基于异向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机的制作方法

[0001]
本发明涉及一种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机。


背景技术：

[0002]
对于直线式驻波型超声波电机，可分为单模态直线型超声波电机与多模态直线型超声波电机。其中的多模态直线型超声波电机，现有较多的类型为纵-弯复合、纵-纵复合、纵-扭复合、弯-弯复合，目前研究已经较为完善。
[0003]
但是上述这些复合型直线超声波电机需要调节定子单元的尺寸以拉近两种工作所需的振动模态的频率实现模态简并，从而在同一频率下同时激发两种工作模态形成一种复合模态，因此设计较为复杂。
[0004]
上述问题是在基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机解决现有技术中存在的需要调节定子单元的尺寸以拉近两种工作所需的振动模态的频率实现模态简并，从而在同一频率下同时激发两种工作模态形成一种复合模态，使得结构设计复杂的问题。
[0006]
本发明的技术解决方案是：
[0007]
一种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，包括定子单元和动子单元，动子单元包括上动子和下动子，上动子和下动子分别设于定子单元的两侧，定子单元包括金属弹性体、端部压电陶瓷、右上突出部、右下突出部、左上突出部、左下突出部、右上驱动足、右下驱动足、左上驱动足和左下驱动足，端部压电陶瓷包括右端压电陶瓷和左端压电陶瓷，金属弹性体的右端由上而下依次设有右上突出部、右端压电陶瓷和右下突出部，金属弹性体的左端由上而下依次设有左上突出部、左端压电陶瓷和左下突出部，定子单元采用质量异向偏心的定子单元，左上驱动足设于左上突出部上表面的最左侧，左下驱动足设于左下突出部下表面的最左侧，右上驱动足设于右上突出部上表面的最右侧，右下驱动足设于右下突出部下表面的最右侧。
[0008]
进一步地，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的极化方向均为z轴正方向，对左右两端的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷施加同向高频电场，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷发生扭转振动，在定子单元中激发出一阶纵振与二阶弯振耦合的振动模态振型。
[0009]
进一步地，质量异向偏心的定子单元是以x轴方向的中心点为分界线，且分界线平行于z轴，分界线左右两部分金属弹性体的等效质心分别沿z轴方向向上或向下异向偏离金属弹性体高度方向上的中心线，其中的中心线平行于x 轴，且位于金属弹性体的z轴方向上的一半高度位置。
[0010]
进一步地，右上驱动足质量大于右下驱动足质量，左上驱动足质量小于左下驱动
足质量，以实现定子单元的质量异向偏心。
[0011]
进一步地，在金属弹性体的左右两部分的上表面和下表面分别挖去相同形状的质量体，以实现定子单元的质量异向偏心。
[0012]
本发明的有益效果是：
[0013]
一、该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，通过构建定子单元质量的异向偏心，形成一阶纵振和二阶弯振的耦合模态，不需要进行模态简并，同时利用定子单元的耦合特征，仅在弯振方向施加激励即可同时实现弯振振型和纵振振型的激发。该电机结构紧凑、设计较为简洁。
[0014]
二、该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，利用端部压电陶瓷的扭振，对定子单元的弯振振型进行激发，并通过耦合效应同时激发定子单元的纵振振型。因此，电机只采用一种压电陶瓷和一个电源。电机结构紧凑。
[0015]
三、本发明所使用的所有压电陶瓷均布置于定子单元的端部，在金属弹性体的上下表面均不布置压电陶瓷，因此在保证电机结构紧凑的同时，可方便地在单一金属弹性体的上下两表面同时布置驱动足，实现上动子和下动子双向运行。
附图说明
[0016]
图1是本发明基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机的结构示意图。
[0017]
其中：1-上动子，2-下动子，3-右端压电陶瓷，4-左端压电陶瓷，5-右上驱动足，6-左上驱动足，7-右下驱动足，8-左下驱动足，9-右上突出部，10-右下突出部，11-左上突出部，12-左下突出部，13-金属弹性体。
[0018]
