專利名稱：換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)及其激勵(lì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波電機(jī)及其激勵(lì)方法。
背景技術(shù)：
超聲波電機(jī)是20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來的一種新型電機(jī)，其基本工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體作超聲頻域微振動(dòng)，并通過摩擦傳動(dòng)轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的宏觀轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。直線超聲波電機(jī)是一種正在發(fā)展中的新產(chǎn)品，目前，直線超聲波電機(jī)分為三種類型彎曲式直線超聲波電機(jī)、∏型直線超聲波電機(jī)和縱彎復(fù)合式直線超聲波電機(jī)，已有這三種形式的直線超聲波電機(jī)通常振幅較小，驅(qū)動(dòng)力不大，輸出功率小，并且激勵(lì)方法也較單一。特別是彎曲式直線超聲波電機(jī)不容易實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)，存在控制性能差等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)及其激勵(lì)方法，它可解決彎曲式直線超聲波電機(jī)、∏型直線超聲波電機(jī)和縱彎復(fù)合式直線超聲波電機(jī)存在振幅小、驅(qū)動(dòng)力不大，輸出功率小，激勵(lì)方法單一的問題及彎曲式直線超聲波電機(jī)存在不容易實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)，控制性能差的問題。
本發(fā)明由動(dòng)子、定子、直線軸承、支架、連接板、彈性加載裝置和連接螺栓組成；所述的定子由撥齒板和換能器振子組成，所述的撥齒板由基板、撥齒和摩擦層組成；所述的撥齒由從左至右依次固定在基板上的撥齒一、撥齒二、撥齒三和撥齒四組成；撥齒一設(shè)置在基板所形成駐波的第一個(gè)波長λ1的1/8λ1或3/8λ1處，撥齒二設(shè)置在基板所形成駐波的第一個(gè)波長λ1的5/8λ1或7/8λ1處；撥齒三設(shè)置在基板所形成駐波的第二個(gè)波長λ2的1/8λ2或3/8λ2處，撥齒四設(shè)置在基板所形成駐波的第二個(gè)波長λ2的5/8λ2或7/8λ2處，撥齒一、撥齒二、撥齒三和撥齒四的上端面分別粘貼有摩擦層，換能器振子的上端與裝在支架內(nèi)的基板相連接，動(dòng)子的下端面與摩擦層的上端面相接觸，動(dòng)子的上端面與直線軸承相接觸，直線軸承與支架內(nèi)的上端面相連接，換能器振子設(shè)置在支架的缺口內(nèi)，所述的換能器振子由換能器振子一和換能器振子二組成，換能器振子一設(shè)置在換能器振子二對基板施振形成駐波的節(jié)點(diǎn)處或換能器振子二設(shè)置在換能器振子一對基板施振形成駐波的節(jié)點(diǎn)處，換能器振子與支架通過連接螺栓相連接，換能器振子與支架之間的連接螺栓上裝有彈性加載裝置，換能器振子通過螺栓二與連接板相連接；本發(fā)明的激勵(lì)方法是這樣完成的采用單獨(dú)對換能器振子一通電的激振方式、采用單獨(dú)對換能器振子二通電的激振方式或采用對換能器振子一和換能器振子二同時(shí)通電的激振方式，此時(shí)換能器振子一和換能器振子二輸入信號的相位差為90°或270°。
本發(fā)明具有以下有益效果一、本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲波電機(jī)，通過激發(fā)換能器振子做縱向振動(dòng)，耦合出撥齒板的彎曲振動(dòng)形成駐波，通過設(shè)置撥齒的位置和換能器振子的位置實(shí)現(xiàn)了動(dòng)子的直線雙向運(yùn)動(dòng)。二、本發(fā)明通過連接板將換能器振子一和換能器振子二連接起來，再通過連接螺栓與支架連接在一起，利用換能器振子的縱向振動(dòng)對基板的激振點(diǎn)施振，實(shí)現(xiàn)了直線超聲波電機(jī)高速、大推力、大功率的輸出。