專利名稱：棱柱型縱彎復(fù)合振子直線超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲電機技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種直線型超聲電機。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的直線電磁電機廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但它存在以下問題氣隙較大，有邊緣效應(yīng)，傳動剛度小，不適于大的沖擊或動負荷的場合，使用稀土永磁體成本較高；電機本身在停止狀態(tài)時沒有保持位置的功能；體積大，不適于小型化；產(chǎn)生磁場，對周圍環(huán)境不電磁干擾，且有電磁噪聲等。
在機器人及自動化工藝裝備中，傳統(tǒng)電磁電機的缺點尤為突出，如功率/重量比小，傳動精度不高，響應(yīng)慢等。迫切需要一個反應(yīng)快速靈敏、大推力、高精度，能夠避免上述缺點的新型直線電機。超聲電機由于具有功率密度大、無電磁干擾、低速大扭矩、運行無噪聲、無輸入自鎖等卓越特性，在非連續(xù)運動、機床進給運動、伺服驅(qū)動控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在或者更小的尺寸范圍內(nèi)將有可能替代傳統(tǒng)的電磁電機。
超聲電機是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)使彈性體(定子)在超聲頻段產(chǎn)生微觀機械振動(振動頻率在20KHz以上)，通過定子和轉(zhuǎn)子(或動子)之間的摩擦作用，將定子的微觀振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(或動子)的宏觀的單方向轉(zhuǎn)動(或直線運動)運動的一種新型電機。它與傳統(tǒng)的電磁電機相比有著完全不同的原理和結(jié)構(gòu)，具有電磁電機所沒有的優(yōu)點，因此，已引起人們的廣泛關(guān)注。雖然有些直線型超聲電機得到了應(yīng)用，如X-Y記錄儀、卡片驅(qū)動裝置、半導(dǎo)體加工，但總的看，直線型超聲電機目前仍處在研究階段。國外已開發(fā)出多種直線超聲電機的原理樣機，而國內(nèi)則側(cè)重于高分辨率微作動器的研究，對大推力大行程直線超聲電機的研究甚少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種大推力、結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計的棱柱型縱彎復(fù)合振子直線超聲電機。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下棱柱型縱彎復(fù)合振子直線超聲電機，包括有驅(qū)動振子、動子、機架，以及用于緊固驅(qū)動振子、動子、機架的鎖定機構(gòu)，所述驅(qū)動振子包括壓電元件和金屬彈性體，所述壓電元件包括可產(chǎn)生彎曲振動的彎振壓電陶瓷片和可產(chǎn)生直線振動的縱振壓電陶瓷片，所述金屬彈性體設(shè)置有至少一個與動子接觸的凸齒，所述動子為側(cè)面設(shè)置有導(dǎo)向凸起的滑塊，其導(dǎo)向凸起與機架所設(shè)置的直線導(dǎo)向槽相對應(yīng)。
本發(fā)明通過彎振壓電陶瓷片和縱振壓電陶瓷片所產(chǎn)生的彎曲震動和縱向震動相復(fù)合，驅(qū)動金屬彈性體的凸齒周期性地帶動動子的運動，由于動子與機架通過凸起和直線導(dǎo)向操配合，所以，動子的運動為直線運動，使得本發(fā)明為直線超聲電機。
本發(fā)明所述彎振壓電陶瓷片為長方形薄片結(jié)構(gòu)，并沿厚度方向極化，且按長方形的長度方向分為對稱的兩個區(qū)域，兩個區(qū)域的極化方向相反，所以接上輸入信號后，長方形薄片的兩個區(qū)域振動變形方向剛好相反，實現(xiàn)了彎曲震動；所述縱振壓電陶瓷片也為長方形薄片結(jié)構(gòu)，且不分區(qū)沿厚度方向極化，接上輸入信號好，整個長方形薄片做縱向振動。
為了使得本發(fā)明的壓電元件振動效果更加明顯，本發(fā)明的壓電陶瓷片可以采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述兩個長方形彎振壓電陶瓷片按照極化方向相反相互貼合，成雙層彎振壓電陶瓷片；所述兩個長方形縱振壓電陶瓷片也按照極化方向相反相互貼合，成雙層縱振壓電陶瓷片。