图2是本发明通过对金属弹性体的左右两部分的上表面和下表面挖去相同形状的质量体，形成的基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机的结构示意图。
[0019]
其中：1-上动子，2-下动子，3-右端压电陶瓷，4-左端压电陶瓷，5-右上驱动足，6-左上驱动足，7-右下驱动足，8-左下驱动足，9-右上突出部，10-右下突出部，11-左上突出部，12-左下突出部，13-金属弹性体。
[0020]
图3是实施例中左端压电陶瓷形变方案的说明示意图。
[0021]
其中：e-左端压电陶瓷施加的电场，p-左端压电陶瓷的极化方向，t-左端压电陶瓷的变形方向，xyz-空间坐标系。
[0022]
图4是实施例中右端压电陶瓷形变方案的说明示意图。
[0023]
其中：e-右端压电陶瓷施加的电场，p-右端压电陶瓷的极化方向，t-右端压电陶瓷的变形方向，xyz-空间坐标系。
[0024]
图5是实施例中基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机前半周期波形产生机理图。
[0025]
其中：1-上动子，2-下动子，3-右端压电陶瓷，4-左端压电陶瓷，5-右上驱动足，6-左上驱动足，7-右下驱动足，8-左下驱动足，9-右上突出部，10-右下突出部，11-左上突出部，12-左下突出部，13-金属弹性体，p-端部压电陶瓷的极化方向，e-端部压电陶瓷的电场方向，v
1-上动子运动方向，v
2-下动子运动方向。虚线是端部压电陶瓷中电场为零时，电机定子单元形变；除上动子和下动子的实线是端部压电陶瓷中电场为x轴负方向分量最大时，电
机定子单元形变。
[0026]
图6是实施例中基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机后半周期波形产生机理图。
[0027]
其中：1-上动子，2-下动子，3-右端压电陶瓷，4-左端压电陶瓷，5-右上驱动足，6-左上驱动足，7-右下驱动足，8-左下驱动足，9-右上突出部，10-右下突出部，11-左上突出部，12-左下突出部，13-金属弹性体，p-端部压电陶瓷的极化方向，e-端部压电陶瓷的电场方向，v
1-上动子运动方向，v
2-下动子运动方向。虚线是端部压电陶瓷中电场为零时，电机定子单元形变；除上动子和下动子的实线是端部压电陶瓷中电场为x轴正方向分量最大时，电机定子单元形变。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0029]
实施例
[0030]
一种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，如图1和图 2，包括定子单元和动子单元，动子单元包括上动子1和下动子2，上动子1和下动子2分别设于定子单元的两侧，定子单元包括金属弹性体13、端部压电陶瓷、右上突出部9、右下突出部10、左上突出部11、左下突出部12、右上驱动足5、右下驱动足7、左上驱动足6和左下驱动足8，端部压电陶瓷包括右端压电陶瓷3和左端压电陶瓷4，金属弹性体13的右端由上而下依次设有右上突出部9、右端压电陶瓷3和右下突出部10，金属弹性体13的左端由上而下依次设有左上突出部11、左端压电陶瓷4和左下突出部12，定子单元采用质量异向偏心的定子单元，左上驱动足6设于左上突出部11上表面的最左侧，左下驱动足 8设于左下突出部12下表面的最左侧，右上驱动足5设于右上突出部9上表面的最右侧，右下驱动足7设于右下突出部10下表面的最右侧。
[0031]
该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，通过构建定子单元质量的异向偏心，形成一阶纵振和二阶弯振的耦合模态，不需要进行模态简并，同时利用定子单元的耦合特征，仅在弯振方向施加激励即可同时实现弯振振型和纵振振型的激发。该电机结构紧凑、设计较为简洁。
[0032]
该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，利用端部压电陶瓷的扭转振动模式，激励定子单元的金属弹性体13的弯振，同时通过由于定子单元质量的异向偏心导致的耦合效应，激发定子单元弹性体的纵振，从而在定子单元中形成一阶纵振和二阶弯振耦合振动模态的振型，在右上驱动足5、右下驱动足7、左上驱动足6和左下驱动足8处产生斜直线运动，推动上动子1 和下动子2双向移动。
[0033]
