專利名稱：基于連續(xù)變幅桿原理的k形直線超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，屬超聲電機領(lǐng)域。
技術(shù)背景超聲電機是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和結(jié)構(gòu)超聲振動的新型動力輸出裝置。直線型超聲 電機屬于超聲電機的一個分類。按照直線型超聲電機定子的結(jié)構(gòu)是平板和桿(或桿的組合結(jié) 構(gòu))，將直線超聲電機劃分為板結(jié)構(gòu)和桿結(jié)構(gòu)。板結(jié)構(gòu)直線超聲電機雖然其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計靈 活，但其效率低，速度較小，輸出力也小。對于工業(yè)機器人、航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域需要具有 大輸出力、效率高的直線型超聲電機。專利號為200620126630. 4的中國實用新型專利公開了 一種K形(桿結(jié)構(gòu))直線超聲電機，具有輸出力、運行速度大等優(yōu)點。包括動子和定子，其 特征在于動子為一直線導(dǎo)軌，定子由兩個(桿結(jié)構(gòu)的)蘭杰文振子中心線互相垂直構(gòu)成， 直線導(dǎo)軌與兩個蘭杰文振子在一個平面內(nèi)布置成"K"字形結(jié)構(gòu)。所構(gòu)成蘭杰文振子的桿是由 兩個等截面的直桿組成，在這兩個直桿的交接處形成突變的橫截面。發(fā)明內(nèi)容-本發(fā)明的目的在于研制一種結(jié)構(gòu)簡單、輸出力大、運行速度快、輸出效率高的直線超聲 電機。一種基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，包括定子和動子，其中動子為一直線導(dǎo) 軌，定子由兩個蘭杰文振子中心線互相交叉構(gòu)成，每個蘭杰文振子由前端、后端、壓電陶瓷 片和對應(yīng)的電極片組成，兩個蘭杰文振子的頭部聯(lián)為一體，成為驅(qū)動足；直線導(dǎo)軌與兩個蘭 杰文振子在一個平面內(nèi)布置成"K"字形結(jié)構(gòu)；其特征在于:所述蘭杰文振子的為桿結(jié)構(gòu)，桿 的截面為由尾部向頭部漸縮的連續(xù)截面狀。連續(xù)變截面桿呈現(xiàn)由后向前漸縮狀態(tài)。上述結(jié)構(gòu)保證(1)直桿和連續(xù)變截面桿在交接面處不存在突變截面(兩側(cè)的力阻抗相同)，對平面聲波不會產(chǎn)生反射波；連續(xù)變截面桿采用由后向前漸縮設(shè)計，使得它在每個截面兩側(cè)具有相同的力阻抗；(3)連續(xù)變截面桿采用由后向前漸縮設(shè)計，也使得蘭杰文振子的頭部的振動被放大。力阻抗定義為截面上的總力與振動速度之比。上述基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，其特征在于所述驅(qū)動足與兩個蘭杰文 振子連接處截面積遠(yuǎn)小于其周圍桿的截面積，形成柔性鉸鏈。這樣可使得定子在驅(qū)動足處的 彎矩減小，從而確保定子結(jié)構(gòu)振動的對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)的頻率一致性。可通過在電機定 子靠近驅(qū)動足處加工關(guān)于兩個蘭杰文振子的對稱軸開3個對稱的圓孔來實現(xiàn)。因此，本發(fā)明的設(shè)計方案，有助于提高電機的速度、輸出力和運行效率。上述每個蘭杰文振子在前端和后端之間均有一夾持件，每個蘭杰文振子均包括2n片壓電 陶瓷片和n片電極片，分成n組，每兩片壓電陶瓷片和夾在其中的1片電極片構(gòu)成一組，它 們分別布置在上述夾持件的前后兩側(cè)。便于對壓電陶瓷片施加電場。該直線超聲電機結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、輸出力大、速度大、效率高。附圖i兌明

圖1是基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機定子工作模態(tài)示意圖。其中圖2(a)是定 子的反對稱振動模態(tài)(一)；圖2 (b)是定子的對稱振動模態(tài)(二)。圖2所示的兩個振動模 態(tài)中驅(qū)動足在空間相位上相差;r/2 。圖3是定子壓電陶瓷片極化以及信號加載示意圖。圖l中標(biāo)號名稱ll.后端；21.夾持件；31.壓電陶瓷片；41.前端；42.驅(qū)動足;51電極 片；61.螺栓；71.滑條。圖3中標(biāo)號名稱1、 2.外接激勵信號；3.極化方向。
具體實施例方式一種基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機如圖l所示。其特點是所述定子由兩個 蘭杰文振子中心線互相垂直構(gòu)成K字形，包括后端ll、前端41、夾持件21、壓電陶瓷片31、 電極片51、螺栓61。壓電陶瓷片共8片，分為四組，每兩片壓電陶瓷片構(gòu)成一組，每組兩片 壓電陶瓷片之間夾有電極片。每一組壓電陶瓷片分別布置在夾持件的兩側(cè)。前端蓋打有螺紋 孔，螺栓旋入螺紋孔，從而將定子各部件連為一體。其前端蓋其橫截面由后向前為漸縮狀態(tài)， 與構(gòu)成定子的其他部件一起構(gòu)成超聲變幅桿。前端蓋頭部打有三個曲面，用以放大電機定子 頭部的振幅。所述動子為滑條。其支撐件打有通孔，用以安裝定子以及預(yù)壓力裝置；將定子和動子連接成一整體構(gòu)成基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機。利用相位差 r/2的同頻 正弦信號同時激勵左右兩個壓電振子來分別激發(fā)定子的兩個振動模態(tài)，這兩個振動模態(tài)的疊 加使得驅(qū)動足端面上各質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動來推動動子連續(xù)直線運動，構(gòu)成直線型超聲電豐幾。 