专利名称：一种纵弯复合模态的直线超声电机的制作方法
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f， 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。
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。
具体实施例方式
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的纵振压电陶瓷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(^/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-n/2，直线导轨便作 反向运动。
权利要求
1、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，其特征在于所述复合振子整体呈棱柱型。
2、 根据权利要求l所述的直线超声电机，其特征在于所述压电陶瓷片横 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。
3、 根据权利要求l所述的直线超声电机，其特征在于所述复合振子还包 括盖板，预压力机构通过该盖板给复合振子加压。
4、 根据权利要求3所述的直线超声电机，其特征在于所述预压力机构包 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。
5、 根据权利要求4所述的直线超声电机，其特征在于所述动子包括线性 滑轨及设于线性滑轨底部的滚珠。
6、 根据权利要求5所述的直线超声电机，其特征在于所述驱动头采用变 截面超声变幅杆。
7、 根据权利要求6所述的直线超声电机，其特征在于线性滑轨上或者驱 动头与线性滑轨接触部位涂复有耐磨材料。
8、根据权利要求3所述的直线超声电机，其特征在于所述盖板与驱动头 均为金属弹性体。
全文摘要
本发明公开一种纵弯复合模态的直线超声电机，它利用复合振子一阶纵向振动模态和一阶弯曲振动模态，解决目前直线超声电机功率较低、驱动力普遍较小的问题；其包括底座、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，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，其中，复合振子整体呈棱柱型。此直线超声电机机电转换效率高，便于安装和修复，可提供较大的驱动力。本发明将在精密定位、半导体制造、伺服控制、机器人、汽车工业、航空航天及民用高科技等领域获得广泛应用，有着广阔应用前景。
文档编号H02N2/02GK101656490SQ20091019215
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者张铁民, 莉 梁, 平 罗 申请人:华南农业大学