專利名稱：一種薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的利用矩形截面薄壁自由梁的彎曲振動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)的直線超聲 電機(jī)，尤其涉及一種薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)激發(fā)定子彈性體產(chǎn)生超聲頻域微幅 機(jī)械振動(dòng)，再通過定子與轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)之間的摩擦作用將定子的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn) 換成轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)的宏觀的轉(zhuǎn)動(dòng)(或直線運(yùn)動(dòng))。它打破了慣常的由電磁感 應(yīng)效應(yīng)獲得速度和動(dòng)力的傳統(tǒng)電機(jī)的概念，與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，具有動(dòng)力 密度大、響應(yīng)快、無噪聲、電磁兼容性好等一系列獨(dú)特的性能。超聲電機(jī)技術(shù)
在20世紀(jì)末得到迅速發(fā)展，已在航空航天、機(jī)器人、汽車、精密定位儀、微型 機(jī)械等領(lǐng)域里得到成功的應(yīng)用，它是當(dāng)今國內(nèi)外微特電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之
超聲電機(jī)分為旋轉(zhuǎn)型和直線型兩大類。與傳統(tǒng)的電磁型直線電機(jī)相比，直 線型超聲電機(jī)的最大特點(diǎn)是無需運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、定子通過直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)子實(shí)現(xiàn)直 線運(yùn)動(dòng)。直線超聲電機(jī)的研究略晚于旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，卻因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而備 受青睞，并成該領(lǐng)域內(nèi)的又一熱點(diǎn)。本世紀(jì)初以來，日本、美國、俄羅斯、以 色列、新加坡等國先后研制出了多種型式的直線超聲電機(jī)，其中有些還得到了 工作應(yīng)用，但總的來看，日本的直線超聲電機(jī)技術(shù)走在世界前列。國內(nèi)的直線 超聲電機(jī)研究始于上世紀(jì)90年代末，南京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院、清華大 學(xué)、華中科技大學(xué)等高等院校和科研院所在這方面做了不少的研究，并取得了 一定的成果。但總的來說，我國直線超聲電機(jī)仍處于研究階段，與國外相比仍存在較大差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，該超聲電機(jī) 具有亞微米級(jí)(甚至更高)定位精度、毫秒級(jí)響應(yīng)速度、較快的運(yùn)動(dòng)速度、較 大的輸出推力，應(yīng)用范圍廣泛。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括定子組件、動(dòng)子組件、支座組件、預(yù)緊加壓 組件,其特征是預(yù)緊加壓組件連接定子組件，定子組件和動(dòng)子組件分別連接支座 組件。
本發(fā)明所述的定子組件包括定子、驅(qū)動(dòng)齒、壓電陶瓷，定子正面連有6個(gè) 驅(qū)動(dòng)齒，定子通過驅(qū)動(dòng)齒連接動(dòng)子組件，定子背面連有壓電陶瓷。
本發(fā)明所述的動(dòng)子組件包括上蓋板、動(dòng)子體、滾珠、滾珠蓋，滾珠放置在 上蓋板的盲孔內(nèi)之后用滾珠蓋將其定位，滾珠蓋固定連接上蓋板，動(dòng)子上開有 V型槽，滾珠通過V型槽對(duì)動(dòng)子進(jìn)行導(dǎo)向。
本發(fā)明所述的支座組件包括短擋板、長擋板、底座，短擋板和長擋板分別 固定連接底座，底座上開有若干個(gè)安裝孔。
本發(fā)明所述的預(yù)緊加壓組件包括彈簧、調(diào)節(jié)墊片、調(diào)節(jié)螺釘、彈性體，調(diào) 節(jié)螺釘連接下端的調(diào)節(jié)墊片，兩塊調(diào)節(jié)墊片之間連有彈簧，調(diào)節(jié)墊片兩端分別 連有彈性體。
本發(fā)明所述的定子為矩形截面結(jié)構(gòu)薄壁自由梁。
本發(fā)明所述的壓電陶瓷分兩層布置在定子背面上，第一層壓電陶瓷由6個(gè) 高性能壓電晶片所組成，第二層壓電陶瓷由9個(gè)高性能壓電晶片組成，各晶片 之間均少許留出間隙，兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片均具有相同的極化方向配 置，每塊晶片上均需接入適當(dāng)配置且頻率處于超聲頻域的調(diào)頻、調(diào)幅諧波激勵(lì) 電信號(hào)。
4本發(fā)明的技術(shù)效果是(1)定子采用薄壁自由梁結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)小 型輕量化；(2)電機(jī)基于駐波彎曲振動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)，可使電機(jī)輸出較大推力；(3) 定子驅(qū)動(dòng)齒步距小，動(dòng)子位置分辨率高，電機(jī)可實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)甚至更高精度的 快速精密定位；(4)電機(jī)性能更穩(wěn)定。動(dòng)子設(shè)計(jì)成具有適度柔性的結(jié)構(gòu)，可保 證定子與動(dòng)子具有較理想的界面接觸狀態(tài)，這將大大改善電機(jī)穩(wěn)定性，減小其 發(fā)熱；(5)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)阻力小，由于動(dòng)子組件采用滾珠導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可大大減小電 機(jī)的摩擦阻力，提高電機(jī)和效率和響應(yīng)速度。


