專利名稱：雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直線超聲電機(jī)，屬于壓電超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是一種利用超聲振動能量，并通過摩擦作用來產(chǎn)生驅(qū)動力的電機(jī)。它具有低速大轉(zhuǎn)矩(推力)、無需變速機(jī)構(gòu)、無電磁干擾、響應(yīng)速度快和斷電自鎖等優(yōu)點，作為一種壓電驅(qū)動器有著十分廣泛的應(yīng)用。2001年日本“應(yīng)用物理”雜志(Jpn.J.Appl.Phys)第40期p3773～3776頁、名稱為“A High Power Ultrasonic Motor Using a Longitudinal and BendingHybrid Bolt-Clamped Langevin Type Transducer”(一種使用螺栓緊固夾心式縱彎復(fù)合換能器的大功率超聲電機(jī))提出一種直線超聲電機(jī)，由于兩組彎振陶瓷片位于二階彎振的兩個波腹處，因此在該波腹處無法安裝驅(qū)動足，只能將驅(qū)動足安裝在遠(yuǎn)離波腹的端蓋端部，這樣將造成兩驅(qū)動足的彎振位移分量與平臺面的夾角為互補(bǔ)的兩個傾角，使兩個驅(qū)動足一個產(chǎn)生驅(qū)動力，一個產(chǎn)生制動力，從而導(dǎo)致直線超聲電機(jī)效率低下(最高效率為22％)、噪聲大、磨損嚴(yán)重；其次，簡并縱彎諧振頻率只能通過調(diào)整換能器的截面半徑尺寸來實現(xiàn)，因此該類型直線超聲電機(jī)只能在特定半徑的換能器中實現(xiàn)，不能形成產(chǎn)品系列化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，它可解決現(xiàn)有的夾心式縱彎復(fù)合直線超聲電機(jī)存在電機(jī)效率低下、噪聲大、磨損嚴(yán)重、不能形成產(chǎn)品系列化的問題。
本發(fā)明包括夾心換能器和驅(qū)動足；所述夾心換能器由調(diào)頻變幅桿、端蓋、螺柱、法蘭、壓電陶瓷片組、薄銅片組成；所述螺柱上的中間位置設(shè)有法蘭，法蘭左側(cè)的螺柱上和法蘭右側(cè)的螺柱上分別裝有壓電陶瓷片組，壓電陶瓷片組的各壓電陶瓷片之間及壓電陶瓷片組與端蓋之間分別裝有作為電極的薄銅片，壓電陶瓷片組和薄銅片通過螺柱與端蓋緊固成一體，端蓋與調(diào)頻變幅桿的大端固接，所述壓電陶瓷片組由兩片縱振壓電陶瓷片和兩片彎振壓電陶瓷片組成；兩片彎振壓電陶瓷片位于彎振振型波腹處，兩片縱振壓電陶瓷片與法蘭相鄰，每片彎振壓電陶瓷片對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片和下半片彎振壓電陶瓷片，每片彎振壓電陶瓷片的上半片彎振壓電陶瓷片和下半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰兩片上半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰兩片下半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片的極化方向相反，所述調(diào)頻變幅桿的長度L為1/2縱振波長，所述驅(qū)動足設(shè)置在離調(diào)頻變幅桿小端最近的彎振振型波腹處。
本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明利用壓電陶瓷片組的縱向振動在夾心換能器中激出縱向振動和彎曲振動，二者疊加在驅(qū)動足部位產(chǎn)生橢圓振動軌跡和推力，實現(xiàn)電機(jī)的往復(fù)直線運動。夾心換能器兩端的調(diào)頻變幅桿的縱振諧振頻率與現(xiàn)有縱彎換能器未加調(diào)頻變幅桿時的縱振諧振頻率相同，加上調(diào)頻變幅桿后，直線超聲電機(jī)的縱振諧振頻率不變，通過調(diào)整調(diào)頻變幅桿的變幅比(長度與截面積之比)，在不改變直線超聲電機(jī)縱振諧振頻率的同時調(diào)整電機(jī)彎振諧振頻率，實現(xiàn)縱彎頻率簡并。