其特征是所 述的压电陶瓷分两层布置在定子背面上，第一层压电陶瓷由6个高性能压电晶 片所组成，第二层压电陶瓷由9个高性能压电晶片组成，各晶片之间均少许留 出间隙，两层压电陶瓷中的各压电晶片均具有相同的极化方向配置，每块晶片 上均需接入适当配置且频率处于超声频域的调频、调幅谐波激励电信号。
全文摘要
一种薄壁自由梁驱动的直线超声电机，它包括定子组件、动子组件、支座组件、预紧加压组件，其特征是预紧加压组件连接定子组件，定子组件和动子组件分别连接支座组件。本发明的技术效果是(1)定子采用薄壁自由梁结构，有利于实现电机小型轻量化；(2)电机基于驻波弯曲振动模态驱动，可使电机输出较大推力；(3)电机可实现亚微米级甚至更高精度的快速精密定位；(4)电机性能更稳定。动子设计成具有适度柔性的结构，可保证定子与动子具有较理想的界面接触状态，这将大大改善电机稳定性，减小其发热；(5)提高电机的效率和响应速度。
文档编号H02N2/04GK101604928SQ200910115708
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者占晓煌, 曾劲松, 良 汪, 贺红林, 龙玉繁 申请人:南昌航空大学