圖l為本發(fā)明的二維示意圖。 圖2為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本發(fā)明的定子組件和動(dòng)子組件的結(jié)構(gòu)示意。 圖4為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)齒和壓電陶瓷片分布圖。 圖5為本發(fā)明的定子梁的工作模態(tài)B^示意圖。 圖6為本發(fā)明的定子梁的工作模態(tài)B^示意圖。 圖7為本發(fā)明的激發(fā)Bc6模態(tài)的壓電陶瓷的極化配置與供電方式。 圖8為本發(fā)明的激發(fā)B。9模態(tài)的壓電陶瓷的極化配置與供電方式。 圖9為本發(fā)明的定子推動(dòng)動(dòng)子組件做正向直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。 圖10為本發(fā)明的定子推動(dòng)動(dòng)子組件做反向直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。
具體實(shí)施例方式
如圖l、圖2所示，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括定子組件、動(dòng)子組件、 支座組件、預(yù)緊加壓組件，其特征是預(yù)緊加壓組件連接定子組件，定子組件和動(dòng) 子組件分別連接支座組件。
如圖3所示，本發(fā)明所述的定子組件包括定子11、驅(qū)動(dòng)齒9、壓電陶瓷12，其特征是定子11正面連有六個(gè)驅(qū)動(dòng)齒9，定子11的背面連有壓電陶瓷12。 如圖3所示，本發(fā)明所述的動(dòng)子組件包括上蓋板l、動(dòng)子2、滾珠7、滾珠
蓋8，其特征是滾珠7放置在上蓋板1的盲孔之后用滾珠蓋8將其定位，用螺
釘10將滾珠蓋8固定連接上蓋板1，動(dòng)子2上幵有V型槽，滾珠通過V型槽
對(duì)動(dòng)子組件進(jìn)行導(dǎo)向。
如圖1所示，本發(fā)明所述的支座組件包括短擋板3、長擋板4、底座5，其
特征是短擋板3和長擋板4分別通過螺栓6固定連接底座5，底座5上開有若
干個(gè)安裝孔。
如圖2所示，本發(fā)明所述的預(yù)緊加壓組件包括彈簧14、調(diào)節(jié)墊片13、調(diào) 節(jié)螺釘15、彈性體16，其特征是調(diào)節(jié)螺釘15連接下端的調(diào)節(jié)墊片13，兩塊調(diào) 節(jié)墊片13之間連有彈簧14，調(diào)節(jié)墊片13兩端分別連有彈性體16。
如圖4所示，本發(fā)明所述的壓電陶瓷12,壓電陶瓷12分兩層布置，第一
層壓電陶瓷由六個(gè)高性能壓電晶片所組成，第二層壓電陶瓷由九個(gè)高性能壓電
晶片組成，各晶片之間均留出少許間隙，兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片均具有
相同的極化方向配置，每塊晶片上均需接入適當(dāng)配置且頻率處于超聲頻域的調(diào)
頻、調(diào)幅諧波激勵(lì)電信號(hào)。如圖5、圖6所示，選取定子11的B。6 、 BQ9彎曲振動(dòng)模態(tài)作為電機(jī)的工
作模態(tài)。為了避免電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能引起的機(jī)械振動(dòng)噪聲，定子ll的結(jié)構(gòu)與尺
寸必須確保上述兩種模態(tài)的模態(tài)頻率處于超聲頻域內(nèi)。
本發(fā)明通過定子組件的超聲頻域機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)動(dòng)子組件2運(yùn)動(dòng)。為了激發(fā)
定子11的純彎曲振動(dòng)工作模態(tài)動(dòng)，需在定子11的背面粘貼壓電陶瓷12，并需
在壓電陶瓷12上施加高頻激勵(lì)電信號(hào)，使壓電陶瓷12產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，弓|起
定子11機(jī)械振動(dòng)，并且為了激發(fā)定子11的B。6模態(tài)，貼于定子11背面壓電
陶瓷應(yīng)按圖7所示方式極化和供電；為了激發(fā)定子11的B。9模態(tài)，貼于定子11背面的壓電陶瓷12應(yīng)按圖8所示方式進(jìn)行極化和供電。
本發(fā)明的電機(jī)的工作原理是通過在壓電陶瓷12上施加高頻諧波激勵(lì)信
號(hào)激發(fā)定子(11)的B。6 (或Bo9)彎振模態(tài)，致使驅(qū)動(dòng)齒9的頂面處質(zhì)點(diǎn)作正 向(或反向)橢圓運(yùn)動(dòng)，并借助驅(qū)動(dòng)齒9與動(dòng)子2之間的摩擦力推動(dòng)動(dòng)子2做 往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
圖9給出了驅(qū)動(dòng)齒9推動(dòng)動(dòng)子2做正向直線運(yùn)動(dòng)的情況。動(dòng)子2的正向驅(qū) 動(dòng)是通過定子11的Bo9模態(tài)實(shí)現(xiàn)，如圖9b)所示。定子在按B。，9模態(tài)進(jìn)行彎 曲振動(dòng)的前半周期，驅(qū)動(dòng)齒92、 93和96與動(dòng)子2接觸且作順時(shí)針擺動(dòng)，通過驅(qū) 動(dòng)齒9與動(dòng)子2之間的摩擦作用推動(dòng)動(dòng)子2作正向直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒9p 94 和95與動(dòng)子處于脫離狀態(tài)；在定子11按Bo9模態(tài)進(jìn)行彎曲振動(dòng)的后半周期， 驅(qū)動(dòng)齒92、 93和96與動(dòng)子脫離接觸，不向動(dòng)子2傳遞動(dòng)力，而驅(qū)動(dòng)齒A、 94 和95與動(dòng)子組件2接觸且作順時(shí)針擺動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)齒9與動(dòng)子2之間的摩擦作 用繼續(xù)推動(dòng)動(dòng)子2作正向直線運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。如圖9c)。
