专利名称：压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机的制作方法
技术领域：
本发明属于超声应用领域，特别涉及一种直线型超声波压电电机的结构设计。
背景技术：
压电超声电机是利用压电材料的逆压电效应，采取特定的结构制成的驱动机构，它一般由定子、转子或动子以及预压力机构等功能部件构成。它利用压电陶瓷的逆压电效应，在定子表面产生超声振动，并由定子与转子或动子之间的摩擦力驱动转子或动子运动。超声电机具有以下优于普通电磁电机的特点1、低转速、大转矩，不需要减速机构可直接驱动负载；2、体积小、结构灵活，功率体积比是电磁电机的3-10倍；3、起动停止响应快，响应时间小于1毫秒；4、不产生电磁干扰，也不受电磁干扰；5、有自保持力矩，无齿轮间隙，可精密定位；6、运行安静无噪声。
采用面内复合振动模式的超声波直线电机是超声电机的一种。这种直线电机与采用其他振动模式的超声波直线电机相比，优点在于同样的输出力(或力矩)下，其驱动机构(定子)可以做得更小，重量更轻。目前已有产品化的面内复合振动模态的超声波直线电机。
常见的复合振动模式的超声波直线电机采用了压电陶瓷板作定子，如图1所示，其中，图1(a)是一种采用压电陶瓷板作定子的复合振动模式的超声波直线电机，它采用一整块压电陶瓷板作定子，将压电陶瓷板沿厚度方向极化，并分成四个区111、112、113和114，其中对角的两个区111、114加sinwt激励信号，对角的另外两个区112、113加coswt激励信号，通过预压力机构117在压电陶瓷板上激发出纵振和弯曲振动的复合振动模态，用驱动头115驱动动子116运动。图1(b)是该直线电机的驱动原理示意图。其中121是矩形板，其带动122驱动头一起振动，驱动动子123运动。直线型超声电机可在小型、微型机械、精密定位、伺服控制以及航天等方面获得广泛应用，可将超声电机的应用推向一个新的阶段。但是采用压电陶瓷板作定子的超声波直线电机存在压电陶瓷板容易破裂，装夹困难的缺点。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，该电机相对于采用整块压电陶瓷板作定子的直线电机，其优点是陶瓷的极化方式和布局比较灵活，便于安装和修复。
本发明提出的采用压电陶瓷金属复合板做定子的超声波直线压电电机，主要由激励超声振动的定子，输出力矩的动子以及给动子加压的预压力机构组成；所说的定子由八片激励振动的压电陶瓷片以及金属板构成，该金属板的侧面上设有使动子运动的驱动足，该各压电陶瓷片对称粘贴在金属板的两表面上，且均沿着定子的厚度方向极化，该压电陶瓷片接激励电极的表面涂有供极化和激励用的外电极，用于沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向施加电场，利用压电陶瓷的d31效应在定子上激励出弯振和纵振的复合振动。
驱动足可以为矩形、半圆形以及凸台形突起结构。
本发明的特点及效果本发明设计的超声电机结构紧凑，便于安装和修复，可阵列化使用，提供较大的驱动力。本发明将在小型、微型机械、精密定位、伺服控制以及国防科技等方面获得广泛应用，有着广阔的应用前景。
图1为采用了压电陶瓷板作定子的面内复合振动模态的超声波直线电机结构及驱动原理示意图。
图2为侧面双足驱动的压电陶瓷金属复合板面内振动超声波直线电机的定子结构及激励示意图。
图3为端部单足驱动的压电陶瓷金属复合板面内振动超声波直线电机的定子结构及激励示意图。
图4为本发明的实施例一——双足直线驱动机构示意图。
图5为本发明的实施例二——单足直线驱动机构示意图。
图6为本发明的实施例三——单足旋转驱动机构示意图。
具体实施例方式本发明的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机结合附图及三种实施例分别说明如下本发明提出的采用压电陶瓷金属复合板做定子的超声波直线压电电机，主要由激励超声振动的定子，输出力矩的动子以及给动子加压的预压力机构组成；所说的定子由激励振动的压电陶瓷片以及金属板构成，该压电陶瓷片沿着定子的厚度方向极化，对称粘贴在金属板的两表面，对称位置的压电陶瓷片的极化方向相同(相对于所粘贴金属板表面的法方向)，该压电陶瓷片接激励电极的表面涂有供极化和激励用的外电极，用于沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向施加电场，利用压电陶瓷的d31效应在定子上激励出弯振和纵振的复合振动。定子有侧面双足和端部单足两种驱动形式，如图2和图3所示。