同時，調(diào)頻變幅桿還可減小振動能量在端蓋中的損耗，聚集振動能量，從而大大提高了驅(qū)動足部位的振幅和振速，使直線超聲電機(jī)效率最高可達(dá)38％。因此本發(fā)明具有效率高、噪聲小、磨損輕、可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)外形圖，圖2是圖1的縱剖圖，圖3是縱振壓電陶瓷片8和彎振壓電陶瓷片9的極化方向示意圖，圖4是本發(fā)明的直線超聲電機(jī)在一個完整振動周期內(nèi)的振型變化及驅(qū)動原理示意圖，圖5是本發(fā)明的直線超聲電機(jī)應(yīng)用到實驗平臺上的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)合圖1～圖3說明本實施方式，本實施方式由夾心換能器和驅(qū)動足7組成；所述夾心換能器由調(diào)頻變幅桿1、端蓋2、螺柱3、法蘭4、壓電陶瓷片組5、薄銅片6組成；所述螺柱3上的中間位置設(shè)有與螺柱3制成一體的法蘭4，法蘭4左側(cè)的螺柱3上和法蘭4右側(cè)的螺柱3上分別裝有壓電陶瓷片組5，壓電陶瓷片組5的各壓電陶瓷片之間及壓電陶瓷片組5與端蓋2之間分別裝有作為電極的薄銅片6，壓電陶瓷片組5和薄銅片6通過螺柱3與端蓋2緊固成一體，端蓋2與調(diào)頻變幅桿1的大端固接，所述壓電陶瓷片組5由兩片縱振壓電陶瓷片8和兩片彎振壓電陶瓷片9組成；兩片彎振壓電陶瓷片9位于彎振振型波腹處，兩片縱振壓電陶瓷片8與法蘭4相鄰，每片彎振壓電陶瓷片9對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片10和下半片彎振壓電陶瓷片11，每片彎振壓電陶瓷片9的上半片彎振壓電陶瓷片10和下半片彎振壓電陶瓷片11的極化方向相反，相鄰兩片上半片彎振壓電陶瓷片10的極化方向相反，相鄰兩片下半片彎振壓電陶瓷片11的極化方向相反，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片8的極化方向相反，壓電陶瓷片組5的各壓電陶瓷片沿厚度方向極化，用“+”“-”表示電疇即極化方向，所述調(diào)頻變幅桿1的長度L為1/2縱振波長，所述驅(qū)動足7設(shè)置在離調(diào)頻變幅桿1小端最近的彎振振型波腹處，所述調(diào)頻變幅桿1的橫截面為矩形，螺柱3和法蘭4采用一整塊金屬材料加工而成，調(diào)頻變幅桿1、端蓋2和驅(qū)動足7采用一整塊金屬材料切割加工而成，可簡化加工裝配工藝，減少能量損耗。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
工作原理在A電極(參見圖2)施加縱向諧振頻率電壓，每對反向極化的縱振壓電陶瓷片同步膨脹或收縮，激發(fā)縱向振動；在B電極施加彎曲諧振頻率電壓，上側(cè)一對彎振壓電陶瓷片膨脹時，下側(cè)一對彎振壓電陶瓷片收縮，反之亦然，激發(fā)彎曲振動。夾心換能器兩端的調(diào)頻變幅桿的縱振諧振頻率與現(xiàn)有的縱彎換能器未加調(diào)頻變幅桿時的縱振諧振頻率相同，加上調(diào)頻變幅桿后直線超聲電機(jī)的縱振諧振頻率不變，通過調(diào)整調(diào)頻變幅桿的變幅比(長度與截面積之比)，在不改變直線超聲電機(jī)的縱振諧振頻率的同時調(diào)整直線超聲電機(jī)的彎振諧振頻率，實現(xiàn)縱彎頻率簡并。調(diào)頻變幅桿可減小振動能量在端蓋中的損耗，起到聚集振動能量的作用，提高驅(qū)動足部位的振幅和振速，使直線超聲電機(jī)的性能大幅度提高。驅(qū)動足的驅(qū)動端的彎振位移分量垂直于導(dǎo)軌，與縱振疊加為兩個均產(chǎn)生驅(qū)動力的橢圓驅(qū)動軌跡，且在該處的縱振速度是所有彎振振型波腹處最大的。在一個振動周期內(nèi)，縱彎兩路電壓激振信號的相位差為+90°，I和III為驅(qū)動階段(參見圖4)，位于調(diào)頻變幅桿上的驅(qū)動足推動軌道使直線超聲電機(jī)移動，此時，縱振振速和彎振位移達(dá)到最大值；II和IV為懸浮階段，直線超聲電機(jī)由于慣性懸浮在軌道上，此時，彎振振速和縱振位移達(dá)到最大值。如調(diào)整兩路激勵信號相位差為-90°，可實現(xiàn)直線超聲電機(jī)的反向運動。