三、本發(fā)明在換能器振子與支架之間設(shè)置彈性加載裝置，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊力，可保證摩擦層與動(dòng)子之間及動(dòng)子與直線軸承之間相接觸，保證了雙向直線超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可靠性。四、本發(fā)明可采用單獨(dú)對換能器振子一通電的激振方式，也可采用單獨(dú)對換能器振子二通電的激振方式，還可采用對換能器振子一和換能器振子二同時(shí)通電的激振方式，當(dāng)采用兩個(gè)換能器振子同時(shí)激振時(shí)，換能器振子一和換能器振子二輸入信號應(yīng)有一定的相位差，一般相位差為90°或270°。五、本發(fā)明的超聲波電機(jī)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、輸出力大、移動(dòng)速度快、功率高、能夠?qū)崿F(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)俯視圖，圖2是對基板11-1的激振點(diǎn)I向上施振時(shí)，撥齒一11-2-1和撥齒三11-2-3兩個(gè)撥齒產(chǎn)生向左驅(qū)動(dòng)作用的波形圖，圖3是對圖2中的激振點(diǎn)I向下施振時(shí)，撥齒二11-2-2和撥齒四11-2-4兩個(gè)撥齒產(chǎn)生向左驅(qū)動(dòng)作用的波形圖，圖4是將基板11-1在激振點(diǎn)I施振時(shí)所形成駐波節(jié)點(diǎn)作為激振點(diǎn)II，并對其向上施振時(shí)，撥齒二11-2-2和撥齒四11-2-4兩個(gè)撥齒產(chǎn)生向右驅(qū)動(dòng)作用的波形圖，圖5是對圖4中的激振點(diǎn)II向下施振時(shí)，撥齒一11-2-1和撥齒三11-2-3兩個(gè)撥齒產(chǎn)生向右驅(qū)動(dòng)作用的波形圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式由動(dòng)子1、定子101、直線軸承2、支架3、連接板4、彈性加載裝置5和連接螺栓6、螺釘一7、螺栓一8、螺栓二9組成；所述的定子101由撥齒板11和蘭文杰換能器振子12組成，所述的撥齒板11由基板11-1、撥齒11-2和摩擦層11-3組成；所述的撥齒11-2由從左至右依次固定在基板11-1上的撥齒一11-2-1、撥齒二11-2-2、撥齒三11-2-3和撥齒四11-2-4組成；撥齒一11-2-1設(shè)置在基板11-1所形成駐波的第一個(gè)波長λ1的1/8λ1或3/8λ1處，撥齒二11-2-2設(shè)置在基板11-1所形成駐波的第一個(gè)波長λ1的5/8λ1或7/8λ1處；撥齒三11-2-3設(shè)置在基板11-1所形成駐波的第二個(gè)波長λ2的1/8λ2或3/8λ2處，撥齒四11-2-4設(shè)置在基板11-1所形成駐波的第二個(gè)波長λ2的5/8λ2或7/8λ2處，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于精度所限，撥齒一11-2-1設(shè)置在第一個(gè)波長λ1的1/8λ1或3/8λ1附近、撥齒二11-2-2設(shè)置在第一個(gè)波長λ1的5/8λ1或7/8λ1附近、撥齒三11-2-3設(shè)置在第二個(gè)波長λ2的1/8λ2或3/8λ2附近及撥齒四11-2-4設(shè)置在第二個(gè)波長的λ2的5/8λ2或7/8λ2附近均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，撥齒一11-2-1、撥齒二11-2-2、撥齒三11-2-3和撥齒四11-2-4的上端面分別粘貼有摩擦層11-3，可增大摩擦力，提高電機(jī)的輸出效率，蘭文杰換能器振子12的上端與裝在支架3內(nèi)的基板11-1通過螺釘一7相連接，動(dòng)子1的下端面與摩擦層11-3的上端面相接觸，動(dòng)子1的上端面與直線軸承2相接觸，直線軸承2與支架3內(nèi)的上端面通過螺栓一8連接；換能器振子12設(shè)置在支架3的缺口3-1內(nèi)，所述的蘭文杰換能器振子12由換能器振子一12-1和換能器振子二12-2組成，換能器振子一12-1設(shè)置在換能器振子二12-2對基板11-1施振形成駐波的節(jié)點(diǎn)處或換能器振子二12-2設(shè)置在換能器振子一12-1對基板11-1施振形成駐波的節(jié)點(diǎn)處，蘭文杰換能器振子12與支架3通過連接螺栓6相連接，蘭文杰換能器振子12與支架3之間的連接螺栓6上裝有彈性加載裝置5，所述的彈性加載裝置5為圓柱螺旋彈簧或碟型彈簧，蘭文杰換能器振子12與連接板4通過螺栓二9連接，所述的摩擦層11-3由塑料基摩擦材料制成，所述的塑料基摩擦材料為改性聚四氟乙烯、改性酚醛樹脂、改性環(huán)氧樹脂或聚苯酯復(fù)合材料，采用上述材料可提高耐磨性能，所述的直線軸承2的型號為LM-60。
