专利名称：直线型超声电机的制作方法
技术领域：
本发明的直线型超声电机，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。其中，直线型超声电机属于直线电机的一种。该电机在具有一般超声电机特点的基础上更是具有体积小，结构紧凑，重量轻，运动精度高，无需运动转换机构以及驱动电路简单的特点。此外，采用层叠式压电陶瓷，充分利用了压电陶瓷的d33效应，可在利用小电压驱动的情况小得到更大的振动振幅。目前，直线型超声电机根据其产生接触表面质点椭圆运动的波动形式可分为驻波型直线超声电机和行波型直线超声电机，按照振动位移又可分为面内振动形式和面外振动形式，本电机属于面内振动的驻波型直线超声电机。因为圆形才是实现行波的有利条件，所以行波方式用于直线型超声电机会使振子体积很大，在驱动振子时，必须使整个梁都产生振动，功率消耗大，效率低。而利用面内振动模态可进一步使电机微型化，更体现超声电机简单实用的特点。
发明内容
本发明的目的在于研制一种结构简单、大力矩、效率高，响应速度快，应用范围更广的直线型超声电机。
本发明的直线型超声电机，包括定子、动子和层叠式压电陶瓷。其特点是所述定子是由作用梁和通过绞支细条与作用梁相连接的且固定于底座上的弓形框所构成，在作用梁两端部与弓形框上端部内侧之间分别粘贴纵振层叠式压电陶瓷，在弓形框内侧底部中央粘贴弯振层叠式压电陶瓷。提供定子与动子之间预压力的片弹簧通过调节部件固定在底座上。片弹簧还通过滑块置于动子上，将动子压在定子的驱动头上。两个纵振层叠式压电陶瓷采用两相相位差为180°的正弦信号激励，弯振层叠式压电陶瓷采用与上述两相信号相位差都为90°的正弦信号激励，在这三组层叠式压电陶瓷的联合作用下，驱动头产生椭圆运动推动动子连续直线运动，构成直线型超声电机。
该超声电机在具有一般超声电机特点的基础上，更具有体积小，结构紧凑，重量轻，运动精度高，无需运动转换机构，采用层叠式压电陶瓷可在利用小电压驱动的情况小得到更大的振动振幅，驱动电路简单的特点。
图1是直线型超声电机结构示意图。
图中标号名称1.底座；2.4.6.层叠式压电陶瓷；3.驱动头；5.片弹簧；7.定子；8.动子。
图2是定子结构示意图。
图中标号名称9，弓形框；10，作用梁；11，绞支细条。
图3是图1的A-A剖视图。
图中标号名称1.底座；4.层叠式压电陶瓷；3.驱动头；5.片弹簧；7.定子；8.动子；9，弓形框；10，作用梁。
图4动子向图示左方运动时电机的状态示意图。
其中(a)，(b)，(c)和(d)分别对应电机运动时层叠式压电陶瓷变形的四个极限位置。具体的，(a)为弯振层叠式压电陶瓷4上升到最大位移，此时纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6保持常态，没有位移变化，振子驱动足和动子接触。(b)为弯振层叠式压电陶瓷没有位移的变化，纵振层叠式压电陶瓷2达到拉伸的最大位移，纵振层叠式压电陶瓷6则在压缩的最大位移，振子驱动足和动子不接触。(c)为弯振层叠式压电陶瓷4下降到最大位移，此时纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6保持常态，没有位移变化，振子驱动足和动子不接触。(d)为弯振层叠式压电陶瓷4没有位移的变化，纵振层叠式压电陶瓷2达到压缩的最大位移，纵振层叠式压电陶瓷6则在拉伸的最大位移，振子驱动足和动子不接触。经过一周循环后又回到(a)进行下一次循环。
具体实施例方式一种直线型超声电机如图1、图2、图3所示。其特点定子7是由作用梁10，弓形框9及绞支细条11组成，在作用梁的三面周边粘贴有层叠式压电陶瓷2，4，6，动子8为直线滑轨，片弹簧5直接提供定子与动子间的预压力，将动子压在定子驱动头上。纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6用于激励作用梁产生纵振；弯振层叠式压电陶瓷4用于激励作用梁产生弯振，驱动头产生椭圆运动推动动子连续直线运动，构成直线型超声电机。纵振层叠式压电陶瓷2和6使用相位差为180°的两相正弦信号来激励，而弯振层叠式压电陶瓷4采用与上述两者相位差都为90°的正弦信号来激励。这样，就可以在作用梁的上端面产生椭圆(或圆周)运动来推动动子的连续直线运动。反向运动时只需改变纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6的相位差180°为-180°，即，互换纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6的激励电压，就可驱动动子的反方向直线运动。该超声电机在具有一般超声电机特点的基础上，更具有体积小，结构紧凑，重量轻，运动精度高，无需运动转换机构，采用层叠式压电陶瓷可在利用小电压驱动的情况小得到更大振幅，驱动电路简单的特点。
