專利名稱：一種薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的利用矩形截面薄壁自由梁的彎曲振動模態(tài)驅(qū)動的直線超聲電
機，尤其涉及一種薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機
背景技術(shù)：
超聲電機是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)激發(fā)定子彈性體產(chǎn)生超聲頻域微幅機械振 動，再通過定子與轉(zhuǎn)子(或動子)之間的摩擦作用將定子的微幅振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(或動子) 的宏觀的轉(zhuǎn)動(或直線運動)。它打破了慣常的由電磁感應(yīng)效應(yīng)獲得速度和動力的傳統(tǒng)電 機的概念，與傳統(tǒng)的電磁電機相比，具有動力密度大、響應(yīng)快、無噪聲、電磁兼容性好等一系 列獨特的性能。超聲電機技術(shù)在20世紀末得到迅速發(fā)展，已在航空航天、機器人、汽車、精 密定位儀、微型機械等領(lǐng)域里得到成功的應(yīng)用，它是當(dāng)今國內(nèi)外微特電機領(lǐng)域研究的熱點 之一。 超聲電機分為旋轉(zhuǎn)型和直線型兩大類。與傳統(tǒng)的電磁型直線電機相比，直線型超 聲電機的最大特點是無需運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)、定子通過直接驅(qū)動動子實現(xiàn)直線運動。直線超聲 電機的研究略晚于旋轉(zhuǎn)型超聲電機，卻因其獨特的優(yōu)點而備受青睞，并成該領(lǐng)域內(nèi)的又一 熱點。本世紀初以來，日本、美國、俄羅斯、以色列、新加坡等國先后研制出了多種型式的直 線超聲電機，其中有些還得到了工作應(yīng)用，但總的來看，日本的直線超聲電機技術(shù)走在世界 前列。國內(nèi)的直線超聲電機研究始于上世紀90年代末，南京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院、清
華大學(xué)、華中科技大學(xué)等高等院校和科研院所在這方面做了不少的研究，并取得了一定的 成果。但總的來說，我國直線超聲電機仍處于研究階段，與國外相比仍存在較大差距。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，該超聲電機具 有亞微米級(甚至更高)定位精度、毫秒級響應(yīng)速度、較快的運動速度、較大的輸出推力，應(yīng) 用范圍廣泛。 本實用新型是這樣實現(xiàn)的，它包括定子組件、動子組件、支座組件、預(yù)緊加壓組件，
其特征是預(yù)緊加壓組件連接定子組件，定子組件和動子組件分別連接支座組件。 本實用新型所述的定子組件包括定子、驅(qū)動齒、壓電陶瓷，定子正面連有6個驅(qū)動
齒，定子通過驅(qū)動齒連接動子組件，定子背面連有壓電陶瓷。 本實用新型所述的動子組件包括上蓋板、動子體、滾珠、滾珠蓋，滾珠放置在上蓋 板的盲孔內(nèi)之后用滾珠蓋將其定位，滾珠蓋固定連接上蓋板，動子上開有V型槽，滾珠通過 V型槽對動子進行導(dǎo)向。 本實用新型所述的支座組件包括短擋板、長擋板、底座，短擋板和長擋板分別固定 連接底座，底座上開有若干個安裝孔。 本實用新型所述的預(yù)緊加壓組件包括彈簧、調(diào)節(jié)墊片、調(diào)節(jié)螺釘、彈性體，調(diào)節(jié)螺 釘連接下端的調(diào)節(jié)墊片，兩塊調(diào)節(jié)墊片之間連有彈簧，調(diào)節(jié)墊片兩端分別連有彈性體。[0010] 本實用新型所述的定子為矩形截面結(jié)構(gòu)薄壁自由梁。 本實用新型所述的壓電陶瓷分兩層布置在定子背面上，第一層壓電陶瓷由6個高 性能壓電晶片所組成，第二層壓電陶瓷由9個高性能壓電晶片組成，各晶片之間均少許留 出間隙，兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片均具有相同的極化方向配置，每塊晶片上均需接入 適當(dāng)配置且頻率處于超聲頻域的調(diào)頻、調(diào)幅諧波激勵電信號。 本實用新型的技術(shù)效果是(1)定子采用薄壁自由梁結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)電機小型 輕量化；(2)電機基于駐波彎曲振動模態(tài)驅(qū)動，可使電機輸出較大推力；(3)定子驅(qū)動齒步 距小，動子位置分辨率高，電機可實現(xiàn)亞微米級甚至更高精度的快速精密定位；(4)電機性 能更穩(wěn)定。動子設(shè)計成具有適度柔性的結(jié)構(gòu)，可保證定子與動子具有較理想的界面接觸狀 態(tài)，這將大大改善電機穩(wěn)定性，減小其發(fā)熱；(5)動子運動阻力小，由于動子組件采用滾珠 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可大大減小電機的摩擦阻力，提高電機和效率和響應(yīng)速度。