本實(shí)施方式中的蘭文杰換能器振子12可根據(jù)所需輸出功率、動(dòng)子行程等要求采用多個(gè)換能器振子和多個(gè)撥齒11-2。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的換能器振子一12-1和換能器振子二12-2分別由前匹配塊20、壓電陶瓷片一21、薄銅片22、壓電陶瓷片二23、法蘭24、后匹配塊25和螺釘26組成；前匹配塊20由鋁、鋼、銅或鈦合金制成，后匹配塊25由鋁、鈦合金、鋼或銅制成，所述的前匹配塊20由前至后依次由制成一體的小圓柱體20-1、曲面形過渡體20-2和大圓柱體20-3組成，如此設(shè)計(jì)，具有較好的聚能效果，驅(qū)動(dòng)效率高；換能器振子一12-1和換能器振子二12-2由前至后依次設(shè)置有前匹配塊20、壓電陶瓷片一21、薄銅片22、壓電陶瓷片二23、法蘭24和后匹配塊25，法蘭24設(shè)置在換能器振子12的節(jié)面位置處，節(jié)面是指換能器振子12振動(dòng)位移為零的面，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于精度所限，法蘭24設(shè)置在節(jié)面位置附近也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，前匹配塊20、壓電陶瓷片一21、薄銅片22、壓電陶瓷片二23、法蘭24和后匹配塊25通過螺釘26連接固定，法蘭24與支架3通過所述的連接螺栓6連接固定，法蘭24與連接板4之間通過所述的螺栓二9連接，前匹配塊20與基板11-1之間通過螺釘一7連接。本實(shí)施方式中的壓電陶瓷片采用兩個(gè)，即壓電陶瓷片一21和壓電陶瓷片二23，為了提高能量，壓電陶瓷片還可采用四片、六片或更多片。使用時(shí)，將薄銅片22的一端通過導(dǎo)線與電源相連接，將法蘭24或支架3的另一端接地。本實(shí)施方式中，所采用的壓電陶瓷片一21和壓電陶瓷片二23的型號可為PZT-4或PZT-8。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)的激勵(lì)方法是這樣完成的采用單獨(dú)對換能器振子一12-1通電的激振方式，通過施加與換能器振子一12-1相吻合的高頻交流電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)子1向左運(yùn)動(dòng)；本實(shí)施方式中還可采用單獨(dú)對換能器振子二12-2通電的激振方式，通過施加與換能器振子二12-2相吻合的高頻交流電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)子1向右運(yùn)動(dòng)；本實(shí)施方式中還可采用對換能器振子一12-1和換能器振子二12-2同時(shí)通電的激振方式，此時(shí)換能器振子一12-1和換能器振子二12-2輸入信號的相位差一般為90°或270°。采用上述激勵(lì)方式可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向直線運(yùn)動(dòng)。
工作原理是本發(fā)明利用蘭文杰換能器振子12的縱向振動(dòng)模式，通過螺釘一7連接耦合出撥齒板11的彎曲振動(dòng)，使撥齒11-2產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)雙向直線超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)。