该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机中，质量异向偏心的定子单元是以长度方向即x轴方向的中心点为分界线，分界线左右两部分金属弹性体13的质心分别向上或向下偏移金属弹性体13高度方向上的中心线。具体为，质量异向偏心的定子单元是以x轴方向的中心点为分界线，且分界线平行于z轴，分界线左右两部分金属弹性体13的等效质心分别沿z轴方向向上或向下异向偏离金属弹性体13高度方向上的中心线，其中的中心线平行于 x轴，且位于金属弹性体13的z轴方向上的一半高度位置。
[0034]
在一个实施方式中，如图1，右上驱动足5质量大于右下驱动足7质量，左上驱动足6
质量小于左下驱动足8质量，以实现定子单元的质量异向偏心。左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3的极化方向均为轴正方向，对左右两端的压电陶瓷施加同向高频电场，压电陶瓷发生扭转振动，在定子单元中激发出一阶纵振与二阶弯振耦合的振动模态振型。
[0035]
在另一实施方式中，如图2，在金属弹性体13的左右两部分的上表面和下表面分别挖去相同形状的质量体，以实现定子单元的质量异向偏心。左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3的极化方向均为z轴正方向，对左右两端的压电陶瓷施加同向高频电场，压电陶瓷发生扭转振动，在定子单元中激发出一阶纵振与二阶弯振耦合的振动模态振型。
[0036]
如图3，左端压电陶瓷4处于空间直角坐标系xyz中，左端压电陶瓷4的极化方向为z轴正方向，左端压电陶瓷4的施加电场方向为x轴正方向。在电场的作用下，左端压电陶瓷4发生扭转振动，以左端压电陶瓷4的右表面和金属弹性体13的左端面构成的接触面为位移参考面时，产生t方向的形变。
[0037]
如图4，右端压电陶瓷3处于空间直角坐标系xyz中，右端压电陶瓷3的极化方向为z轴正方向，右端压电陶瓷3的施加电场方向为x轴正方向。在电场的作用下，右端压电陶瓷3发生扭转振动，以右端压电陶瓷3的左表面和金属弹性体13的右端面构成的接触面为位移参考面时，产生t方向的形变。
[0038]
如图5，以由端部附加质量块导致的质量异向偏心的基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机为例，该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机前半周期波形产生机理：左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3内部的电场方向为x轴负方向，z轴正方向极化的左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3均发生扭转振动，左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3在前半周期的扭转形变如图5所示；由于定子单元的一阶纵振和二阶弯振具有耦合关系，因此左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3的扭振使定子单元在x方向和z方向均发生振动，前半周期的定子单元形变如图5所示。
[0039]
对于通过挖除金属弹性体13的左右两部分的上表面和下表面相同形状的质量体，形成的基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，其前半周期的陶瓷体扭转形变和定子单元形变同上。
[0040]
结合附图5，基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机的前半周期电机驱动足的运动机理如下：
[0041]
第-阶段：电机由图5中虚线所示的初始水平状态运动到图5中实线所示的振幅最大状态，此过程中，右上驱动足5和右下驱动足7的顶部运动轨迹均为左斜向下，对上动子1和下动子2分别产生向左的驱动力。左上驱动足6和左下驱动足8的顶部运动轨迹均为右斜向上，对上动子1和下动子2分别产生向右的驱动力。
[0042]
第-阶段：电机由图5中实线所示的振幅最大状态回到图5中虚线所示的水平状态，此过程中，右上驱动足5和右下驱动足7的顶部运动轨迹均为右斜向上，对上动子1和下动子2分别产生向右的驱动力。左上驱动足6和左下驱动足8的顶部运动轨迹均为左斜向下，对上动子1和下动子2分别产生向左的驱动力。
[0043]
由于上动子1的惯性以及右上驱动足5的形变，右上驱动足5接近上动子1 的运动阶段的接触时间与两者间的压力和摩檫力都要大于右上驱动足5远离上动子1的运动阶段。右上驱动足5与上动子1接触的时间和摩擦力在-阶段均大于-阶段，因此右上驱动足5在前半周期对上动子1的总推力为向右方向；由于上动子1的惯性以及左上驱动足6的形变，左上