圖1為本實用新型的二維示意圖。 圖2為本實用新型的三維結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本實用新型的定子組件和動子組件的結(jié)構(gòu)示意。 圖4為本實用新型的驅(qū)動齒和壓電陶瓷片分布圖。 圖5為本實用新型的定子梁的工作模態(tài)B。e示意圖。 圖6為本實用新型的定子梁的工作模態(tài)B。9示意圖。 圖7為本實用新型的激發(fā)B。6模態(tài)的壓電陶瓷的極化配置與供電方式。 圖8為本實用新型的激發(fā)B。9模態(tài)的壓電陶瓷的極化配置與供電方式。 圖9為本實用新型的定子推動動子組件做正向直線運動的機理。 圖10為本實用新型的定子推動動子組件做反向直線運動的機理。
具體實施方式如圖1、圖2所示，本實用新型是這樣實現(xiàn)的，它包括定子組件、動子組件、支座組 件、預(yù)緊加壓組件，其特征是預(yù)緊加壓組件連接定子組件，定子組件和動子組件分別連接支 座組件。 如圖3所示，本實用新型所述的定子組件包括定子11、驅(qū)動齒9、壓電陶瓷12，其特
征是定子11正面連有六個驅(qū)動齒9，定子11的背面連有壓電陶瓷12。 如圖3所示，本實用新型所述的動子組件包括上蓋板1、動子2、滾珠7、滾珠蓋8，
其特征是滾珠7放置在上蓋板1的盲孔之后用滾珠蓋8將其定位，用螺釘10將滾珠蓋8固
定連接上蓋板1 ，動子2上開有V型槽，滾珠通過V型槽對動子組件進行導(dǎo)向。 如圖1所示，本實用新型所述的支座組件包括短擋板3、長擋板4、底座5，其特征是
短擋板3和長擋板4分別通過螺栓6固定連接底座5，底座5上開有若干個安裝孔。 如圖2所示，本實用新型所述的預(yù)緊加壓組件包括彈簧14、調(diào)節(jié)墊片13、調(diào)節(jié)螺釘
15、彈性體16，其特征是調(diào)節(jié)螺釘15連接下端的調(diào)節(jié)墊片13，兩塊調(diào)節(jié)墊片13之間連有彈
簧14，調(diào)節(jié)墊片13兩端分別連有彈性體16。 如圖4所示，本實用新型所述的壓電陶瓷12，壓電陶瓷12分兩層布置，第一層壓電陶瓷由六個高性能壓電晶片所組成，第二層壓電陶瓷由九個高性能壓電晶片組成，各晶片
之間均留出少許間隙，兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片均具有相同的極化方向配置，每塊晶
片上均需接入適當(dāng)配置且頻率處于超聲頻域的調(diào)頻、調(diào)幅諧波激勵電信號。 如圖5、圖6所示，選取定子11的B。e、B。9彎曲振動模態(tài)作為電機的工作模態(tài)。為
了避免電機運轉(zhuǎn)時可能引起的機械振動噪聲，定子11的結(jié)構(gòu)與尺寸必須確保上述兩種模
態(tài)的模態(tài)頻率處于超聲頻域內(nèi)。 本實用新型通過定子組件的超聲頻域機械振動推動動子組件2運動。為了激發(fā)定 子11的純彎曲振動工作模態(tài)動，需在定子11的背面粘貼壓電陶瓷12，并需在壓電陶瓷12 上施加高頻激勵電信號，使壓電陶瓷12產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，引起定子ll機械振動，并且為了 激發(fā)定子11的B。e模態(tài)，貼于定子11背面壓電陶瓷應(yīng)按圖7所示方式極化和供電；為了激 發(fā)定子11的B。9模態(tài)，貼于定子11背面的壓電陶瓷12應(yīng)按圖8所示方式進行極化和供電。 本實用新型的電機的工作原理是通過在壓電陶瓷12上施加高頻諧波激勵信號 激發(fā)定子(11)的B。e(或B。g)彎振模態(tài)，致使驅(qū)動齒9的頂面處質(zhì)點作正向(或反向)橢圓 運動，并借助驅(qū)動齒9與動子2之間的摩擦力推動動子2做往復(fù)直線運動。 圖9給出了驅(qū)動齒9推動動子2做正向直線運動的情況。動子2的正向驅(qū)動是通 過定子ll的B。9模態(tài)實現(xiàn)，如圖9b)所示。定子在按B。,9模態(tài)進行彎曲振動的前半周期，驅(qū) 動齒92、93和96與動子2接觸且作順時針擺動，通過驅(qū)動齒9與動子2之間的摩擦作用推 動動子2作正向直線運動，驅(qū)動齒9"94和95與動子處于脫離狀態(tài)；在定子11按B。