其具體運(yùn)動(dòng)方式是當(dāng)對基板11-1的激振點(diǎn)I向上施振時(shí)，撥齒一11-2-1、撥齒三11-2-3上起振并產(chǎn)生向左位移分量和向左的驅(qū)動(dòng)力，通過與動(dòng)子1接觸摩擦而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子1向左運(yùn)動(dòng)(參見附圖2)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)向左運(yùn)動(dòng)；當(dāng)對基板11-1的激振點(diǎn)I向下施振時(shí)，撥齒二11-2-2、撥齒四11-2-4上起振并產(chǎn)生向左位移分量和向左的驅(qū)動(dòng)力，通過與動(dòng)子1接觸摩擦而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子1向左運(yùn)動(dòng)(參見附圖3)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)向左運(yùn)動(dòng)；當(dāng)對基板11-1在激振點(diǎn)I施振時(shí)所形成駐波節(jié)點(diǎn)處的激振點(diǎn)II向上施振時(shí)，撥齒二11-2-2、撥齒四11-2-4上起振并產(chǎn)生向右位移分量和向右的驅(qū)動(dòng)力，通過與動(dòng)子1接觸摩擦而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子1向右運(yùn)動(dòng)(參見附圖4)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)向右運(yùn)動(dòng)；當(dāng)對基板11-1在激振點(diǎn)I施振時(shí)所形成駐波節(jié)點(diǎn)處的激振點(diǎn)II向下施振時(shí)，撥齒一11-2-1、撥齒三11-2-3上起振并產(chǎn)生向右位移分量和向右的驅(qū)動(dòng)力，通過與動(dòng)子1接觸摩擦而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子1向右運(yùn)動(dòng)(參見附圖5)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)向右運(yùn)動(dòng)。
綜合以上分析可知，兩個(gè)激振點(diǎn)間隔施振或以一定組合方式同時(shí)施振，撥齒11-2可以產(chǎn)生左右兩個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向直線運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)，它由動(dòng)子(1)、定子(101)、直線軸承(2)、支架(3)、連接板(4)、彈性加載裝置(5)和連接螺栓(6)組成；其特征在于所述的定子(101)由撥齒板(11)和換能器振子(12)組成，所述的撥齒板(11)由基板(11-1)、撥齒(11-2)和摩擦層(11-3)組成；所述的撥齒(11-2)由從左至右依次固定在基板(11-1)上的撥齒一(11-2-1)、撥齒二(11-2-2)、撥齒三(11-2-3)和撥齒四(11-2-4)組成；撥齒一(11-2-1)設(shè)置在基板(11-1)所形成駐波的第一個(gè)波長λ1的1/8λ1或3/8λ1處，撥齒二(11-2-2)設(shè)置在基板(11-1)所形成駐波的第一個(gè)波長λ1的5/8λ1或7/8λ1處；撥齒三(11-2-3)設(shè)置在基板(11-1)所形成駐波的第二個(gè)波長λ2的1/8λ2或3/8λ2處，撥齒四(11-2-4)設(shè)置在基板(11-1)所形成駐波的第二個(gè)波長λ2的5/8λ2或7/8λ2處，撥齒一(11-2-1)、撥齒二(11-2-2)、撥齒三(11-2-3)和撥齒四(11-2-4)的上端面分別粘貼有摩擦層(11-3)，換能器振子(12)的上端與裝在支架(3)內(nèi)的基板(11-1)相連接，動(dòng)子(1)的下端面與摩擦層(11-3)的上端面相接觸，動(dòng)子(1)的上端面與直線軸承(2)相接觸，直線軸承(2)與支架(3)內(nèi)的上端面相連接；換能器振子(12)設(shè)置在支架(3)的缺口(3-1)內(nèi)，所述的換能器振子(12)由換能器振子一(12-1)和換能器振子二(12-2)組成，換能器振子一(12-1)設(shè)置在換能器振子二(12-2)對基板(11-1)施振形成駐波的節(jié)點(diǎn)處或換能器振子二(12-2)設(shè)置在換能器振子一(12-1)對基板(11-1)施振形成駐波的節(jié)點(diǎn)處，換能器振子(12)與支架(3)通過連接螺栓(6)相連接，換能器振子(12)與支架(3)之間的連接螺栓(6)上裝有彈性加載裝置(5)，換能器振子(12)與連接板(4)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