專利名稱：雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)和控制兼用的非電磁原理直線電機(jī)和線性致動(dòng)器。 特別是一種體積小、能量密度高的雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷或其他功能元件激發(fā)出彈性體的某種預(yù)定模態(tài)的高頻 共振振動(dòng)，通過摩擦輸出機(jī)械能的新型電機(jī)和動(dòng)力裝置。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，其明顯的 優(yōu)勢(shì)之一是可以用非常緊湊的結(jié)構(gòu)和極少量的零件產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的輸出。由于是利 用摩擦實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的轉(zhuǎn)換和輸出，因此即使是斷電以后，其預(yù)壓力機(jī)構(gòu)也使得定子緊緊壓 在動(dòng)子上，使電機(jī)獲得較大的自保持力。從工作原理區(qū)分，超聲電機(jī)可分為行波型和駐波型 兩種。對(duì)于直線超聲電機(jī)而言，目前利用復(fù)合模態(tài)工作的駐波型直線超聲電機(jī)技術(shù)上相對(duì) 成熟。在實(shí)際應(yīng)用上，這種直線超聲電機(jī)主要問題是輸出力小。輸出力相對(duì)較大的現(xiàn)有直 線超聲電機(jī)，橫向尺寸(電機(jī)在垂直于直線滑軌方向的尺寸)又普遍偏大。而且在大推力工 作時(shí)電機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性變差?，F(xiàn)有技術(shù)有一種雙驅(qū)動(dòng)足直線超聲電機(jī)(發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?007 1 0024372.8)， 該電機(jī)的定子采用了兩個(gè)夾心式壓電振子，并且呈V字形布置，兩振子的前蓋合并成了門 字形彈性體結(jié)構(gòu)，由此形成雙驅(qū)動(dòng)足。該電機(jī)的主要不足在于1)電機(jī)的外形尺寸較大，能 量密度不高；2)電機(jī)缺少一個(gè)能使能量損失降為最小的固支點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種雙沖程緊湊型壓電直線電 機(jī)，具有近似立方體的緊湊的外形、體積小、能量密度高、推力和自保持力大、運(yùn)動(dòng)輸出平 穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)分辨率高、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。一種雙沖程緊湊型的壓電直線電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，其特征在于所述定子由上 彈性塊、下彈性塊、第一組壓電致動(dòng)件、第二組壓電致動(dòng)件和緊固螺釘構(gòu)成，其中第一組壓 電致動(dòng)件被夾持在上彈性塊和下彈性塊之間，并用緊固螺釘均勻夾緊；第二組壓電致動(dòng)件 則牢固地粘貼在下彈性塊的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面上；下彈性塊用聲阻抗率較小的材料如硬鋁等 制作，上彈性塊用聲阻抗率較大的材料如鋼等制作。所述的動(dòng)子是一個(gè)具有光滑工作表面 的直線導(dǎo)軌，其下方由兩個(gè)平行設(shè)置的導(dǎo)向輪支撐。所述定子的下彈性塊有凸齒與該直線 導(dǎo)軌的光滑頂面相抵觸，通過外圍封裝結(jié)構(gòu)將預(yù)壓力作用在上彈性塊下方中點(diǎn)處，該點(diǎn)是 整個(gè)定子在按預(yù)定模態(tài)振動(dòng)時(shí)的相對(duì)靜止點(diǎn)，該預(yù)壓力使所述定子和所述動(dòng)子保持垂直壓 緊。所述的定子沿左右方向和前后方向分別為完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。其上彈性塊的上部帶 有4個(gè)凸塊。其下彈性塊的下部帶有2個(gè)凸腳。電機(jī)利用下彈性塊的2個(gè)凸腳的互為反相 的縱向振動(dòng)模態(tài)為第一工作模態(tài)，利用該2個(gè)凸腳的互為反相的橫向偏擺振動(dòng)模態(tài)為第二工作模態(tài)。兩工作模態(tài)的頻率相接近，并在下彈性塊的凸齒末端復(fù)合成運(yùn)動(dòng)輸出所需的橢 圓軌跡振動(dòng)。所述的第一組壓電致動(dòng)件和第二組壓電致動(dòng)件都是上下兩面均勻涂鍍銀極的、沿 厚度方向均勻極化的壓電陶瓷片。