其中，图2为侧面双足驱动的压电陶瓷金属复合板定子结构，压电陶瓷21、22、23、24、25、26、27、28粘贴在金属板210上，双驱动足211设置在一侧面上；图3为端部单足驱动的压电陶瓷金属复合板定子结构，压电陶瓷31、32、33、34、35、36、37、38粘贴在金属板310上，单驱动足311设置在一侧面上。上述两种结构的压电陶瓷片粘贴方式有三种第一种所有的压电陶瓷片极化方向(相对于所粘贴金属板表面的法方向)均相同，第二种是对角的两个压电陶瓷片21、24、25、28(或31、34、35、38)极化方向(相对于所粘贴金属板表面的法方向)为正，而对角的另个两个压电陶瓷片22、23、26、27(或32、33、36、37)极化方向为负。第三种是压电陶瓷片21、25与22、26(或31、35与32、36)极化方向(相对于所粘贴金属板表面的法方向)相反，而压电陶瓷片23、24、27、28(或33、34、37、38)极化方向相同。
驱动足211和311的形式可以为矩形(如2图所示)，也可为半圆形以及凸台形。
上述各压电陶瓷片的极化方向不同，电场的激励方式也相应的不同，加激励电场的实质是为了在定子上激发出有一定相位差的纵振和弯曲振动。
当粘贴时所有的压电陶瓷片极化方向(相对于所粘贴金属板表面的法方向)均相同时，电场的施加方式为1)对角的两个压电陶瓷片21、24、25、28(或31、34、35、38)加sinwt信号，对角的另外两个压电陶瓷片22、23、26、27(或32、33、36、37)加cos(wt+θ)信号。通过调节激励信号的电压或相位差θ可以调节电机的驱动速度；2)或者压电陶瓷片21、25(或31、35)加sinwt信号，压电陶瓷片22、26(或32、36)加-sinwt信号，压电陶瓷片23、24、27、28(或33、34、37、38)加cos(wt+θ)信号。通过调节激励信号的电压或相位差θ可以调节电机的驱动速度。
当粘贴时压电陶瓷片21、24、25、28(或31、34、35、38)极化方向(相对于所粘贴金属板表面的法方向)为正，而压电陶瓷片22、23、26、27(或32、33、36、37)极化方向为负时，电场的施加方式为1)对角的两个压电陶瓷片21、24、25、28(或31、34、35、38)加sinwt信号，对角的另外两个压电陶瓷片22、23、26、27(或32、33、36、37)加cos(wt+θ)信号。通过调节激励信号的电压或相位差θ可以调节电机的驱动速度。
2)或者压电陶瓷片21、22、25、26(或31、32、35、36)加sinwt信号，压电陶瓷片23、27(或33、37)加cos(wt+θ)信号，压电陶瓷片24、28或(34、38)加-cos(wt+θ)信号。通过调节激励信号的电压或相位差θ可以调节电机的驱动速度。
压电陶瓷片21、25与22、26(或31、35与32、36)极化方向(相对于所粘贴金属板表面的法方向)相反，而压电陶瓷片23、24、27、28(或33、34、37、38)极化方向相同时，电场的施加方式为压电陶瓷片21、25、22、26(或31、35、32、36)加sinwt信号，压电陶瓷片23、27、24、28(或33、37、34、38)加cos(wt+θ)信号。通过调节激励信号的电压或相位差θ可以调节电机的驱动速度。
实施例一为双足直线驱动机构该结构的主要特点在于定子由金属板48和对称粘贴在金属板两面的8片压电陶瓷片41组成。定子通过两个驱动足43驱动动子42做直线运动。弹性约束(弹簧垫)46通过定子上的中心孔45给定子施加一个力，使定子与转子之间保持一个合适的预压力。预压力的另一个施加方案是将弹性约束48加在定子的金属板的三个侧表面上。为了增加电机的寿命，可在驱动足的驱动表面涂镀耐磨层，并在动子42的接触表面上粘贴摩擦材料44。
实施例二为单足直线驱动机构该结构的主要特点在于定子由金属板56和对称粘贴在金属板两面的8片压电陶瓷片51组成。定子通过一个驱动足54驱动动子53做直线运动。弹性约束(弹簧垫)52在定子的金属板的三个侧表面上给定子施加力，使定子与转子之间保持一个合适的预压力。为了增加电机的寿命，可在驱动足的驱动表面涂镀耐磨层，并在动子53的接触表面上粘贴摩擦材料55。
实施例三为单足旋转驱动机构该结构的主要特点在于定子由金属板66和对称粘贴在金属板两面的8片压电陶瓷片61组成。定子通过一个驱动足63驱动转子65做旋转运动。弹性约束(弹簧垫)62在定子的金属板的三个侧表面上给定子施加力，使定子与转子之间保持一个合适的预压力。为了增加电机的寿命，可在驱动足的驱动表面涂镀耐磨层，并在转子65的接触表面上粘贴摩擦材料64。
权利要求