具體實施方式
二結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的法蘭4的外圓柱面的縱彎振節(jié)點重合處鉆有兩個小圓錐孔12，作為直線超聲電機(jī)預(yù)緊力機(jī)構(gòu)的夾持點，用來施加預(yù)緊力產(chǎn)生驅(qū)動摩擦力。選擇在此位置處鉆兩個小圓錐孔12，防止諧振頻率漂移和振動形態(tài)畸變，可減少能量損耗。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式還增加有硬質(zhì)陶瓷摩擦片13；所述硬質(zhì)陶瓷摩擦片13與驅(qū)動足7的下端面粘接。如此設(shè)置，可防止驅(qū)動足7磨損，延長驅(qū)動足7的使用壽命。
具體實施方式
四結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
三的不同點是本實施方式的硬質(zhì)陶瓷摩擦片13的材料是ZrO2、Si3N4、SiC或Al2O3。采用上述材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性順序是ZrO2＞Si3N4＞SiC＞Al2O3；耐磨損性ZrO2的耐磨損性最強(qiáng)，其次是Si3N4和SiC，最差是Al2O3；價格ZrO2最高，其次是Si3N4和SiC，Al2O3最便宜，在直線超聲電機(jī)性能要求不高的前提下，選擇Al2O3性價比較高。
具體實施方式
五結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式還增加有薄壁絕緣套14；所述薄壁絕緣套14分別裝在法蘭4左側(cè)的螺柱3與壓電陶瓷片組5和薄銅片6之間及法蘭4右側(cè)的螺柱3與壓電陶瓷片組5和薄銅片6之間。如此設(shè)置，可防止壓電陶瓷片組5、薄銅片6與螺柱3連電。
具體實施方式
六結(jié)合圖5說明本實施方式，本實施方式是一個將本發(fā)明的直線超聲電機(jī)應(yīng)用到實驗平臺上的一個實施例，所述實驗平臺的導(dǎo)軌底座106經(jīng)由兩個支板107支撐導(dǎo)軌102，兩個夾持塊103上的錐形頂尖頂在法蘭4的小圓錐孔12內(nèi)，這樣可以最小程度影響直線超聲電機(jī)101的固有諧振頻率；輪軸108沿導(dǎo)軌102的下平面滾動，輪軸108上的兩端裝有軸承座109和滾動軸承110，螺栓111固連于軸承座109上并穿過夾持塊103上的圓孔，螺栓111通過螺母112和預(yù)緊彈簧113壓緊直線超聲電機(jī)101于導(dǎo)軌102上，并可調(diào)節(jié)預(yù)緊力的大?。粰C(jī)械載荷通過滑輪加載機(jī)構(gòu)104的細(xì)線114吊加砝碼實現(xiàn)，光電碼盤支架115固定在軸承座109上，輪軸108和光電碼盤105通過聯(lián)軸器116聯(lián)接，直線超聲電機(jī)101工作時帶動導(dǎo)軌102下方的輪軸108滾動，通過光電碼盤105測量輪軸108的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可推算出直線超聲電機(jī)101的直線速度。