當(dāng)激勵信號相反時，即可實現(xiàn)動子的反方向直線運動。該電機定子由超聲變幅桿原理的蘭杰 文振子構(gòu)成，可以使驅(qū)動足獲得較大的位移，使電機實現(xiàn)輸出力大，運行速度高，輸出效率 高。一種基于連續(xù)變幅桿原理的K型直線超聲電機定子的兩個工作模態(tài)如圖2所示。圖2 (a) 的工作模態(tài)其特點定子的左右兩個壓電振子分別做互為反向的縱向伸縮振動1，其振動節(jié) 面位于夾持件處，在前端蓋的驅(qū)動足處合成為左右振動2。圖2 (b)的工作模態(tài)其特點是， 定子左右的壓電振子分別做同相的縱向伸縮運動(箭頭a)，其振動節(jié)面位于夾持件處并在前 端蓋的兩個驅(qū)動足合成為上下運動(箭頭b)。結(jié)構(gòu)設(shè)計原則1.由壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的兩個振動模態(tài)，調(diào)節(jié)彈性體 的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)使這兩個振動頻率一致，并且空間相位差;r/2。 2.以相位差為;r/2的兩個同頻 率正弦信號分別激勵左右兩個壓電振子，激發(fā)定子的兩個振動模態(tài)，在驅(qū)動足端面各點形成 橢圓詭計，驅(qū)動動子直線運動。下面是一個基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機的例子利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)d33激發(fā)出定子的兩個振動模態(tài)。圖l是該圖的結(jié)構(gòu)示意圖， 他主要由定子、動子組成。定子由兩個蘭杰文振子中心線互相垂直構(gòu)成K字形，包括后端蓋、 前端蓋、夾持件、壓電陶瓷片、電極片、螺栓。壓電陶瓷片共8片，分為四組，每兩片壓電 陶瓷片構(gòu)成一組，每組兩片壓電陶瓷片之間夾有電極片。每一組壓電陶瓷片分別布置在夾持 件的兩側(cè)。前端蓋打有螺紋孔，螺栓旋入螺紋孔，從而將定子各部件連為一體。其前端蓋其 橫截面由后向前為漸縮狀態(tài)，與構(gòu)成定子的其他部件一起構(gòu)成超聲變幅桿。前端蓋頭部打有 三個孔，用以放大電機定子頭部的振幅。整個電機定子質(zhì)量為87g.電機定子壓電陶瓷片安放見圖3。定子有8片壓電陶瓷片，共分為四組，分別位于夾持件的上下兩側(cè)，每組包含一對極化 方向相反的壓電陶瓷片。壓電陶瓷片的箭頭方向3表示極化方向。每組壓電陶瓷片的中間安 放電極片，用于外接激勵信號(1、 2)。提供正弦激勵信號￡ = (73化欣給左邊的兩組壓電陶 瓷片，同時提供余弦激勵信號5-t/cos(紐)給右邊的兩組壓電陶瓷片，同時激勵定子的兩個 同頻相位差;r/2的振動模態(tài)，這兩個模態(tài)合成定子前端蓋的驅(qū)動足端面質(zhì)點的橢圓運動。
權(quán)利要求
1、一種基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，包括定子和動子，其中動子為一直線導(dǎo)軌，定子由兩個蘭杰文振子中心線互相交叉構(gòu)成，每個蘭杰文振子由前端(41)、后端(61)、壓電陶瓷片(31)和對應(yīng)的電極片(51)組成，兩個蘭杰文振子的頭部聯(lián)為一體，成為驅(qū)動足(42)；直線導(dǎo)軌與兩個蘭杰文振子在一個平面內(nèi)布置成“K”字形結(jié)構(gòu)；其特征在于所述蘭杰文振子的為桿結(jié)構(gòu)，桿的截面為由后端(61)向前端(41)漸縮的連續(xù)截面狀。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，其特征在于^f述 蘭杰文振子(除壓電陶瓷片外)在其任意截面的兩側(cè)有相同力阻抗。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，其特征在于所述 驅(qū)動足與兩個蘭杰文振子連接處截面積遠(yuǎn)小于其周圍桿的截面積，形成柔性鉸鏈。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機柔性鉸鏈，其特征在 于所述驅(qū)動足與兩個蘭杰文振子連接處在外側(cè)和內(nèi)側(cè)均開有圓孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，其特征在于每個 蘭杰文振子在前端(41)和后端(61)之間均有一夾持件，每個蘭杰文振子均包括2n片壓電 陶瓷片和n片電極片，分成n組，每兩片壓電陶瓷片和夾在其中的1片電極片構(gòu)成一組，它 們分別布置在上述夾持件的前后兩側(cè)，其中n取正整數(shù)。
全文摘要
一種基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，屬超聲電機領(lǐng)域。它包括定子和動子，其中動子為一直線導(dǎo)軌，定子由兩個蘭杰文振子中心線互相交叉構(gòu)成，每個蘭杰文振子由前端(41)、后端(61)、壓電陶瓷片(31)和對應(yīng)的電極片(51)組成，兩個蘭杰文振子的頭部聯(lián)為一體，成為驅(qū)動足(42)；直線導(dǎo)軌與兩個蘭杰文振子在一個平面內(nèi)布置成“K”字形結(jié)構(gòu)；其特征在于所述蘭杰文振子的為桿結(jié)構(gòu)，桿的截面為由后端(61)向前端(41)漸縮的連續(xù)截面狀。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出力大、運行速度快、輸出效率高的直線超聲電機。
文檔編號H02N2/02GK101404467SQ20081012442
公開日2009年4月8日 申請日期2008年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月4日
發(fā)明者姚志遠(yuǎn), 東 楊 申請人:南京航空航天大學(xué)