驱动足6与上动子1接触的时间和摩擦力在-阶段均小于-阶段，因此左上驱动足6在前半周期对上动子1的总推力为向右方向。因此，在前半周期，上动子1受到的总驱动力为向右方向。
[0044]
由于下动子2的惯性以及右下驱动足7的形变，右下驱动足7与下动子2 接触的时间和摩擦力在-阶段均小于-阶段，因此右下驱动足7在前半周期对下动子2的总推力为向左方向；由于下动子2的惯性以及左下驱动足8的形变，左下驱动足8与下动子2接触的时间和摩擦力在-阶段均大于-阶段，因此左下驱动足8在前半周期对下动子2的总推力为向左方向。因此，在前半周期，下动子2受到的总驱动力为向左方向
[0045]
如图6，以由端部附加质量块导致的质量异向偏心的基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机为例，该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机后半周期波形产生机理：左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3内部的电场方向为x轴正方向，z轴正方向极化的左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3均发生扭转振动，左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3在后半周期的扭转形变如图6所示；由于定子单元的一阶纵振和二阶弯振具有耦合关系，因此左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3的扭振使定子单元在x方向和z方向均发生振动，后半周期的定子单元形变如图6所示。
[0046]
对于通过挖除金属弹性体13的左右两部分的上表面和下表面相同形状的质量体，形成的基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，其后半周期的陶瓷体扭转形变和定子单元形变同上。
[0047]
结合附图6，基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机的后半周期电机驱动足的运动机理如下：
[0048]
第-阶段：电机由图6中虚线所示的初始水平状态运动到图6中实线所示的振幅最大状态，此过程中，右上驱动足5和右下驱动足7的顶部运动轨迹均为右斜向上，对上动子1和下动子2分别产生向右的驱动力。左上驱动足6和左下驱动足8的顶部运动轨迹均为左斜向下，对上动子1和下动子2分别产生向左的驱动力。
[0049]
第-阶段：电机由图6中实线所示的振幅最大状态回到图6中虚线所示的水平状态，此过程中，右上驱动足5和右下驱动足7的顶部运动轨迹均为左斜向下，对上动子1和下动子2分别产生向左的驱动力。左上驱动足6和左下驱动足8的顶部运动轨迹均为右斜向上，对上动子1和下动子2分别产生向右的驱动力。
[0050]
由于上动子1的惯性以及右上驱动足5的形变，右上驱动足5与上动子1 接触的时间和摩擦力在-阶段均大于-阶段，因此右上驱动足5在后半周期对上动子1的总推力为向右方向；由于上动子1的惯性以及左上驱动足6的形变，左上驱动足6与上动子1接触的时间和摩擦力在-阶段均小于-阶段，因此左上驱动足6在后半周期对上动子1的总推力为向右方向。因此，在后半周期，上动子1受到的总驱动力为向右方向。
[0051]
由于下动子2的惯性以及右下驱动足7的形变，右下驱动足7与下动子2 接触的时间和摩擦力在-阶段均小于-阶段，因此右下驱动足7在后半周期对下动子2的总推力为向左方向；由于下动子2的惯性以及左下驱动足8的形变，左下驱动足8与下动子2接触的时间和摩擦力在-阶段均大于-阶段，因此左下驱动足8在后半周期对下动子2的总推力为向左方向。因此，在后半周期，下动子2受到的总驱动力为向左方向
[0052]
综合-、-、-、-四个运动阶段，上动子1的运动方向为向右方向，下动子2的运动
方向为向左方向。
[0053]
该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，两块压电陶瓷粘贴于定子单元的突出部凹陷部位。通过在定子单元单一长度方向的不同位置设计不同的质量，从而构建定子单元质量的异向偏心，实现一阶纵振和二阶弯振的模态耦合。
[0054]
该种基于异向偏心式定子单元的纵弯耦合型直线超声波电机，利用端部压电陶瓷的扭振在定子单元的二阶弯振方向进行激励，通过定子单元的二阶弯振和一阶纵振的耦合关系，使一阶纵振和二阶弯振同时发生，进而在驱动足处产生斜直线运动，推动上动子1和下动子2双向移动。与目前流行的复合型直线超声波电机相比，该电机结构紧凑且设计较为简洁。