所述的第一組壓電致動(dòng)件分左右兩族，均為偶數(shù)片的壓 電陶瓷片疊成，同族壓電陶瓷片的極化方向兩兩相對(duì)布置，在同極性接合面之間引出電極 片，用于施加外電場(chǎng)。兩族壓電陶瓷片之間，對(duì)應(yīng)片的極化方向互為異向布置。用于激勵(lì)所 述的第一工作模態(tài)。所述的第二組壓電致動(dòng)件也分為左右兩族，每族由前后兩片壓電陶瓷 片組成。同族的兩片壓電陶瓷片的極化方向同向布置，并與另一族的對(duì)應(yīng)壓電陶瓷片極化 方向互為異向。用于激勵(lì)所述的第二工作模態(tài)。電機(jī)的電激勵(lì)方式是用兩組相位差為π /2的同頻簡(jiǎn)諧信號(hào)交變電場(chǎng)分別激勵(lì)第 一組壓電致動(dòng)件和第二組壓電致動(dòng)件的高頻振動(dòng)。其效果是使下彈性塊的凸齒末端交替地 以180°相位差與動(dòng)子接觸，并產(chǎn)生同方向雙沖程摩擦驅(qū)動(dòng)效果，推動(dòng)動(dòng)子輸出連續(xù)的直線 運(yùn)動(dòng)。兩組電激勵(lì)信號(hào)交換時(shí)，輸出的運(yùn)動(dòng)方向反向。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
1.具有兩個(gè)凸腳的下彈性塊交替驅(qū)動(dòng)，達(dá)成類似于雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)的雙沖程驅(qū)動(dòng)效果，使 電機(jī)整體體積減小，能量密度加大；
2.夾心式壓電致動(dòng)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用了壓電元件的厚度振動(dòng)模式，機(jī)電耦合系數(shù)大，而 且由于可以提供較大的預(yù)壓力，因此振動(dòng)力大，使得電機(jī)所產(chǎn)生的推力和自保持力大；
3.除了電機(jī)定子縱向振動(dòng)激勵(lì)使用了多組壓電致動(dòng)件外，電機(jī)定子的橫向偏擺振動(dòng)激 勵(lì)也使用了多組壓電致動(dòng)件，因此壓電元件的有效使用率高，使得電機(jī)的能量密度加大；
4.利用了電機(jī)定子的兩個(gè)相互正交的反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，這兩個(gè)模態(tài)間存在公共的振動(dòng) 節(jié)點(diǎn)，方便電機(jī)在此處固支，承受預(yù)壓力，從而最大程度減少了固支點(diǎn)對(duì)于振動(dòng)波的反射和 振動(dòng)能量的消耗，使得電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率提高；
5.本發(fā)明電機(jī)定子的雙沖程工作模式比普通單一驅(qū)動(dòng)足定子接觸動(dòng)子的時(shí)間提高了 一倍，電機(jī)工作更加平穩(wěn)，輸出的直線運(yùn)動(dòng)精度提高。6.下彈性塊做成2個(gè)較長(zhǎng)的凸起結(jié)構(gòu)，用聲阻抗率較小的材料制作，上彈性塊做 成4個(gè)短粗的凸起結(jié)構(gòu)，用聲阻抗率較大的材料制作，使得電機(jī)定子的振動(dòng)能量在電機(jī)驅(qū) 動(dòng)足端部聚集，放大了振動(dòng)振幅，提高了電機(jī)的輸出推力和速度。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電機(jī)定子的第一工作模態(tài)； 圖3是對(duì)應(yīng)圖2的第二工作模態(tài)；
圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電機(jī)定子壓電致動(dòng)件極化方向和外加電場(chǎng)信號(hào)接入示 意圖5是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的定子以第一工作模態(tài)和第二工作模態(tài)復(fù)合振動(dòng)時(shí)，下彈 性塊振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡分解示意圖。其縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)之間相位互差90°。其中圖(a)是 縱向振動(dòng)達(dá)到正向最大振幅的情況，圖(b)是橫向振動(dòng)達(dá)到正向最大振幅的情況，圖(c)是 縱向振動(dòng)達(dá)到負(fù)向最大振幅的情況，圖(d)是橫向振動(dòng)達(dá)到負(fù)向最大振幅的情況。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下