9模態(tài)進 行彎曲振動的后半周期，驅(qū)動齒92、93和96與動子脫離接觸，不向動子2傳遞動力，而驅(qū)動 齒9"94和95與動子組件2接觸且作順時針擺動，通過驅(qū)動齒9與動子2之間的摩擦作用 繼續(xù)推動動子2作正向直線運動，完成一個周期運動。如圖9c)。 圖10給出了驅(qū)動齒9推動動子做2反向直線運動的情況。動子2的反向驅(qū)動是 通過定子11的B。e模態(tài)實現(xiàn)，如圖10b)所示。定子在進行B。,e模態(tài)彎振的前半周期，驅(qū)動 齒92、94和96與動子2接觸且作逆時針擺動，通過驅(qū)動齒9與動子2之間的摩擦作用推動 動子2作反方向直線運動，驅(qū)動齒9"93和95與動子2處于脫離狀態(tài)；定子11在B。,6模態(tài) 彎振的后半周期，驅(qū)動齒92、94和96與動子脫離接觸，不向動子2傳遞動力，而驅(qū)動齒9^93 和95與動子2接觸且作逆時針擺動，通過驅(qū)動齒9與動子2之間的摩擦作用繼續(xù)推動動子 2作反向直線運動，完成一個周期運動。如圖10c)。
權(quán)利要求一種薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，它包括定子組件、動子組件、支座組件、預(yù)緊加壓組件，其特征是預(yù)緊加壓組件連接定子組件，定子組件和動子組件分別連接支座組件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，其特征是定子組件包括定 子、驅(qū)動齒、壓電陶瓷，定子正面連有6個驅(qū)動齒，定子通過驅(qū)動齒連接動子組件，定子背面 連有壓電陶瓷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，其特征是動子組件包括上 蓋板、動子體、滾珠、滾珠蓋，滾珠放置在上蓋板的盲孔內(nèi)之后用滾珠蓋將其定位，滾珠蓋固 定連接上蓋板，動子上開有V型槽，滾珠通過V型槽對動子進行導(dǎo)向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，其特征是支座組件包括短 擋板、長擋板、底座，短擋板和長擋板分別固定連接底座，底座上開有若干個安裝孔。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，其特征是預(yù)緊加壓組件包 括彈簧、調(diào)節(jié)墊片、調(diào)節(jié)螺釘、彈性體，調(diào)節(jié)螺釘連接下端的調(diào)節(jié)墊片，兩塊調(diào)節(jié)墊片之間連 有彈簧，調(diào)節(jié)墊片兩端分別連有彈性體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，其特征是所述的定子為 矩形截面結(jié)構(gòu)薄壁自由梁。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，其特征是所述的壓電陶 瓷分兩層布置在定子背面上，第一層壓電陶瓷由6個高性能壓電晶片所組成，第二層壓電 陶瓷由9個高性能壓電晶片組成，各晶片之間均少許留出間隙，兩層壓電陶瓷中的各壓電 晶片均具有相同的極化方向配置，每塊晶片上均需接入適當(dāng)配置且頻率處于超聲頻域的調(diào) 頻、調(diào)幅諧波激勵電信號。
專利摘要一種薄壁自由梁驅(qū)動的直線超聲電機，它包括定子組件、動子組件、支座組件、預(yù)緊加壓組件，其特征是預(yù)緊加壓組件連接定子組件，定子組件和動子組件分別連接支座組件。本實用新型的技術(shù)效果是(1)定子采用薄壁自由梁結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)電機小型輕量化；(2)電機基于駐波彎曲振動模態(tài)驅(qū)動，可使電機輸出較大推力；(3)電機可實現(xiàn)亞微米級甚至更高精度的快速精密定位；(4)電機性能更穩(wěn)定。動子設(shè)計成具有適度柔性的結(jié)構(gòu)，可保證定子與動子具有較理想的界面接觸狀態(tài)，這將大大改善電機穩(wěn)定性，減小其發(fā)熱；(5)提高電機和效率和響應(yīng)速度。
文檔編號H02N2/02GK201490920SQ20092018584
公開日2010年5月26日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者占曉煌, 汪良, 賀紅林, 龍玉繁 申請人:南昌航空大學(xué)