實驗中測得直線超聲電機(jī)101的最高速度能夠達(dá)到800mm/s以上，能夠產(chǎn)生50N以上的輸出推力，具有很好的速度穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，它包括夾心換能器和驅(qū)動足(7)；其特征在于所述夾心換能器由調(diào)頻變幅桿(1)、端蓋(2)、螺柱(3)、法蘭(4)、壓電陶瓷片組(5)、薄銅片(6)組成；所述螺柱(3)上的中間位置設(shè)有法蘭(4)，法蘭(4)左側(cè)的螺柱(3)上和法蘭(4)右側(cè)的螺柱(3)上分別裝有壓電陶瓷片組(5)，壓電陶瓷片組(5)的各壓電陶瓷片之間及壓電陶瓷片組(5)與端蓋(2)之間分別裝有作為電極的薄銅片(6)，壓電陶瓷片組(5)和薄銅片(6)通過螺柱(3)與端蓋(2)緊固成一體，端蓋(2)與調(diào)頻變幅桿(1)的大端固接，所述壓電陶瓷片組(5)由兩片縱振壓電陶瓷片(8)和兩片彎振壓電陶瓷片(9)組成；兩片彎振壓電陶瓷片(9)位于彎振振型波腹處，兩片縱振壓電陶瓷片(8)與法蘭(4)相鄰，每片彎振壓電陶瓷片(9)對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片(10)和下半片彎振壓電陶瓷片(11)，每片彎振壓電陶瓷片(9)的上半片彎振壓電陶瓷片(10)和下半片彎振壓電陶瓷片(11)的極化方向相反，相鄰兩片上半片彎振壓電陶瓷片(10)的極化方向相反，相鄰兩片下半片彎振壓電陶瓷片(11)的極化方向相反，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片(8)的極化方向相反，所述調(diào)頻變幅桿(1)的長度L為1/2縱振波長，所述驅(qū)動足(7)設(shè)置在離調(diào)頻變幅桿(1)小端最近的彎振振型波腹處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，其特征在于所述法蘭(4)的外圓柱面的縱彎振節(jié)點重合處鉆有兩個小圓錐孔(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，其特征在于所述調(diào)頻變幅桿(1)的橫截面為矩形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，其特征在于所述調(diào)頻變幅桿(1)、端蓋(2)和驅(qū)動足(7)采用一整塊金屬材料切割加工而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，其特征在于它還包括硬質(zhì)陶瓷摩擦片(13)；所述硬質(zhì)陶瓷摩擦片(13)與驅(qū)動足(7)的下端面粘接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，其特征在于所述硬質(zhì)陶瓷摩擦片(13)的材料是ZrO2、Si3N4、SiC或Al2O3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，其特征在于它還增加有薄壁絕緣套(14)；所述薄壁絕緣套(14)分別裝在法蘭(4)左側(cè)的螺柱(3)與壓電陶瓷片組(5)和薄銅片(6)之間及法蘭(4)右側(cè)的螺柱(3)與壓電陶瓷片組(5)和薄銅片(6)之間。
全文摘要
雙驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機(jī)，它涉及一種直線超聲電機(jī)。針對現(xiàn)有的夾心式縱彎復(fù)合直線超聲電機(jī)存在電機(jī)效率低下、噪聲大、磨損嚴(yán)重的問題。本發(fā)明的螺柱(3)上裝有縱彎振壓電陶瓷片和薄銅片(6)并通過螺柱(3)與端蓋(2)和調(diào)頻變幅桿(1)的大端固接，兩片彎振壓電陶瓷片(9)位于彎振振型波腹處，每片彎振壓電陶瓷片(9)對稱切分成上、下兩個極化方向相反的半片彎振壓電陶瓷片，相鄰兩個半片彎振壓電陶瓷片的極化方向、兩片縱振壓電陶瓷片(8)的極化方向均相反，調(diào)頻變幅桿(1)的長度L為1/2縱振波長，驅(qū)動足(7)設(shè)置在離調(diào)頻變幅桿(1)小端最近的彎振振型波腹處。本發(fā)明具有效率高、噪聲小、磨損輕的優(yōu)點。
文檔編號H02N2/04GK101022257SQ200710071909
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者石勝君, 劉軍考, 陳維山, 謝濤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)