结构设计原则1、利用的振子一阶纵向固有振动模态和一阶弯曲固有振动模态的频率应在超声范围内，且纵振和弯振的共振频率尽量一致，即要满足频率一致性的要求。2、由层叠式压电陶瓷的逆压电效应激发出定子上作用梁振子上的一阶纵振和一阶弯振，两者合成为驱动面的表面椭圆运动，以引起动子的连续直线运动。3、以相位差为180°的两个同频正弦信号分别激励纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6，此时作用梁产生一阶纵振，同时以与上述两相正弦信号的相位差都为90°的同频正弦信号激励弯振层叠式压电陶瓷4，可激发作用梁的一阶弯振，这两个振动模态在驱动头处合成为一个椭圆轨迹。4、为了减少装夹对振型的影响，采用弓形框的设计，这样就避免了找节面和节面狭窄的困难。5、考虑到应使驱动端的振幅尽可能大，本文将驱动足置于作用梁上端的驱动面中心。
下面是一个直线型超声电机例子利用层叠式压电陶瓷的逆压电效应d33激发出定子上作用梁振子的一阶纵振和一阶弯振。图1是该电机的结构示意图，它主要由定子组件、动子及机座组成。定子主要的部分是作用梁以及绞支细条，梁长为33mm，宽为10mm，厚度和陶瓷片长度保持一致，为3mm。绞支细条的长为5mm，宽为0.5mm，以确保细条的弯曲港督远远小于其纵向刚度，这样，作用梁冶就可简化为绞支梁之模型。
直线运动分析见图4。动子的正、反向运动靠交换纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6的正弦激励信号来实现。
向图示左方的直线运动分析建图4(a)，(b)，(c)和(d)分别对应电机运动时的四个极限位置。具体的，(a)为弯振层叠式压电陶瓷4上升到最大位移，此时纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6保持常态，没有位移变化，振子驱动足和动子接触。(b)为弯振层叠式压电陶瓷没有位移的变化，纵振层叠式压电陶瓷2达到拉伸的最大位移，纵振层叠式压电陶瓷6则在压缩的最大位移，振子驱动足和动子不接触。(c)为弯振层叠式压电陶瓷4下降到最大位移，此时纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6保持常态，没有位移变化，振子驱动足和动子不接触。(d)为弯振层叠式压电陶瓷4没有位移的变化，纵振层叠式压电陶瓷2达到压缩的最大位移，纵振层叠式压电陶瓷6则在拉伸的最大位移，振子驱动足和动子不接触。经过一周循环后又回到(a)进行下一次循环。我们在机座上可以加上两个观点开关进行限位和切换纵振层叠式压电陶瓷2和纵振层叠式压电陶瓷6的激励正弦信号，以保证动子可来回反复地做直线运动。
权利要求
1.一种直线型超声电机，包括定子、动子和压电陶瓷，其特征在于，所述定子(7)由作用梁(10)和通过绞支细条(11)与作用梁(10)相连接的且固定于底座(1)上的弓形框(9)所构成，在作用梁(10)两端部与弓形框(9)上端部内侧之间分别粘贴纵振层叠式压电陶瓷(2)和纵振层叠式压电陶瓷(6)，在弓形框(9)内侧底部中央粘贴弯振层叠式压电陶瓷(4)，提供定子(7)与动子(8)之间预压力的片弹簧(5)通过调节部件固定在底座(1)上，片弹簧还通过滑块置于动子(8)上，将动子(8)压在定子(7)的驱动头(3)上。
2.根据权利要求1所述的直线型超声电机，其特征在于，弓形框(9)采用具有相位差的正弦信号同时激励三组层叠式压电陶瓷，其中，纵振层叠式压电陶瓷(2)和纵振层叠式压电陶瓷(6)使用相位差为180°的正弦信号来激励，而弯振层叠式压电陶瓷(4)采用与上述两者都成90°的正弦信号来激励。
3.根据权利要求1或2所述的直线型超声电机，其特征在于，只需改变纵振层叠式压电陶瓷(2)和纵振层叠式压电陶瓷(6)的相位差180°为-180°，即可驱动动子反方向直线运动。
全文摘要
一种直线型超声电机，属超声电机类。该电机包括定子、动子及机座。所述定子(7)是由作用梁(10)，弓形框(9)及绞支细条组成，贴于作用梁周边的纵振层叠式压电陶瓷(2)和纵振层叠式压电陶瓷(6)用于激励作用梁产生纵振；弯振层叠式压电陶瓷(4)用于激励作用梁产生弯振。纵振层叠式压电陶瓷(2)和纵振层叠式压电陶瓷(6)采用两相相位差为180°的两相正弦信号激励，弯振层叠式压电陶瓷(4)采用与上述两相相位差都为90°的正弦信号激励，在三组层叠式压电陶瓷的联合作用下，驱动头产生椭圆运动推动动子连续直线运动。该电机具有体积小，结构紧凑，重量轻，运动精度高，无需运动转换机构以及驱动电路简单的特点。此外，充分利用了压电陶瓷的d33效应，可在利用小电压驱动的情况小得到更大振幅。
文档编号H02N2/04GK1777012SQ20051012299
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月12日 优先权日2005年12月12日
发明者黄卫清, 苏艳文, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学