專利名稱：彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)屬于直線超聲波馬達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明的特征在于它含有兩個(gè)彈性振動(dòng)體，按順序夾在上述兩個(gè)彈性振動(dòng)體中間的產(chǎn)生彎曲振動(dòng)用的壓電片組，最中間的產(chǎn)生縱向振動(dòng)用的壓電片組和二組產(chǎn)生彎曲振動(dòng)用的壓電片組；其中，產(chǎn)生彎曲振動(dòng)用的壓電片是沿直徑把壓電片分成極化方向相反的兩部分后再從厚度方向極化的，產(chǎn)生縱向振動(dòng)的壓電片是沿厚度方向極化的；每組壓電片組中各壓電片間的界面處是極性相同地層疊著并接交流電信號(hào)的，而各組壓電片的兩側(cè)是共電位的；所述的兩組產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的壓電片都是由水平位置的直徑來分成極化方向相反的兩部分的；所述的兩組產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的壓電片它們用于劃分極化區(qū)域的直徑是相互垂直的；所述的振動(dòng)體是呈圓柱狀的；所述圓柱振動(dòng)體的端部有一個(gè)用以放大振動(dòng)振幅的凸齒；所述馬達(dá)的軸向是設(shè)有一個(gè)用以擰入固定馬達(dá)各部分并提供預(yù)緊力的螺釘用的中心孔；所述產(chǎn)生縱向振動(dòng)的壓電片的中間固定著一個(gè)用以與外界部件連接的盤。
試驗(yàn)證明它達(dá)到了預(yù)期目的。
1--振動(dòng)體2--彎曲振動(dòng)壓電片3--縱向振動(dòng)壓電片4--彎曲振動(dòng)壓電片5--振動(dòng)體6--縱向振動(dòng)電極片，接信號(hào)用7--彎曲振動(dòng)電極片，接信號(hào)用8--彎曲振動(dòng)電極片，接信號(hào)用在圖2中，1是圓柱行彈性振動(dòng)體，用鋁制成，也可用銅或其他混合材料，3是產(chǎn)生縱向振動(dòng)的壓電片，4、5分別是上、下二組產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的壓電片，他們都用PZT-8(鋯鈦酸鉛)壓電材料制成，每組共有二片。6是按縱向振動(dòng)用交流電信號(hào)的導(dǎo)電片，7、8分別是接彎曲振動(dòng)用交流電信號(hào)的兩個(gè)接不同壓電片組的導(dǎo)電片，9是使各組壓電片兩側(cè)或界面處共電位的導(dǎo)電片。
在壓電片上加上交流電信號(hào)，通過壓電片的逆壓電效應(yīng)激起壓電器件的機(jī)械振動(dòng)?？v向振動(dòng)壓電片產(chǎn)生一階縱向振動(dòng)，彎曲振動(dòng)壓電片產(chǎn)生二階彎曲振動(dòng)，兩種振動(dòng)的耦合在馬達(dá)的末端產(chǎn)生出橢圓運(yùn)動(dòng)，見圖4c。馬達(dá)整體呈圓柱形，采用中空夾心式結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，兩端由兩個(gè)不銹鋼的圓柱形振動(dòng)體構(gòu)成(兩個(gè)圓柱形振動(dòng)體或鋁制，或銅制，或混合材料)，見圖2中的1和5。兩個(gè)振動(dòng)體夾著三組壓電片(圖3)，其中2和4是用于產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的，最中間的3(可2片或4片)用于產(chǎn)生縱向振動(dòng)。2和4壓電片組可以分別由4片到8片壓電片組成，每個(gè)壓電片的極化方向由直徑分成兩個(gè)不同的部分，每個(gè)部分沿厚度方向極化，兩部分極化方向相反，安裝時(shí)極性相同的部分對(duì)在一起。3壓電片組可以由2到4片壓電片組成，沿厚度方向極化。馬達(dá)的軸向中空部分由螺釘擰入，螺釘起著固定馬達(dá)的各個(gè)組成部分及提供預(yù)壓力的作用。
2和4壓電片組的振動(dòng)方向既可以相同，也可以互相垂直。當(dāng)2和4振動(dòng)方向相同時(shí)，對(duì)2，3，4分別通過連線7、6、8輸入信號(hào)，馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)一維的直線移動(dòng)，輸入信號(hào)相位反相時(shí)，馬達(dá)將進(jìn)行反向移動(dòng)；當(dāng)2和4振動(dòng)方向互相垂直時(shí)，2和3接入信號(hào)，可以在平臺(tái)上進(jìn)行X向的直線移動(dòng)，3和4接入信號(hào)時(shí)，則可以在平臺(tái)上進(jìn)行Y向的直線移動(dòng)，這兩個(gè)移動(dòng)方向結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的二維平面移動(dòng)。