)，其特征在于所述的換能器振子一(12-1)和換能器振子二(12-2)分別由前匹配塊(20)、壓電陶瓷片一(21)、薄銅片(22)、壓電陶瓷片二(23)、法蘭(24)、后匹配塊(25)和螺釘(26)組成；換能器振子一(12-1)和換能器振子二(12-2)由前至后依次設(shè)置有前匹配塊(20)、壓電陶瓷片一(21)、薄銅片(22)、壓電陶瓷片二(23)、法蘭(24)和后匹配塊(25)，法蘭(24)設(shè)置在換能器振子(12)的節(jié)面位置處，前匹配塊(20)、壓電陶瓷片一(21)、薄銅片(22)、壓電陶瓷片二(23)、法蘭(24)和后匹配塊(25)通過螺釘(26)連接固定，法蘭(24)與支架(3)通過所述的連接螺栓(6)連接固定，法蘭(24)與連接板(4)相連接，前匹配塊(20)與基板(11-1)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)，其特征在于所述的前匹配塊(20)由鋁、鋼、銅或鈦合金制成，所述的后匹配塊(25)由鋁、鈦合金、鋼或銅制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)，其特征在于所述的前匹配塊(20)由前至后依次由制成一體的小圓柱體(20-1)、曲面形過渡體(20-2)和大圓柱體(20-3)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)，其特征在于所述的彈性加載裝置(5)為圓柱螺旋彈簧或碟型彈簧。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)，其特征在于所述的摩擦層(11-3)由塑料基摩擦材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)，其特征在于所述的塑料基摩擦材料為改性聚四氟乙烯、改性酚醛樹脂、改性環(huán)氧樹脂或聚苯酯復(fù)合材料。
8.一種如權(quán)利要求1所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)的激勵(lì)方法，其特征在于所述的激勵(lì)方法是這樣完成的采用單獨(dú)對換能器振子一(12-1)通電的激振方式。
9.一種如權(quán)利要求1所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)的激勵(lì)方法，其特征在于所述的激勵(lì)方法是這樣完成的采用單獨(dú)對換能器振子二(12-2)通電的激振方式。
10.一種如權(quán)利要求1所述的換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)的激勵(lì)方法，其特征在于所述的激勵(lì)方法是這樣完成的采用對換能器振子一(12-1)和換能器振子二(12-2)同時(shí)通電的激振方式，此時(shí)換能器振子一(12-1)和換能器振子二(12-2)輸入信號的相位差為90°或270°。
全文摘要
換能器耦合雙向直線超聲波電機(jī)及其激勵(lì)方法，它涉及一種超聲波電機(jī)及其激勵(lì)方法。針對彎曲式、∏型和縱彎復(fù)合式直線超聲波電機(jī)存在振幅小、驅(qū)動(dòng)力小，輸出功率小，激勵(lì)方法單一的問題。本發(fā)明的撥齒(11－2)有四個(gè)并分別固定在基板(11－1)上，撥齒(11－2)的上端面粘貼有摩擦層(11－3)，換能器振子(12)的上端與基板(11－1)相連接，動(dòng)子(1)的下端面與摩擦層(11－3)的上端面相接觸，動(dòng)子(1)的上端面與直線軸承(2)相接觸，換能器振子(12)與支架(3)之間裝有彈性加載裝置(5)。本發(fā)明利用兩個(gè)或多個(gè)換能器振子的縱向振動(dòng)模式，通過螺釘與基板連接，使撥齒板耦合出彎曲振動(dòng)，使撥齒產(chǎn)生不同方向的偏轉(zhuǎn)，通過確定撥齒的位置和換能器振子的位置，采用相應(yīng)的激勵(lì)方式實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的雙向直線運(yùn)動(dòng)。
文檔編號H02N2/02GK1913322SQ200610010448
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月28日
發(fā)明者曲建俊, 程廷海, 周寧寧 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)