一种基于多阶振动合成的直线超声电机的制作方法

本实用新型涉及电机驱动领域，具体是指一种基于多阶振动合成的直线超声电机。

背景技术：

超声电机是近几十年以来发展出的新型驱动装置，主要依靠压电陶瓷的逆压电效应来实现电能向机械能的转换，并且通过电机定子的驱动足与转子之间的摩擦来进行动力的输出。超声电机具有响应快，低速大扭矩，断电自锁，位置分辨率高等优点，而且能满足低噪声，体积小，无电磁干扰等条件，现在已经在航空航天，医疗，机器人，精密仪器，精密加工等领域受到了广泛应用。但现有技术中的超声电机仍然存在结构复杂，压电陶瓷采用粘贴的方式粘贴于结构表面，这就造成电机体积无法减小，电机应用不稳定的问题。另外，还对动子的宽度过多限制，需要根据动子的尺寸反复设计电机的型号，这给超声电机的实际应用带来很大困扰。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于多阶振动合成的直线超声电机，极大地缩小了电机的体积，实现电机更快地响应及更加稳定地输出。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于多阶振动合成的直线超声电机，包括定子、动子及由多片压电陶瓷叠放形成的第一压电陶瓷叠层、第二压电陶瓷叠层、第三压电陶瓷叠层；

所述定子包括主杆、第一副杆、第二副杆；所述第一副杆及第二副杆相互平行并与所述主杆垂直且连接于所述主杆上；所述主杆的中部位于所述第一副杆及第二副杆之间，所述第一压电陶瓷叠层设置于所述主杆的中部即所述主杆的一阶振动模态的波峰位置；所述第二压电陶瓷叠层设置于所述第一副杆位于所述主杆的一侧的部分即所述第一副杆的二阶振动模态的波峰位置，用以激发所述定子在横向平面的一阶弯曲振动；所述第三压电陶瓷叠层设置于所述第二副杆位于所述主杆的另一侧的部分即所述第二副杆的二阶振动模态的波峰位置，用以激发所述定子在竖直平面的二阶弯曲振动；

组成所述第一压电陶瓷叠层、第二压电陶瓷叠层、第三压电陶瓷叠层的压电陶瓷之间均通过铜电极连接，所述压电陶瓷沿中心面分割；

所述主杆的一侧表面设置有驱动足，所述动子压放于所述驱动足上。

在一较佳的实施例中，所述主杆与第一副杆及第二副杆的连接交点位于所述横向平面的一阶弯曲振动的波谷与竖直平面的二阶弯曲振动的波谷交汇处。

在一较佳的实施例中，所述第一压电陶瓷叠层、第二压电陶瓷叠层、第三压电陶瓷叠层通过螺钉螺母的过盈配合分别安装于所述主杆、第一副杆、第二副杆上。

在一较佳的实施例中，所述驱动足具体为垂直于其长度方向的截图为三角形的横梁。

在一较佳的实施例中，所述第一压电陶瓷叠层、第二压电陶瓷叠层、第三压电陶瓷叠层具体均由四片压片陶瓷叠放形成，形成同激励同时刻下具有相反逆压电效应的分区。

相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：

1.本实用新型提供了一种基于多阶振动合成的直线超声电机，结构简单，采用压电陶瓷叠层装配于主杆及第一副杆、第二副杆的间隙，取代了传统压电陶瓷粘贴于结构表面的方式，因此可极大的缩小电机的体积；此外由于压电陶瓷为堆叠放置，可多片压电陶瓷同时驱动，因此可实现更大的推力，更快的响应及更稳定的输出。同时具有断电自锁等优点。

2.本实用新型提供了一种基于多阶振动合成的直线超声电机，对于动子宽度没有过多限制，避免了需要根据动子的尺寸反复设计电机型号的不便。

3.本实用新型提供了一种基于多阶振动合成的直线超声电机，利用了振动叠加原理，可以通过改变激励信号的相位差来改变电机驱动方向。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例中基于多阶振动合成的直线超声电机的结构示意图；

图2为本实用新型优选实施例中基于多阶振动合成的直线超声电机的第一压电陶瓷叠层的具体结构示意图；

图3为本实用新型优选实施例中基于多阶振动合成的直线超声电机的输入激励时，第一压电陶瓷叠层及主杆形变示意图；

图4为本实用新型优选实施例中基于多阶振动合成的直线超声电机的外界激励下的二阶弯曲振动示意图；

图5为本实用新型优选实施例中基于多阶振动合成的直线超声电机的外界激励下的一阶弯曲振动示意图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

一种基于多阶振动合成的直线超声电机，参考图1至2，包括定子、动子及由多片压电陶瓷111叠放形成的第一压电陶瓷叠层11、第二压电陶瓷叠层21、第三压电陶瓷叠层31；利用了振动叠加原理，可以通过改变激励信号的相位差来改变电机驱动方向。