為了與壓電陶瓷片更好的配合，使得壓電陶瓷片由于逆壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的振動變形能更好的帶動金屬彈性體的變形，所述金屬彈性體也采用長方形結(jié)構(gòu)，其末端中間部分設(shè)置有凸齒，凸齒可在變形過程驅(qū)動動子。
本發(fā)明的驅(qū)動振子還包括接線端子、中間隔墊、預(yù)緊螺栓，所述預(yù)緊螺栓為中間帶軸肩的雙頭螺栓，所述彎振壓電陶瓷片、縱振壓電陶瓷片、金屬彈性體的長方形中心均設(shè)置有通孔，預(yù)緊螺栓兩端往軸肩方向分別依次套入雙層縱振壓電陶瓷片、中間隔墊、雙層彎振壓電陶瓷片及金屬彈性體，所述接線端子采用中間帶有通孔的金屬薄片，作為壓電元件的接線端，其分別夾于雙層彎振壓電陶瓷片和雙層縱振壓電陶瓷片的每個陶瓷片兩側(cè)。
所述機架的內(nèi)側(cè)面設(shè)有可安放預(yù)緊螺栓的軸肩的垂直導(dǎo)向槽，所述垂直導(dǎo)向槽垂直于其底部所設(shè)置的直線導(dǎo)線槽。
本發(fā)明所述鎖定機構(gòu)包括預(yù)緊螺釘、機架上蓋板、預(yù)緊彈簧，所述預(yù)緊彈簧設(shè)置于驅(qū)動振子的上端，所述預(yù)緊螺釘穿過機架上蓋板與預(yù)緊彈簧連接。通過改變預(yù)緊螺釘?shù)倪M給深度及預(yù)緊彈簧的彈性變形，從而可調(diào)節(jié)的給驅(qū)動振子施加一定的預(yù)緊力。
為了使得鎖定機構(gòu)更方便鎖緊及調(diào)節(jié)預(yù)緊力，所述預(yù)緊彈簧和驅(qū)動振子之間還設(shè)置有一定重量的質(zhì)量塊。
本發(fā)明的直線超聲電機為縱、彎復(fù)合驅(qū)動振子型直線超聲電機，通過螺栓緊固的驅(qū)動振子作為電機的定子，構(gòu)成縱、彎復(fù)合型驅(qū)動振子，分別產(chǎn)生縱向和彎曲振動。經(jīng)過對定子的各個部分尺寸有限元仿真計算與設(shè)計，使得縱、彎兩種模態(tài)的共振頻率趨近一致，以便能使用同一頻率激出這兩種模態(tài)。與已有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明的棱柱型縱彎復(fù)合振子直線超聲電機，采用縱、彎復(fù)合振動模態(tài)，可以有效地增大推力，提高效率；通過棱柱體截面長寬比的設(shè)計，可以避開兩個彎彎諧振頻率的耦合，減少能量損耗，提高電機效率；2、作為電機定子的驅(qū)動振子結(jié)構(gòu)簡單緊湊，壓電陶瓷通過螺栓和緊定螺母緊固，取得一定的預(yù)緊壓力，這樣能夠承受更高的激勵電壓，同時，定子兩端設(shè)有撥齒，這樣相對于以往單足型驅(qū)動振子型直線超聲電機，穩(wěn)定性提高了，變形量加大了，移動速度也提高了；3、壓電陶瓷片與金屬彈性體不需粘接，只用螺栓把壓電陶瓷片與金屬彈性體緊固即可，加工簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，成本低；4、縱、彎兩種模態(tài)共振頻率調(diào)諧可以通過改變螺栓軸長度來調(diào)節(jié)，為該型電機的設(shè)計和調(diào)試帶來了很大的方便。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1(b)為圖1(a)的A-A剖視圖；圖2為本發(fā)明的驅(qū)動振子結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的雙頭螺栓結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的金屬彈性體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的工作原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示，主要由預(yù)緊螺釘1、機架上蓋板2、預(yù)緊彈簧3、質(zhì)量塊4、定子5(即驅(qū)動振子)、動子6、機架7七大部件組成。預(yù)緊螺釘1、機架上蓋板2、預(yù)緊彈簧3以及機架7構(gòu)成了電機的預(yù)緊力施加機構(gòu)，通過改變預(yù)緊螺釘1的進給深度及預(yù)緊彈簧3的彈性變形，從而給以定子5一定預(yù)緊力。動子6為一條單面開有導(dǎo)向槽的直線滑塊，其滑塊固定于機架7底部。機架7的兩側(cè)板設(shè)有導(dǎo)向槽，定子5的軸肩可沿導(dǎo)向槽安放于機架7中，從而固定定子沿滑軌方向的運動。動子6上端面與定子5末端凸齒，通過預(yù)緊彈簧3和預(yù)緊螺釘1給以一定預(yù)緊力壓緊接觸。
