專利名稱：一種縱彎復(fù)合模態(tài)的直線超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲電機(jī)，尤其涉及一種螺栓軸型縱彎復(fù)合模態(tài)的直線超 聲電機(jī)。
背景技術(shù)：
直線超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將彈性材料的微 觀變形通過(guò)共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的宏觀直線運(yùn)動(dòng)的一種新型電機(jī)。 它與傳統(tǒng)電磁式直線電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、功率密度大、定位精度高、 靈敏度高、可斷電自鎖、不需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)即可直接輸出直線運(yùn)動(dòng)等一系列優(yōu) 點(diǎn)。
目前，直線超聲電機(jī)通常采用圓柱體蘭杰文振子，利用縱、彎等復(fù)合振動(dòng) 模態(tài)，為使振子表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，振子縱向和彎曲振動(dòng)頻率必須趨 于一致，但由于圓柱體復(fù)合振子圓截面的對(duì)稱性，在同一或相近頻率激勵(lì)下，
將必然同時(shí)存在繞X軸和繞Y軸的同頻彎曲振動(dòng)，使所設(shè)計(jì)的直線超聲電機(jī)效 率和可靠性降低。另外，采用圓柱體復(fù)合振子，在裝配過(guò)程中難于保證激勵(lì)振 子彎曲振動(dòng)的壓電陶瓷片對(duì)正。因此也使直線超聲電機(jī)的效率、驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng) 速度及可靠性等性能降低，難于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種縱彎復(fù)合模態(tài)的直線超聲電 機(jī)，該電機(jī)相對(duì)于其他采用圓柱形蘭杰文振子和其它利用縱彎模態(tài)的直線超聲 電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是便于設(shè)計(jì)、制造和安裝、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種縱彎復(fù)合模態(tài)的直線超聲電 機(jī)，包括底座、設(shè)于底座上的復(fù)合振子、給復(fù)合振子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)及與復(fù)合振子接觸的動(dòng)子，該復(fù)合振子包括壓電陶瓷片、與壓電陶瓷片電連接的電極 片及與壓電陶瓷片連接且與動(dòng)子接觸的驅(qū)動(dòng)頭，壓電陶瓷片分兩組，分別用以 激勵(lì)驅(qū)動(dòng)頭的彎曲振動(dòng)模態(tài)和縱向振動(dòng)模態(tài)，所述復(fù)合振子整體呈棱柱型。
所述壓電陶瓷片橫截面為矩形，中間設(shè)有通孔，其中一組沿軸向同向極化 的壓電陶瓷片為縱振壓電陶瓷片，每?jī)蓚€(gè)縱振壓電陶瓷片為一組，且反極化方 向連接，其公共接觸區(qū)為電源信號(hào)輸入端，非公共接觸區(qū)為輸入地端；另外一 組壓電陶瓷片沿矩形面長(zhǎng)度方向分成兩個(gè)對(duì)稱的極化區(qū)，并沿厚度方反向極化， 為彎振壓電陶瓷片，每?jī)蓚€(gè)彎振壓電陶瓷片為一組，反極化方向連接，其公共 接觸區(qū)為電源信號(hào)輸入端，非公共接觸區(qū)為輸入地端。
所述復(fù)合振子還包括蓋板，預(yù)壓力機(jī)構(gòu)通過(guò)該蓋板給復(fù)合振子加壓。
所述預(yù)壓力機(jī)構(gòu)包括插裝于底座底部的預(yù)壓力施加螺釘、設(shè)于預(yù)壓力施加 螺釘末端的預(yù)壓力螺母、與預(yù)壓力螺母接觸的預(yù)壓彈簧及與預(yù)壓彈簧連接的預(yù) 緊螺栓，該預(yù)緊螺栓依次插裝于蓋板、兩組壓電陶瓷片及驅(qū)動(dòng)頭的中孔內(nèi)，將 蓋板、兩組壓電陶瓷片及驅(qū)動(dòng)頭串接一起。
所述動(dòng)子包括線性滑軌及設(shè)于線性滑軌底部的滾珠。
所述驅(qū)動(dòng)頭采用變截面超聲變幅桿。
線性滑軌上或者驅(qū)動(dòng)頭與線性滑軌接觸部位涂復(fù)有耐磨材料。
所述蓋板與驅(qū)動(dòng)頭均為金屬?gòu)椥泽w。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)