所述定子包括主杆1、第一副杆2、第二副杆3；所述第一副杆2及第二副杆3相互平行并与所述主杆1垂直且连接于所述主杆1上；所述主杆1的中部位于所述第一副杆2及第二副杆3之间，所述第一压电陶瓷叠层11设置于所述主杆1的中部即所述主杆1的一阶振动模态的波峰位置；所述第二压电陶瓷叠层21设置于所述第一副杆2位于所述主杆1的一侧的部分即所述第一副杆2的二阶振动模态的波峰位置，用以激发所述定子在横向平面的一阶弯曲振动；所述第三压电陶瓷叠层31设置于所述第二副杆3位于所述主杆1的另一侧的部分即所述第二副杆3的二阶振动模态的波峰位置，用以激发所述定子在竖直平面的二阶弯曲振动。所述主杆1与第一副杆2及第二副杆3的连接交点位于所述横向平面的一阶弯曲振动的波谷与竖直平面的二阶弯曲振动的波谷交汇处。

具体来说，组成所述第一压电陶瓷叠层11、第二压电陶瓷叠层21、第三压电陶瓷叠层31的压电陶瓷111之间均通过铜电极连接，所述压电陶瓷111沿中心面分割；在本实施例中，所述第一压电陶瓷叠层11、第二压电陶瓷叠层21、第三压电陶瓷叠层31具体均由四片压片陶瓷叠放形成，形成同激励同时刻下具有相反逆压电效应的分区。所述主杆1的一侧表面设置有驱动足，所述动子压放于所述驱动足上，具体来说，所述驱动足具体为垂直于其长度方向的截图为三角形的横梁。

具体来说，所述第一压电陶瓷叠层11、第二压电陶瓷叠层21、第三压电陶瓷叠层31通过螺钉螺母的过盈配合分别安装于所述主杆1、第一副杆2、第二副杆3上。

以下介绍上述的基于多阶振动合成的直线超声电机的激励方法，

输入正弦型激励；当施加外界激励E1＝sin(πt)的某一时刻，各个压电陶瓷111的上半分区沿轴向收缩，各个压电陶瓷111的下半分区沿轴向伸张，由于压电陶瓷111叠层与主杆1及第一副杆2、第二副杆3过盈配合，所述主杆1、第一幅杆、第二副杆3均产生弯曲；使所述主杆1做沿轴向的正弦型振动如图3所示，所述第一副杆2及第二副杆3的弯曲与所述主杆1相同；主杆1分别与第一副杆2发生一阶弯曲振动，及第二副杆3发生二阶弯曲振动，具体如图3所示。

当外接外界激励E2＝sin(-πt)的某一时刻，与上述相反，各个压电陶瓷111的上半分区沿轴向伸张，各个压电陶瓷111的下半分区沿轴向收缩，由于压电陶瓷111叠层与主杆1及第一副杆2、第二副杆3过盈配合，所述主杆1、第一副杆2、第二副杆3产生弯曲；从而驱动主杆1做相位差为π/2的反向椭圆运动，从而推动动子做相反方向的运动；所述定子与动子挤压产生摩擦，推动动子运动。

对于主杆1，由于第一压电陶瓷叠层11位于该杆的中点位置，同时也是一阶振动的波峰处。当外接E1＝sin(πt)时，第一压电陶瓷叠层11将带动主杆1做空间内的一阶弯曲振动，振动形态示意如图4。

对于第一幅杆及第二副杆3，第二压电陶瓷叠层21及第三压电陶瓷叠层31分别位于第一幅杆及第二副杆3的距一端端点的四分之一位置，同时也是二阶振动的波峰处。当外接E1＝sin(πt)时，第一压电陶瓷叠层11将带动主杆1做空间内的二阶弯曲振动，振动形态示意如图5。

由于主杆1与第一副杆2、第二副杆3交点处为一阶振动波谷与二阶振动波谷处，因此当各杆件振动时，主杆1将产生空间上的正交合成的相位差为π/2的合振动，其运动轨迹为椭圆运动。进而定子、动子挤压产生摩擦，推动动子运动。

本实用新型提供了一种基于多阶振动合成的直线超声电机，结构简单，采用压电陶瓷111叠层装配于主杆1及第一副杆2、第二副杆3的间隙，取代了传统压电陶瓷111粘贴于结构表面的方式，因此可极大的缩小电机的体积；此外由于压电陶瓷111为堆叠放置，可多片压电陶瓷111同时驱动，因此可实现更大的推力，更快的响应及更稳定的输出。同时具有断电自锁等优点。对于动子宽度没有过多限制，避免了需要根据动子的尺寸反复设计电机型号的不便。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均属于侵犯本实用新型保护范围的行为。