定子5，作為本發(fā)明的主要和關(guān)鍵部件，是由壓電陶瓷片和超聲激勵信號紫銅薄片接線端子通過螺栓聯(lián)接緊固形成的驅(qū)動振子，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由接線端子51、中間隔墊52、彎振壓電陶瓷片53、縱振壓電陶瓷片54、前蓋板55、預(yù)緊螺栓軸56、緊定螺母57七個零件組成。
其中壓電陶瓷片①②③④⑤⑥⑦⑧共8片，均為長方形中心帶通孔，晶片極化方式均為沿厚度方向極化，其中，彎振壓電陶瓷片53由①②⑦⑧四片組成，且每片的面內(nèi)分割成兩個區(qū)，反向極化；縱振壓電陶瓷片4由③④⑤⑥四片組成，且每片面內(nèi)不分區(qū)，同向極化；壓電陶瓷片之間，即①和②、③和④、⑤和⑥、⑦和⑧之間，以及彎振壓電陶瓷片53、縱振壓電陶瓷片54與中間隔墊52、前蓋板55之間夾入紫銅薄片作為超聲激勵信號接線端子51，其中處于彎振壓電陶瓷片53(①和②、⑦和⑧)之間的紫銅薄片為接Vsinωt激勵信號端子，處于縱振壓電陶瓷片54(③和④、⑤和⑥)之間的紫銅薄片為接Vcosωt激勵信號端子，其余為接地端子。
預(yù)緊螺栓軸56為中間帶軸肩561的雙頭螺栓，用于連接各部分零件，其結(jié)構(gòu)如附圖3所示。
前蓋板55中間設(shè)通孔，端部設(shè)有凸齒551，以增大振幅，其結(jié)構(gòu)如附圖4所示。
定子5安裝時，先從預(yù)緊螺栓軸56的兩端分別套入接線端子51、縱振壓電陶瓷片54、中間隔墊52、彎振壓電陶瓷片53及前蓋板55，并用緊定螺母57旋緊。整機安裝時，先將動子6安裝固定于機架7底座上，再將按上述步驟裝配好定子5后，將定子5的軸肩561對準機架7側(cè)板上的導(dǎo)向槽，前蓋板55的凸齒551朝向動子6，沿導(dǎo)向槽方向裝入，再依次裝入質(zhì)量塊4和預(yù)緊彈簧3，蓋上機架上蓋板2，加一定預(yù)緊力擰上預(yù)緊螺栓1，當接線端子51接入適當?shù)耐饧钚盘栐?，即可使?qū)動正常工作。
本發(fā)明的工作原理圖如附圖5所示，工作過程如下在兩相相位差為90°的高頻(大于20K的共振頻率)正弦電壓輸入信號作用下，激振定子5產(chǎn)生縱向、彎曲兩復(fù)合的振動，一個周期的振動過程為(1)→(2)→(3)→(4)→(1)(或(1)→(4)→(3)→(2)→(1))，其中(1)、振子縱向振動達到振幅位置，彎曲振動恢復(fù)到平衡位置，此時，振子兩端凸齒表面質(zhì)點脫離滑軌，彎曲振速達到最大，縱向振速為零；(2)、振子彎曲振動達到振幅位置，縱向振動恢復(fù)到平衡位置，此時，振子右端凸齒表面與滑軌接觸，彎曲振速為零，縱向振速達到最大，指向壓縮方向，帶動滑軌向左運動；(3)、振子縱向振動達到振幅位置，彎曲振動恢復(fù)到平衡位置，此時，振子兩端凸齒表面質(zhì)點脫離滑軌，彎曲振速達到最大，縱向振速為零，滑軌在自身慣性作用下，繼續(xù)向左運動；(4)、振子彎曲振動達到振幅位置，縱向振動恢復(fù)到平衡位置，此時，振子左端凸齒表面與滑軌接觸，彎曲振速為零，縱向振速達到最大，指向拉伸方向，帶動滑軌向左運動。
如此周而復(fù)始，定子5從狀態(tài)(4)又回到狀態(tài)(1)，進入下一個周期的運動。由于電機工作在超聲頻率，驅(qū)動周期極短，因此，動子6的運動可以認為連續(xù)運動。
如果改變兩相激勵電壓的相位差，使相位差由原來的π/2改為-π/2，時間歷程則為(1)→(4)→(3)→(2)→(1)，則運動反向，定子5帶動動子6向右作直線運動。由于驅(qū)動是通過接觸界面的摩擦實現(xiàn)的，因此，該電機具有很好的斷電自鎖能力。
本發(fā)明的直線超聲電機使用和維護均十分方便，電機安裝調(diào)試好之后，通過接線端子連接超聲信號激勵電源，該電源采用PWM驅(qū)動技術(shù)及驅(qū)動功率MOSFET的集成電路，電壓相位差、幅值、頻率可同時調(diào)節(jié)，從而十分方便的實現(xiàn)和滿足了電機高精度定位要求。
權(quán)利要求
