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，將彈性材料的微 觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成動子的宏觀直線運(yùn)動的一種新型電機(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)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)即可直接輸出直線運(yùn)動等一系列優(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 模態(tài)，為使振子表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動軌跡，振子縱向和彎曲振動頻率必須趨 于一致，但由于圓柱體復(fù)合振子圓截面的對稱性，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，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，在裝配過程中難于保證激勵(lì)振 子彎曲振動的壓電陶瓷片對正。因此也使直線超聲電機(jī)的效率、驅(qū)動力、驅(qū)動 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子接觸的驅(qū)動頭，壓電陶瓷片分兩組，分別用以 激勵(lì)驅(qū)動頭的彎曲振動模態(tài)和縱向振動模態(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，每兩個(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度方向分成兩個(gè)對稱的極化區(qū)，并沿厚度方反向極化， 為彎振壓電陶瓷片，每兩個(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)動頭的中孔內(nèi)，將 蓋板、兩組壓電陶瓷片及驅(qū)動頭串接一起。
所述動子包括線性滑軌及設(shè)于線性滑軌底部的滾珠。
所述驅(qū)動頭采用變截面超聲變幅桿。
線性滑軌上或者驅(qū)動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)動頭均為金屬彈性體。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢
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 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，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， 在裝配過程中易于保證激勵(lì)振子彎曲振動的壓電陶瓷片對正。因此可使直線超 聲電機(jī)的效率、驅(qū)動力、驅(qū)動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 連接且與動子接觸的驅(qū)動頭5，壓電陶瓷片分兩組，分別用以激勵(lì)驅(qū)動頭的彎曲 振動模態(tài)和縱向振動模態(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，每兩個(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度方向分成兩個(gè)對稱的極化區(qū)， 并沿厚度方反向極化，為彎振壓電陶瓷片3，每兩個(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)動頭5的中孔內(nèi)，將蓋板2、兩組壓電陶瓷片3、 4及驅(qū)動頭5串接 一起。
所述動子包括線性滑軌8及設(shè)于線性滑軌8底部的滾珠7;所述驅(qū)動頭5采 用變截面超聲變幅桿;線性滑軌8上或者驅(qū)動頭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)動頭5均為金屬彈性體。
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)動電源將一定相位差超 聲頻率的交流激勵(lì)信號施加給該復(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，且使這兩振動模態(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)動振子的對稱振動和 反對稱振動模態(tài)耦合的復(fù)合振動。
復(fù)合振子作一階縱振時(shí)驅(qū)動頭上的質(zhì)點(diǎn)作縱向運(yùn)動，復(fù)合振子在一階彎曲 振動時(shí)驅(qū)動足上的質(zhì)點(diǎn)作橫向運(yùn)動，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)動頭上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為橢圓。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)動頭和直線滑軌之間的摩擦力就 能帶動直線滑軌做直線運(yùn)動。改變兩激勵(lì)信號的相位差為-n/2，直線導(dǎo)軌便作 反向運(yùn)動。
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子接觸的驅(qū)動頭，壓電陶瓷片分兩組，分別用以激勵(lì)驅(qū)動頭的彎曲振動模態(tài)和縱向振動模態(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，每兩個(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 長度方向分成兩個(gè)對稱的極化區(qū)，并沿厚度方反向極化，為彎振壓電陶瓷片， 每兩個(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)動頭的中孔內(nèi)，將蓋板、兩組壓電陶瓷片及 驅(qū)動頭串接一起。
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)動頭 均為金屬彈性體。
全文摘要
本發(fā)明公開一種縱彎復(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模態(tài)和一階彎曲振動模態(tài)，解決目前直線超聲電機(jī)功率較低、驅(qū)動力普遍較小的問題；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子接觸的驅(qū)動頭，壓電陶瓷片分兩組，分別用以激勵(lì)驅(qū)動頭的彎曲振動模態(tài)和縱向振動模態(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H02N2/02GK101656490SQ20091019215
公開日2010年2月24日 申請日期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 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)