本發(fā)明的圓柱振動(dòng)體端部，做成凸齒形，可以放大振動(dòng)振幅。凸齒是圓形，可適應(yīng)兩維運(yùn)動(dòng)；凸齒是矩形，更適宜一維運(yùn)動(dòng)。
參照前面的說明，我們制作了一些樣機(jī)。圖5為我們制作的第一臺(tái)樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的行進(jìn)示意圖。其直徑為11毫米，長度為40毫米。對(duì)2和3輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，馬達(dá)便開始沿著鋼板的上表面進(jìn)行直線移動(dòng)。對(duì)3和4輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，馬達(dá)同樣沿著上表面實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，但方向與圖中所示的相垂直。馬達(dá)在平臺(tái)上運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲。圖6為我們制作的另一種樣機(jī)，結(jié)構(gòu)與圖2大體相似，但略有差別。首先是中間采用了4片縱向振動(dòng)壓電片(圖6的零件3)，彎曲振動(dòng)壓電片一共使用了8片(圖6的零件2和4)。其次是中間加了一個(gè)接地薄圓盤(圖6的零件6)用于把馬達(dá)固定到其他物體上，并與其它接地電極片相連。8、9、10是三組接信號(hào)用的電極片。下振動(dòng)體(圖6的零件5)的下部增加了一個(gè)矩形凸齒(圖6的零件7)。整個(gè)馬達(dá)直徑為11毫米，長度為41毫米?？梢宰鲆痪S的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
在圖3～圖4中，圖3a展示的是上面一組產(chǎn)生彎曲振動(dòng)用的壓電片，上面是把上、下本來重疊的壓電片展開后的俯視圖，垂直方向的直徑把壓電片分成極化方向相反的兩個(gè)極化區(qū)，它們都是沿厚度方向極化的，把二個(gè)壓電片上、下重疊后，他們的極化方向如下部垂直方向的剖視圖所示。當(dāng)在二片壓電片的外側(cè)連在它們的交界處和外側(cè)之間加上交流激勵(lì)信號(hào)后，在交流信號(hào)正半周期間，二片壓電片在左側(cè)相斥，即伸長，在右側(cè)受壓，使得馬達(dá)沿圖4a的振動(dòng)方向沿X方向做彎曲振動(dòng)；而在正弦交流負(fù)半周則相反；圖3b展示的是中間產(chǎn)生縱向振動(dòng)的壓電片組，在正弦交流正半周期間，縱向伸長，反之則壓縮；圖3c展示的是下面產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的壓電片組，但彎曲振動(dòng)沿Y方向。若要是馬達(dá)沿X方向運(yùn)動(dòng)，則圖3a、圖3c中所使用的兩組壓電片組都應(yīng)該是使其彎曲振動(dòng)都是沿X方向的，而且加上在它們上的交流信號(hào)是相同相位的；若要使馬達(dá)沿X的反方向移動(dòng)，則必須同時(shí)使這兩組上的交流信號(hào)的相位反相。無論是使馬達(dá)沿著X方向或者反著X方向行進(jìn)，都必須同時(shí)在中間一組壓電片上加上同位相的交流信號(hào)。同理，若欲使馬達(dá)沿Y方向運(yùn)動(dòng)，則圖3a中的壓電片組必須用圖3c的壓電片組來代替。
若在圖3中的三組壓電片上加上同相位的交流信號(hào)，則馬達(dá)會(huì)在X-Y平面中移動(dòng)，其端部各點(diǎn)的軌跡在X-Z平面上的投影如圖4c所示，呈橢圓形。在圖5中，馬達(dá)為圖2的簡(jiǎn)圖。2、4分別是上、下兩個(gè)有相同的極化區(qū)域分布狀況和相同的極化方向的產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的壓電片，3是產(chǎn)生縱向振動(dòng)的一組壓電片，在上述三組壓電片2、3、4上加上相同相位的交流電信號(hào)，就可使馬達(dá)在鋼板10上沿水平方向右移。也可使2、4分別采用圖3a和圖3c的壓電片組，則當(dāng)在2和3兩組壓電片上加上相同的交流信號(hào)，使馬達(dá)在鋼板10上沿X方向移動(dòng)；在3和4兩組壓電片上加上相同的交流電信號(hào)便可使馬達(dá)在鋼板10上沿Y方向移動(dòng)；在2、3和4三組壓電片上加上相同的交流電信號(hào)，則馬達(dá)會(huì)在鋼板10上做X-Y的平面移動(dòng)，其末端各點(diǎn)軌跡在X-Z平面上橢圓形。