專利名稱：具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)及其工作模態(tài)的制作方法
具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)及其工作模態(tài)技術(shù)領(lǐng)域-
本發(fā)明的具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)及其工作模態(tài)，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振動(dòng)，并通過定、動(dòng)子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換成動(dòng)子宏觀直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的新型電機(jī)。直線型超聲電機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，運(yùn)動(dòng)精度高，直接輸出直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使得直線型超聲電機(jī)得到了很大的發(fā)展。利用面內(nèi)模態(tài)設(shè)計(jì)的直線型超聲電機(jī)更利于微型化，更能體現(xiàn)超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特性
發(fā)明內(nèi)容
-
本發(fā)明旨在研制一種結(jié)構(gòu)簡單、效率高、響應(yīng)速度快、更適于微型化，應(yīng)用范圍更廣的直線型超聲電機(jī)。
本發(fā)明的具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)的作動(dòng)單元為單振子結(jié)構(gòu)，利用彈性體的彎曲振動(dòng)模態(tài)和縱振模態(tài)的相互耦合作用來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)足的橢圓運(yùn)動(dòng)，通過摩擦力的作用，把運(yùn)動(dòng)傳遞出去。本發(fā)明的具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)，包括振子組件、動(dòng)子組件。振子組件由金屬薄板和2塊分別粘貼在該金屬薄板底面的單向極化矩形壓電陶瓷片組成；金屬薄板為矩形結(jié)構(gòu)疊加三角形結(jié)構(gòu)的金屬彈性體，其中以三角形結(jié)構(gòu)部分作為驅(qū)動(dòng)足。動(dòng)子組件采用滑條，并在其上粘貼了摩擦條。通過彈簧元件提供振子和動(dòng)子之間所需的預(yù)壓力。
本發(fā)明的具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)利用逆壓電
效應(yīng)，當(dāng)對2塊壓電陶瓷片施加相位差為180度的正弦電壓信號時(shí)，2片壓電陶瓷片作反相的面內(nèi)伸縮振動(dòng)，金屬薄板的面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)被有效激發(fā)。在彎曲振動(dòng)模態(tài)下，金屬薄板所具有的三角形結(jié)構(gòu)部分，其與金屬薄板矩形結(jié)構(gòu)部分相連接的兩個(gè)頂點(diǎn)一個(gè)上升， 一個(gè)下降，從而在電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足上產(chǎn)生水平上的位移；當(dāng)對2塊壓電陶瓷片施加相位差為0度的正弦電壓信號時(shí)，2片壓電陶瓷片作同相的面內(nèi)伸縮振動(dòng)，金屬薄板的縱向振動(dòng)模態(tài)被有效激發(fā)。在縱向振動(dòng)模態(tài)下，金屬薄板所具有的三角形結(jié)構(gòu)部分把縱向振動(dòng)位移轉(zhuǎn)換成豎直方向位移并放大，從而使得電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足上產(chǎn)生豎直方向上的位移。當(dāng)對2塊壓電陶瓷片施加相位差為h/2的正弦電壓信號時(shí)，金屬薄板的面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)和一階縱向振動(dòng)模態(tài)被同時(shí)激發(fā)出來。此兩個(gè)方向上的位移在空間上具有"/2的相位差，在時(shí)間上也具有"/2的相位差，從而在金屬薄板的驅(qū)動(dòng)足上形成一個(gè)面內(nèi)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。
該電機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊、易于小型化，使得電機(jī)具有更廣闊的應(yīng)用空間。


圖1是具有三角型位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是電機(jī)振子工作模態(tài)圖。
圖3是激勵(lì)電機(jī)振子產(chǎn)生所需振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號施加方式示意圖。
圖4是電機(jī)振子在電壓信號驅(qū)動(dòng)下使得振子驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生逆時(shí)針橢圓運(yùn)動(dòng)的
狀態(tài)示意圖。其中，1 IV為電機(jī)振子在一個(gè)周期過程中的4個(gè)狀態(tài)示意圖。
圖l、圖2中標(biāo)號及符號名稱1金屬薄板，2壓電陶瓷片，3滑條，4摩
擦片，5彈簧。
圖3中標(biāo)號名稱p為壓電陶瓷片極化方向；6、 7、 8為電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)信號輸入端。
具體實(shí)施例方式
下面具體說明具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)工作原理及具體實(shí)施方式
。
如圖1所示，本發(fā)明的具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電
機(jī)，由振子組件、動(dòng)子組件構(gòu)成。所述振子組件由金屬薄板1和2塊分別粘貼在該金屬薄板1底面的單向極化矩形壓電陶瓷片2組成，金屬薄板1為矩形結(jié)構(gòu)疊加三角形結(jié)構(gòu)的金屬彈性體，其中以三角形結(jié)構(gòu)部分作為驅(qū)動(dòng)足；所述動(dòng)子組件包括滑條3和摩擦片4;通過彈簧元件5提供金屬薄板1和壓電陶瓷片2所組成的振子組件和摩擦片5之間的預(yù)壓力。分別對2塊壓電陶瓷片2施加的具有90度相位差的正弦電壓信號進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可在金屬薄板1的驅(qū)動(dòng)足上產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，
4在一定預(yù)壓力的作用下，金屬薄板l的驅(qū)動(dòng)足驅(qū)動(dòng)滑條產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，通過切換驅(qū)動(dòng)信號，可實(shí)現(xiàn)反方向的直線運(yùn)動(dòng)。
圖2為電機(jī)振子工作模態(tài)圖。圖2(a)為電機(jī)振子二階彎曲振動(dòng)模態(tài)。在彎曲
振動(dòng)模態(tài)下，金屬薄板所具有的三角形結(jié)構(gòu)部分，其與金屬薄板矩形結(jié)構(gòu)部分相連接的兩個(gè)頂點(diǎn)一個(gè)上升， 一個(gè)下降，從而在電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足上產(chǎn)生水平上的位