發(fā)明將復(fù)合振子整體設(shè)計(jì)成棱柱型，就由于棱柱體復(fù)合振子圓截面的不對(duì) 稱性，在同一或相近頻率激勵(lì)下，可以避免同時(shí)繞X軸和繞Y軸的同頻彎曲振 動(dòng)，使所設(shè)計(jì)的直線超聲電機(jī)效率和可靠性提高。另外，采用棱柱體復(fù)合振f， 在裝配過(guò)程中易于保證激勵(lì)振子彎曲振動(dòng)的壓電陶瓷片對(duì)正。因此可使直線超 聲電機(jī)的效率、驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)速度及可靠性等性能提高，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明的縱彎復(fù)合模態(tài)的直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為縱振壓電陶瓷片分區(qū)極化示意圖；圖3為彎振壓電陶瓷片分區(qū)極化示意圖4a為復(fù)合振子的正面結(jié)構(gòu)圖，圖4b為復(fù)合振子的側(cè)面結(jié)構(gòu)圖； 圖5為直線超聲電機(jī)所利用模態(tài)及模態(tài)復(fù)合示意圖。
圖1及圖4中標(biāo)號(hào)名稱是1-底座，2-蓋板，3-彎振壓電陶瓷片(分區(qū)極 化)，4-縱振壓電陶瓷片(同向不分區(qū)極化)，5-驅(qū)動(dòng)頭，6-電極片，7-滾珠， 8-線性滑軌，9-預(yù)緊螺栓，10-預(yù)壓彈簧，11-預(yù)壓力螺母，12-預(yù)壓力施加螺釘。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖1至圖5所示， 一種縱彎復(fù)合模態(tài)的直線超聲電機(jī)，包括底座1、設(shè)于 底座1上的復(fù)合振子、給復(fù)合振子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)及與復(fù)合振子接觸的動(dòng)子， 該復(fù)合振子包括壓電陶瓷片、與壓電陶瓷片電連接的電極片6及與壓電陶瓷片 連接且與動(dòng)子接觸的驅(qū)動(dòng)頭5，壓電陶瓷片分兩組，分別用以激勵(lì)驅(qū)動(dòng)頭的彎曲 振動(dòng)模態(tài)和縱向振動(dòng)模態(tài)，所述復(fù)合振子整體呈棱柱型。
如圖2、圖3所示，所述壓電陶瓷片橫截面為矩形，中間設(shè)有通孔，其中一 組沿軸向同向極化的壓電陶瓷片為縱振壓電陶瓷片4，每?jī)蓚€(gè)縱振壓電陶瓷片4 為一組，且反極化方向連接，其公共接觸區(qū)為電源信號(hào)輸入端，非公共接觸區(qū) 為輸入地端；另外一組壓電陶瓷片沿矩形面長(zhǎng)度方向分成兩個(gè)對(duì)稱的極化區(qū)， 并沿厚度方反向極化，為彎振壓電陶瓷片3，每?jī)蓚€(gè)彎振壓電陶瓷片3為一組， 反極化方向連接，其公共接觸區(qū)為電源信號(hào)輸入端，非公共接觸區(qū)為輸入地端。
所述復(fù)合振子還包括蓋板2，預(yù)壓力機(jī)構(gòu)通過(guò)該蓋板2給復(fù)合振子加壓。
所述預(yù)壓力機(jī)構(gòu)包括插裝于底座1底部的預(yù)壓力施加螺釘12、設(shè)于預(yù)壓力 施加螺釘12末端的預(yù)壓力螺母11、與預(yù)壓力螺母11接觸的預(yù)壓彈簧10及與預(yù) 壓彈簧10連接的預(yù)緊螺栓9，該預(yù)緊螺栓9依次插裝于蓋板2、兩組壓電陶瓷 片3、 4及驅(qū)動(dòng)頭5的中孔內(nèi)，將蓋板2、兩組壓電陶瓷片3、 4及驅(qū)動(dòng)頭5串接 一起。
所述動(dòng)子包括線性滑軌8及設(shè)于線性滑軌8底部的滾珠7;所述驅(qū)動(dòng)頭5采 用變截面超聲變幅桿;線性滑軌8上或者驅(qū)動(dòng)頭5與線性滑軌8接觸部位涂復(fù)有耐磨材料；所述蓋板2與驅(qū)動(dòng)頭5均為金屬?gòu)椥泽w。
該直線超聲電機(jī)利用復(fù)合振子的一階縱振模態(tài)和一階彎振模態(tài)的復(fù)合模態(tài) 作為工作模態(tài)，如圖5所示。經(jīng)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源將一定相位差超 聲頻率的交流激勵(lì)信號(hào)施加給該復(fù)合振子內(nèi)部的縱振壓電陶瓷4和彎振壓電陶 瓷片3時(shí)，在壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)作用下，復(fù)合振子將同時(shí)被激發(fā)出一階縱向 L1和一階彎曲B1兩種振動(dòng)，且使這兩振動(dòng)模態(tài)的頻率相差很小或相近。壓電陶 瓷片均沿厚度方向極化，利用壓電陶瓷的d33效應(yīng)激勵(lì)出驅(qū)動(dòng)振子的對(duì)稱振動(dòng)和 反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)耦合的復(fù)合振動(dòng)。
復(fù)合振子作一階縱振時(shí)驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)作縱向運(yùn)動(dòng)，復(fù)合振子在一階彎曲 振動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)足上的質(zhì)點(diǎn)作橫向運(yùn)動(dòng)，在有一定相位差(^/2)的復(fù)合振子一階 縱振和一階彎振復(fù)合共振模態(tài)下，驅(qū)動(dòng)頭上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓。當(dāng)在復(fù)合 振子與直線導(dǎo)軌之間施加一定的預(yù)壓力時(shí)，驅(qū)動(dòng)頭和直線滑軌之間的摩擦力就 能帶動(dòng)直線滑軌做直線運(yùn)動(dòng)。