1.一種棱柱型縱彎復(fù)合振子直線超聲電機，包括有驅(qū)動振子、動子、機架，以及用于緊固驅(qū)動振子、動子、機架的鎖定機構(gòu)，所述驅(qū)動振子包括壓電元件和金屬彈性體，其特征在于所述壓電元件包括可產(chǎn)生彎曲振動的彎振壓電陶瓷片和可產(chǎn)生直線振動的縱振壓電陶瓷片，所述金屬彈性體設(shè)置有至少一個與動子接觸的凸齒，所述動子為側(cè)面設(shè)置有導(dǎo)向凸起的滑塊，其導(dǎo)向凸起與機架所設(shè)置的直線導(dǎo)向槽相對應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線超聲電機，其特征在于所述彎振壓電陶瓷片為長方形薄片結(jié)構(gòu)，并沿厚度方向極化，且按長方形的長度方向分為對稱的兩個區(qū)域，兩個區(qū)域的極化方向相反；所述縱振壓電陶瓷片也為長方形薄片結(jié)構(gòu)，且不分區(qū)沿厚度方向極化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直線超聲電機，其特征在于所述兩個長方形彎振壓電陶瓷片按照極化方向相反相互貼合，成雙層彎振壓電陶瓷片；所述兩個長方形縱振壓電陶瓷片也按照極化方向相反相互貼合，成雙層縱振壓電陶瓷片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直線超聲電機，其特征在于所述金屬彈性體也采用長方形結(jié)構(gòu)，其末端中間部分設(shè)置有凸齒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直線超聲電機，其特征在于所述驅(qū)動振子還包括接線端子、中間隔墊、預(yù)緊螺栓，所述預(yù)緊螺栓為中間帶軸肩的雙頭螺栓，所述彎振壓電陶瓷片、縱振壓電陶瓷片、金屬彈性體的長方形中心均設(shè)置有通孔，預(yù)緊螺栓兩端往軸肩方向分別依次套入雙層縱振壓電陶瓷片、中間隔墊、雙層彎振壓電陶瓷片及金屬彈性體，所述接線端子采用中間帶有通孔的金屬薄片，作為壓電元件的接線端，其分別夾于雙層彎振壓電陶瓷片和雙層縱振壓電陶瓷片的每個陶瓷片兩側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直線超聲電機，其特征在于所述機架的內(nèi)側(cè)面設(shè)有可安放預(yù)緊螺栓的軸肩的垂直導(dǎo)向槽，所述垂直導(dǎo)向槽垂直于其底部所設(shè)置的直線導(dǎo)線槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的直線超聲電機，其特征在于所述鎖定機構(gòu)包括預(yù)緊螺釘、機架上蓋板、預(yù)緊彈簧，所述預(yù)緊彈簧設(shè)置于驅(qū)動振子的上端，所述預(yù)緊螺釘穿過機架上蓋板與預(yù)緊彈簧連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直線超聲電機，其特征在于所述預(yù)緊彈簧和驅(qū)動振子之間還設(shè)置有一質(zhì)量塊。
全文摘要
本發(fā)明提供一種棱柱型縱彎復(fù)合振子直線超聲電機，包括有驅(qū)動振子、動子、機架，以及用于緊固驅(qū)動振子、動子、機架的鎖定機構(gòu)，所述驅(qū)動振子包括壓電元件和金屬彈性體，所述壓電元件包括可產(chǎn)生彎曲振動的彎振壓電陶瓷片和可產(chǎn)生直線振動的縱振壓電陶瓷片，所述金屬彈性體設(shè)置有至少一個與動子接觸的凸齒，所述動子為側(cè)面設(shè)置有導(dǎo)向凸起的滑塊，其導(dǎo)向凸起與機架所設(shè)置的直線導(dǎo)向槽相對應(yīng)。本發(fā)明的直線超聲電機為縱、彎復(fù)合驅(qū)動棱柱型振子直線超聲電機，其驅(qū)動振子為接線端子、縱振矩形壓電陶瓷片、中間隔墊、彎振矩形壓電陶瓷片及前蓋板等通過雙頭螺栓和螺母緊固構(gòu)成棱柱型縱彎復(fù)合振子并以此做為該直線電機電機的定子，產(chǎn)生縱向和彎曲振動。
文檔編號H02N2/04GK101051798SQ20061013231
公開日2007年10月10日 申請日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月26日
發(fā)明者張鐵民, 梁麗英 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)