實(shí)施例一參見圖1，本雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述定子由上 彈性塊1、下彈性塊5、第一組壓電致動(dòng)件4、第二組壓電致動(dòng)件6和緊固螺釘12構(gòu)成；其中 第一組壓電致動(dòng)件4被夾持在上彈性塊1和下彈性塊5之間，并用緊固螺釘12均勻夾緊， 第二組壓電致動(dòng)件6則牢固地粘貼在下彈性塊5的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面11上；所述動(dòng)子是一個(gè) 直線導(dǎo)軌9，其下方由兩個(gè)平行設(shè)置的導(dǎo)向輪10支撐；所述定子的下彈性塊5有齒形凸起8 與該直線導(dǎo)軌9的頂面相抵觸，預(yù)壓力作用在上彈性塊1下方中點(diǎn)處3，使所述動(dòng)子和所述 定子保持垂直壓緊。實(shí)施例二 本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下所述下彈性塊5由聲阻 抗率較小的材料制成，所述上彈性塊1由聲阻抗率較大的材料制成，即上彈性塊1的材料聲 阻抗率大于下彈性塊5的材料聲阻抗率。所述定子沿左右方向和前后方向分別為完全對(duì)稱 的結(jié)構(gòu)，其上彈性塊1的上部帶有4個(gè)凸塊2，其下彈性塊5的下部帶有2個(gè)凸腳7。所述 上彈性塊1的材料為鋼，所述下彈性塊5的材料為鋁。所述第一組和第二組壓電致動(dòng)件4、 6皆是上下兩面均勻涂鍍銀極的、沿厚度方向均勻極化的壓電陶瓷片。所述電機(jī)利用下彈性 塊5的2個(gè)凸腳7的互為反相的縱向振動(dòng)模態(tài)為第一工作模態(tài)，利用該2個(gè)凸腳7的互為 反相的橫向偏擺振動(dòng)模態(tài)為第二工作模態(tài)，兩工作模態(tài)的頻率相接近，在下彈性塊5凸腳7 下端有凸齒8，由該兩凸齒8的末端復(fù)合成運(yùn)動(dòng)輸出所需的橢圓軌跡振動(dòng)。所述第一組壓電致動(dòng)件4分左右兩族，均由偶數(shù)片的壓電陶瓷片疊成，同族壓電 陶瓷片的極化方向兩兩相對(duì)布置，在同極性接合面之間引出電極片，用于施加外電場(chǎng)；兩族 壓電陶瓷片之間，對(duì)應(yīng)片的極化方向互為異向布置，用于激勵(lì)所述第一工作模態(tài)；所述第二 組壓電致動(dòng)件6也分為左右兩族，每族由前后兩片壓電陶瓷片組成。同族的兩片壓電陶瓷 片的極化方向同向布置，并與另一族的對(duì)應(yīng)壓電陶瓷片極化方向互為異向，用于激勵(lì)所述 第二工作模態(tài)。電激勵(lì)方式為用兩組相位差為π /2的同頻簡(jiǎn)諧信號(hào)交變電場(chǎng)分別激勵(lì)第一組 壓電致動(dòng)件4和第二組壓電致動(dòng)件6的高頻振動(dòng)，其效果是使下彈性塊5的凸齒8末端交 替地以180°相位差與動(dòng)子接觸，并產(chǎn)生同方向雙沖程摩擦驅(qū)動(dòng)效果，推動(dòng)動(dòng)子輸出連續(xù)的 直線運(yùn)動(dòng)；兩組電激勵(lì)信號(hào)交換時(shí)，輸出的運(yùn)動(dòng)方向反向。實(shí)施例三本實(shí)施例與實(shí)施例二基本相同，特別之處是電機(jī)定子整體外形尺寸 是20. 2mmX15. 6mmX12. Omm0所述的動(dòng)子是斷面尺寸為12mmX 6mm的具有光滑工作表面平 直鋼質(zhì)直線導(dǎo)軌，在電機(jī)定子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置施加預(yù)壓力，使前述動(dòng)子驅(qū)動(dòng)足端面與導(dǎo)軌 光滑工作表面相接觸，并壓緊。電機(jī)的定子為沿左右方向和前后方向分別完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，并構(gòu)成了一個(gè)整體的 復(fù)合材料彈性體，利用該彈性體的兩個(gè)下部凸起結(jié)構(gòu)的互為反相的縱向振動(dòng)模態(tài)為第一工 作模態(tài)，利用該彈性體的兩驅(qū)動(dòng)足的互為反相的橫向偏擺振動(dòng)模態(tài)為第二工作模態(tài)。利用 有限元數(shù)值計(jì)算，得到使兩模態(tài)的頻率相互接近的具體結(jié)構(gòu)尺寸。計(jì)算得到的工作模態(tài)頻 率在IlOkHz附近，在該頻率下激勵(lì)時(shí)，電機(jī)定子在下彈性塊齒形凸起末端復(fù)合成運(yùn)動(dòng)輸出 所需的橢圓軌跡振動(dòng)?！?br> 權(quán)利要求