改變兩激勵(lì)信號(hào)的相位差為-n/2，直線導(dǎo)軌便作 反向運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1、一種縱彎復(fù)合模態(tài)的直線超聲電機(jī)，包括底座、設(shè)于底座上的復(fù)合振子、給復(fù)合振子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)及與復(fù)合振子接觸的動(dòng)子，該復(fù)合振子包括壓電陶瓷片、與壓電陶瓷片電連接的電極片及與壓電陶瓷片連接且與動(dòng)子接觸的驅(qū)動(dòng)頭，壓電陶瓷片分兩組，分別用以激勵(lì)驅(qū)動(dòng)頭的彎曲振動(dòng)模態(tài)和縱向振動(dòng)模態(tài)，其特征在于所述復(fù)合振子整體呈棱柱型。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的直線超聲電機(jī)，其特征在于所述壓電陶瓷片橫 截面為矩形，中間設(shè)有通孔，其中一組沿軸向同向極化的壓電陶瓷片為縱振壓 電陶瓷片，每?jī)蓚€(gè)縱振壓電陶瓷片為一組，且反極化方向連接，其公共接觸區(qū) 為電源信號(hào)輸入端，非公共接觸區(qū)為輸入地端；另外一組壓電陶瓷片沿矩形面 長(zhǎng)度方向分成兩個(gè)對(duì)稱的極化區(qū)，并沿厚度方反向極化，為彎振壓電陶瓷片， 每?jī)蓚€(gè)彎振壓電陶瓷片為一組，反極化方向連接，其公共接觸區(qū)為電源信號(hào)輸 入端，非公共接觸區(qū)為輸入地端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的直線超聲電機(jī)，其特征在于所述復(fù)合振子還包 括蓋板，預(yù)壓力機(jī)構(gòu)通過(guò)該蓋板給復(fù)合振子加壓。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的直線超聲電機(jī)，其特征在于所述預(yù)壓力機(jī)構(gòu)包 括插裝于底座底部的預(yù)壓力施加螺釘、設(shè)于預(yù)壓力施加螺釘末端的預(yù)壓力螺母、 與預(yù)壓力螺母接觸的預(yù)壓彈簧及與預(yù)壓彈簧連接的預(yù)緊螺栓，該預(yù)緊螺栓依次 插裝于蓋板、兩組壓電陶瓷片及驅(qū)動(dòng)頭的中孔內(nèi)，將蓋板、兩組壓電陶瓷片及 驅(qū)動(dòng)頭串接一起。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線超聲電機(jī)，其特征在于所述動(dòng)子包括線性 滑軌及設(shè)于線性滑軌底部的滾珠。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的直線超聲電機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)頭采用變 截面超聲變幅桿。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的直線超聲電機(jī)，其特征在于線性滑軌上或者驅(qū) 動(dòng)頭與線性滑軌接觸部位涂復(fù)有耐磨材料。
8、根據(jù)權(quán)利要求3所述的直線超聲電機(jī)，其特征在于所述蓋板與驅(qū)動(dòng)頭 均為金屬?gòu)椥泽w。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種縱彎復(fù)合模態(tài)的直線超聲電機(jī)，它利用復(fù)合振子一階縱向振動(dòng)模態(tài)和一階彎曲振動(dòng)模態(tài)，解決目前直線超聲電機(jī)功率較低、驅(qū)動(dòng)力普遍較小的問(wèn)題；其包括底座、設(shè)于底座上的復(fù)合振子、給復(fù)合振子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)及與復(fù)合振子接觸的動(dòng)子，復(fù)合振子包括壓電陶瓷片、與壓電陶瓷片電連接的電極片及與壓電陶瓷片連接且與動(dòng)子接觸的驅(qū)動(dòng)頭，壓電陶瓷片分兩組，分別用以激勵(lì)驅(qū)動(dòng)頭的彎曲振動(dòng)模態(tài)和縱向振動(dòng)模態(tài)，其中，復(fù)合振子整體呈棱柱型。此直線超聲電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，便于安裝和修復(fù)，可提供較大的驅(qū)動(dòng)力。本發(fā)明將在精密定位、半導(dǎo)體制造、伺服控制、機(jī)器人、汽車工業(yè)、航空航天及民用高科技等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，有著廣闊應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02N2/02GK101656490SQ20091019215
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者張鐵民, 莉 梁, 平 羅 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)