在圖6中，所不同的是中間采用四片PZT-8縱向振動(dòng)壓電片，彎曲振動(dòng)壓電片上、下各用4片PZT-5的；中間加了一個(gè)接地薄圓盤11，它可把馬達(dá)固定在其他物體上，并與其他接地電極片9相連；在下振動(dòng)體1的下部增加了一個(gè)矩形凸齒，起放大振動(dòng)振幅的作用。凸齒12呈矩形，適合于做一維運(yùn)動(dòng)；呈圓形，則適于做二維運(yùn)動(dòng)。整個(gè)馬達(dá)直徑為11毫米，長度為41毫米，可作一維往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
由此可見，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還能做二維運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)，含有彈性振動(dòng)體和壓電片，其特征在于它含有兩個(gè)彈性振動(dòng)體，按順序夾在上述兩個(gè)彈性振動(dòng)體中間的產(chǎn)生彎曲振動(dòng)用的壓電片組，最中間的產(chǎn)生縱向振動(dòng)用的壓電片組和另一組產(chǎn)生彎曲振動(dòng)用的壓電片組；其中，產(chǎn)生彎曲振動(dòng)用的壓電片是沿直徑把壓電片分成極化方向相反的兩部分后再從厚度方向極化的，產(chǎn)生縱向振動(dòng)的壓電片是沿厚度方向極化的；每組壓電片組中各壓電片間的界面處是極性相同地層疊著并接交流電信號(hào)的，而各組壓電片的兩側(cè)是共電位的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)，其特征在于所述的兩組產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的壓電片都是由水平位置的直徑來分成極化方向相反的兩部分的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)，其特征在于所述的兩組產(chǎn)生彎曲振動(dòng)的壓電片它們用于劃分極化區(qū)域的直徑是相互垂直的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)，其特征在于所述的振動(dòng)體是呈圓柱狀的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)，其特征在于所述圓柱振動(dòng)體的端部有一個(gè)用以放大振動(dòng)振幅的凸齒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)，其特征在于所述馬達(dá)的軸向是設(shè)有一個(gè)用以擰入固定馬達(dá)各部分并提供預(yù)緊力的螺釘用的中心孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)，其特征在于所述產(chǎn)生縱向振動(dòng)的壓電片的中間固定著一個(gè)用以與外界部件連接的盤。
全文摘要
彎縱復(fù)合直線超聲馬達(dá)屬于直線超聲波馬達(dá)領(lǐng)域,其特征在于它含有;兩個(gè)彈性振動(dòng)體,按順序夾在上述彈性振動(dòng)體中間的彎曲運(yùn)動(dòng)用壓電片組,縱向運(yùn)動(dòng)用壓電片組和另一個(gè)彎曲運(yùn)動(dòng)用壓電片組,彎曲運(yùn)動(dòng)用壓電片是沿直徑把壓電片分成極化方向相反的兩部分再從厚度方向極化的;每組壓電片中各壓電片是極性相同地層疊著并接交流電信號(hào)的,而各組壓電片的兩側(cè)是共電位相連的。兩個(gè)彎曲振動(dòng)用壓電片組的振動(dòng)方向相同即極化區(qū)分布同相位便可在三組壓電片接上交流電信號(hào)后馬達(dá)做X向或Y向的一維運(yùn)動(dòng),方向依相位而定;若兩者的振動(dòng)方向相互垂直即極化區(qū)的相位相差90°,則當(dāng)三組壓電片接上交流電信號(hào)后馬達(dá)在X－Y平面內(nèi)做二維運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02N2/02GK1359188SQ0210361
公開日2002年7月17日 申請(qǐng)日期2002年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月29日
發(fā)明者姜開利, 方春江, 周鐵英 申請(qǐng)人:清華大學(xué)