移；圖2(b)為電機(jī)振子一階縱向振動(dòng)模態(tài)。在縱向振動(dòng)模態(tài)下，金屬薄板所具有的三角形結(jié)構(gòu)部分把縱向振動(dòng)位移轉(zhuǎn)換成豎直方向位移并放大，從而使得電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足上產(chǎn)生豎直方向上的位移。圖中虛線部分為電機(jī)振子未發(fā)生變形前的形狀。
如圖3所示，壓電陶瓷的極化方向?yàn)閜方向。當(dāng)電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)信號輸入端6和7分別輸入￡=-￥3^(0^^^=-￥003加驅(qū)動(dòng)信號，8接地時(shí)，電機(jī)振子的驅(qū)動(dòng)足會(huì)產(chǎn)生:coj;平面內(nèi)的橢圓運(yùn)動(dòng)，在一定預(yù)壓力的作用下，可推動(dòng)滑條產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。
其中V為電壓值；CO為拱形振子的工作模態(tài)頻率；t為時(shí)間。
圖4為按圖3中電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)信號輸入端6和7分別輸入E- -Vsino)t和E=-Vcoswt驅(qū)動(dòng)信號，8接地時(shí)，電機(jī)振子在一個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)狀態(tài)。圖4 (I)為某時(shí)刻狀態(tài)，電機(jī)振子處于彎曲振動(dòng)的最大位置狀態(tài)，而處于縱向振動(dòng)的平衡狀態(tài)，從而使得電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足處于右側(cè)的最大偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。隨著時(shí)間的推進(jìn)，驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)軌跡，經(jīng)歷圖4 (11)、圖4 (m)、圖4 (IV)所示狀態(tài)，完成一個(gè)周期。在這個(gè)過程中，電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足上形成了逆時(shí)針方向的橢圓運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)按圖3中電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)信號輸入端6和7分別輸入E= -Vcoscot和E=-Vsina)t驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，可在電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足上形成順時(shí)針方向的橢圓運(yùn)動(dòng)。其電機(jī)振子在一個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)狀態(tài)與圖4類似。
由此，當(dāng)通過一定的預(yù)壓力作用把電機(jī)振子的驅(qū)動(dòng)足和滑條上的摩擦片表面接觸后，在上述驅(qū)動(dòng)信號的激勵(lì)下，可使滑條產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1、一種具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)，包括振子組件、動(dòng)子組件；所述振子組件由金屬薄板(1)和2塊分別粘貼在該金屬薄板(1)底面的單向極化矩形壓電陶瓷片(2)組成；所述動(dòng)子組件包括滑條(3)和摩擦片(4)；該超聲電機(jī)還包括用于提供振子組件中的金屬薄板(1)和動(dòng)子組件中的摩擦片(4)之間預(yù)壓力的彈簧元件(5)；其特征在于上述金屬薄板(1)為矩形結(jié)構(gòu)疊加三角形結(jié)構(gòu)的金屬彈性體，其中以三角形結(jié)構(gòu)部分作為驅(qū)動(dòng)足。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三角形位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)的工作模態(tài)，其特征在于-二階彎曲振動(dòng)模態(tài)利用逆壓電效應(yīng)，當(dāng)對2塊壓電陶瓷片施加相位差為180度的正弦電壓信號時(shí)，2片壓電陶瓷片(2)作反相的面內(nèi)伸縮振動(dòng)，金屬薄 板(1)的面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)被有效激發(fā)，從而使得電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足上產(chǎn)生水平 方向上的位移；一階縱向振動(dòng)模態(tài)當(dāng)對2塊壓電陶瓷片施加相位差為0度的正弦電壓信號時(shí)，2片壓電陶瓷片(2)作同相的面內(nèi)伸縮振動(dòng)，金屬薄板(1)的縱向振動(dòng)模態(tài)被有效激發(fā)，利用金屬薄板(1)所具有的三角形結(jié)構(gòu)部分把縱向振動(dòng)位移轉(zhuǎn) 換成豎直方向位移并放大，從而使得電機(jī)振子驅(qū)動(dòng)足上產(chǎn)生豎直方向上的位移。當(dāng)對2塊壓電陶瓷片施加相位差為90度的正弦電壓信號時(shí)，金屬薄板(1) 的面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)和一階縱向振動(dòng)模態(tài)被同時(shí)激發(fā)出來，從而在金屬薄板 (1)的驅(qū)動(dòng)足上形成一個(gè)面內(nèi)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。
全文摘要
本發(fā)明的具有三角型位移放大機(jī)構(gòu)的面內(nèi)模態(tài)直線型超聲電機(jī)及其工作模態(tài)，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。包括振子組件、動(dòng)子組件；所述振子組件由金屬薄板(1)和2塊分別粘貼在該金屬薄板(1)底面的單向極化矩形壓電陶瓷片(2)組成；所述動(dòng)子組件包括滑條(3)和摩擦片(4)；該超聲電機(jī)還包括用于提供振子組件中的金屬薄板(1)和動(dòng)子組件中的摩擦片(4)之間預(yù)壓力的彈簧元件(5)；其特征在于上述金屬薄板(1)為矩形結(jié)構(gòu)疊加三角形結(jié)構(gòu)的金屬彈性體，其中以三角形結(jié)構(gòu)部分作為驅(qū)動(dòng)足。分別對2塊壓電陶瓷片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可使振子的驅(qū)動(dòng)足上產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，在一定預(yù)壓力的作用下，使得滑條產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。
文檔編號H02N2/02GK101499739SQ20091002464
公開日2009年8月5日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者時(shí)運(yùn)來, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學(xué)