1.一种压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，主要由激励超声振动的定子，输出力矩的动子以及给动子加压的预压力机构组成，其特征在于，所说的定子由八片激励振动的压电陶瓷片以及金属板构成，该金属板的侧面上设有使动子运动的驱动足；该各压电陶瓷片对称粘贴在金属板的两表面上，且均沿着定子的厚度方向极化，对称位置的压电陶瓷片的极化方向相同(相对于所粘贴金属板表面的法方向)，该压电陶瓷片接激励电极的表面涂有供极化和激励用的外电极，用于沿压电陶瓷极化方向施加激励电场，利用压电陶瓷的d31压电效应在定子上激励出弯振和纵振的复合振动。
2.如权利要求1所述的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，其特征在于，所述的所有压电陶瓷片极化方向均相同时，电场的施加方式为压电陶瓷片(21、24、25、28)加sinwt信号，压电陶瓷片(22、23、26、27)加cos(wt+θ)信号；或者压电陶瓷片(21、25)加sinwt信号，压电陶瓷片(22、26)加-sinwt信号，压电陶瓷片(23、24、27、28)加cos(wt+θ)信号。
3.如权利要求1所述的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷片(21、24、25、28)极化方向为正，压电陶瓷片(22、23、26、27)极化方向为负时，电场的施加方式为压电陶瓷片(21、24、25、28)加sinwt信号，压电陶瓷片(22、23、26、27)加cos(wt+θ)信号；或者压电陶瓷片(21、25、22、26)加sinwt信号，压电陶瓷片(23、27)加cos(wt+θ)信号，压电陶瓷片(24、28)加-cos(wt+θ)信号。
4.如权利要求1所述的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷片(21、25与22、26)极化方向相反，而压电陶瓷片(23、24、27、28)极化方向相同时，电场的施加方式为压电陶瓷片(21、25、22、26)加sinwt信号，压电陶瓷片(23、27、24、28)加cos(wt+θ)信号。
5.如权利要求1、2、3或4所述的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，其特征在于，所述驱动足采用设在该金属板一侧面的两个驱动动子做直线运动的驱动足，在该金属板的中部开有安装孔，所述预压力机构采用固定在所述安装孔内的弹簧垫，或固定在该金属板的另外三个侧表面上的四个弹簧。
6.如权利要求5所述的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，其特征在于，在该驱动足的驱动表面涂镀耐磨层，并在所述动子的接触表面上粘贴摩擦材料。
7.如权利要求1、2、3或4所述的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，其特征在于，所述驱动足采用设在该金属板一侧面的一个驱动动子做直线或旋转运动的驱动足，所述预压力机构采用固定在该金属板的另外三个侧表面上的四个弹簧。
8.如权利要求7所述的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，其特征在于，在该驱动足的驱动表面涂镀耐磨层，并在所述动子的接触表面上粘贴摩擦材料。
9.如权利要求1、6或8所述的压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，其特征在于，所述的驱动足采用矩形、半圆形或凸台形突起结构。
全文摘要
本发明涉及压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机，属于超声应用领域，该电机由定子、输出力矩的动子以及给动子加压的预压力机构组成，定子由八片压电陶瓷片以及金属板构成，金属板的侧面上设有驱动足；该各压电陶瓷片对称粘贴在金属板的两表面上，且均沿着定子的厚度方向极化，该压电陶瓷片接激励电极的表面涂有外电极，用于沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向施加电场，利用压电陶瓷的d
文档编号H02N2/02GK1633022SQ20041010157
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月24日 优先权日2004年12月24日
发明者周铁英, 鹿存跃, 陈宇, 谢天 申请人:清华大学