圖10給出了驅(qū)動(dòng)齒9推動(dòng)動(dòng)子做2反向直線運(yùn)動(dòng)的情況。動(dòng)子2的反向 驅(qū)動(dòng)是通過定子11的Bo6模態(tài)實(shí)現(xiàn)，如圖10b)所示。定子在進(jìn)行Bo,6模態(tài)彎 振的前半周期，驅(qū)動(dòng)齒92、 94和96與動(dòng)子2接觸且作逆時(shí)針擺動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)齒 9與動(dòng)子2之間的摩擦作用推動(dòng)動(dòng)子2作反方向直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒9" 93和95 與動(dòng)子2處于脫離狀態(tài)；定子11在B。，6模態(tài)彎振的后半周期，驅(qū)動(dòng)齒92、 94 和96與動(dòng)子脫離接觸，不向動(dòng)子2傳遞動(dòng)力，而驅(qū)動(dòng)齒9p 93和95與動(dòng)子2 接觸且作逆時(shí)針擺動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)齒9與動(dòng)子2之間的摩擦作用繼續(xù)推動(dòng)動(dòng)子2 作反向直線運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)。如圖10c)。
權(quán)利要求
1、一種薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，它包括定子組件、動(dòng)子組件、支座組件、預(yù)緊加壓組件，其特征是預(yù)緊加壓組件連接定子組件，定子組件和動(dòng)子組件分別連接支座組件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，其特征是定 子組件包括定子、驅(qū)動(dòng)齒、壓電陶瓷，定子正面連有6個(gè)驅(qū)動(dòng)齒，定子通過驅(qū) 動(dòng)齒連接動(dòng)子組件，定子背面連有壓電陶瓷。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，其特征是動(dòng) 子組件包括上蓋板、動(dòng)子體、滾珠、滾珠蓋，滾珠放置在上蓋板的盲孔內(nèi)之后 用滾珠蓋將其定位，滾珠蓋固定連接上蓋板，動(dòng)子上開有V型槽，滾珠通過V 型槽對(duì)動(dòng)子進(jìn)行導(dǎo)向。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，其特征是支 座組件包括短擋板、長擋板、底座，短擋板和長擋板分別固定連接底座，底座 上開有若千個(gè)安裝孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，其特征是預(yù) 緊加壓組件包括彈簧、調(diào)節(jié)墊片、調(diào)節(jié)螺釘、彈性體，調(diào)節(jié)螺釘連接下端的調(diào) 節(jié)墊片，兩塊調(diào)節(jié)墊片之間連有彈簧，調(diào)節(jié)墊片兩端分別連有彈性體。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2所述的薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，其特征是 所述的定子為矩形截面結(jié)構(gòu)薄壁自由梁。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，其特征是所 述的壓電陶瓷分兩層布置在定子背面上，第一層壓電陶瓷由6個(gè)高性能壓電晶 片所組成，第二層壓電陶瓷由9個(gè)高性能壓電晶片組成，各晶片之間均少許留 出間隙，兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片均具有相同的極化方向配置，每塊晶片 上均需接入適當(dāng)配置且頻率處于超聲頻域的調(diào)頻、調(diào)幅諧波激勵(lì)電信號(hào)。
全文摘要
一種薄壁自由梁驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)，它包括定子組件、動(dòng)子組件、支座組件、預(yù)緊加壓組件，其特征是預(yù)緊加壓組件連接定子組件，定子組件和動(dòng)子組件分別連接支座組件。本發(fā)明的技術(shù)效果是(1)定子采用薄壁自由梁結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)小型輕量化；(2)電機(jī)基于駐波彎曲振動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)，可使電機(jī)輸出較大推力；(3)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)甚至更高精度的快速精密定位；(4)電機(jī)性能更穩(wěn)定。動(dòng)子設(shè)計(jì)成具有適度柔性的結(jié)構(gòu)，可保證定子與動(dòng)子具有較理想的界面接觸狀態(tài)，這將大大改善電機(jī)穩(wěn)定性，減小其發(fā)熱；(5)提高電機(jī)的效率和響應(yīng)速度。
文檔編號(hào)H02N2/04GK101604928SQ200910115708
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者占曉煌, 曾勁松, 良 汪, 賀紅林, 龍玉繁 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)