1.一種雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，其特征在于所述定子由上彈 性塊(1)、下彈性塊(5)、第一組壓電致動(dòng)件(4)、第二組壓電致動(dòng)件(6)和緊固螺釘(12)構(gòu) 成；其中第一組壓電致動(dòng)件(4)被夾持在上彈性塊(1)和下彈性塊(5)之間，并用緊固螺 釘(12)均勻夾緊，第二組壓電致動(dòng)件(6)則牢固地粘貼在下彈性塊(5)的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面 (11)上；所述動(dòng)子是一個(gè)直線導(dǎo)軌(9)，其下方由兩個(gè)平行設(shè)置的導(dǎo)向輪(10)支撐；所述定 子的下彈性塊(5)有齒形凸起(8)與該直線導(dǎo)軌(9)的頂面相抵觸，預(yù)壓力作用在上彈性塊 (1)下方中點(diǎn)處(3)，使所述動(dòng)子和所述定子保持垂直壓緊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，其特征在于所述定子沿左右方 向和前后方向分別為完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，其上彈性塊(1)的上部帶有4個(gè)凸塊(2)，其下彈性 塊(5)的下部帶有2個(gè)凸腳(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，其特征在于所述下彈性塊(5) 由聲阻抗率較小的材料制成，所述上彈性塊(1)由聲阻抗率較大的材料制成，即上彈性塊 (1)的材料聲阻抗率大于下彈性塊(5)的材料聲阻抗率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，其特征在于所述上彈性塊(1) 的材料為鋼，所述下彈性塊(5)的材料為鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，其特征在于所述第一組和第二 組壓電致動(dòng)件(4、6)皆是上下兩面均勻涂鍍銀極的、沿厚度方向均勻極化的壓電陶瓷片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，其特征在于電機(jī)利用下彈性塊 (5)的2個(gè)凸腳(7)的互為反相的縱向振動(dòng)模態(tài)為第一工作模態(tài)，利用該2個(gè)凸腳(7)的互 為反相的橫向偏擺振動(dòng)模態(tài)為第二工作模態(tài)，兩工作模態(tài)的頻率相接近，在下彈性塊(5)凸 腳(7)下端有凸齒(8)，由該兩凸齒(8)的末端復(fù)合成運(yùn)動(dòng)輸出所需的橢圓軌跡振動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，其特征在于所述第一組壓電致 動(dòng)件(4)分左右兩族，均由偶數(shù)片的壓電陶瓷片疊成，同族壓電陶瓷片的極化方向兩兩相對(duì) 布置，在同極性接合面之間引出電極片，用于施加外電場(chǎng)；兩族壓電陶瓷片之間，對(duì)應(yīng)片的 極化方向互為異向布置，用于激勵(lì)所述第一工作模態(tài)；所述第二組壓電致動(dòng)件(6)也分為 左右兩族，每族由前后兩片壓電陶瓷片組成；同族的兩片壓電陶瓷片的極化方向同向布置， 并與另一族的對(duì)應(yīng)壓電陶瓷片極化方向互為異向，用于激勵(lì)所述第二工作模態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙沖程緊湊型壓電直線電機(jī)，其特征在于電激勵(lì)方式為用 兩組相位差為η/2的同頻簡(jiǎn)諧信號(hào)交變電場(chǎng)分別激勵(lì)第一組壓電致動(dòng)件(4)和第二組壓 電致動(dòng)件(6)的高頻振動(dòng)，其效果是使下彈性塊(5)的凸齒(8)末端交替地以180°相位差 與動(dòng)子接觸，并產(chǎn)生同方向雙沖程摩擦驅(qū)動(dòng)效果，推動(dòng)動(dòng)子輸出連續(xù)的直線運(yùn)動(dòng)；兩組電激 勵(lì)信號(hào)交換時(shí)，輸出的運(yùn)動(dòng)方向反向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙沖程緊湊型的多模態(tài)復(fù)合式壓電直線電機(jī)。它包括定子和動(dòng)子，定子由上彈性塊、下彈性塊、第一組壓電致動(dòng)件、第二組壓電致動(dòng)件和緊固螺釘構(gòu)成。其中第一組壓電致動(dòng)件被夾持在上彈性塊和下彈性塊之間，并用緊固螺釘均勻夾緊。第二組壓電致動(dòng)件則牢固地粘貼在下彈性塊的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面上。電機(jī)的動(dòng)子是直線導(dǎo)軌，其下方由兩個(gè)平行設(shè)置的導(dǎo)向輪支撐。電機(jī)具有近似立方體的緊湊的外形，具有雙沖程動(dòng)力輸出的特點(diǎn)，能量密度高，運(yùn)動(dòng)輸出平穩(wěn)、精密，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于微型化。
文檔編號(hào)H02N2/04GK102075111SQ201010561340
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月27日
發(fā)明者何曉菁, 張健滔, 李朝東, 王憬, 趙偉, 鮑晟 申請(qǐng)人:上海大學(xué)