專利名稱：一種基于剪切效應(yīng)的直線型超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲電機領(lǐng)域，特別涉及一種基于剪切效應(yīng)(即dl5效應(yīng))的直線型超 聲電機。
背景技術(shù)：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動的新型動力輸出裝置。其中， 采用剪切效應(yīng)(dl5效應(yīng))的直線型超聲電機屬于直線型超聲電機的一種。通常與壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)相對應(yīng)的誘發(fā)變形的方式有三種如圖1 (a)，設(shè)與X、 1、ζ坐標軸對應(yīng)的方向分別為1、2和3，d31效應(yīng)是指沿極化方向3施加電場，誘發(fā)的應(yīng)變 沿1方向；圖1(b)為壓電陶瓷d33逆壓電效應(yīng)的示意圖，是指沿極化方向3施加電場，誘發(fā) 的應(yīng)變沿3方向；圖1 為壓電陶瓷dl5逆壓電效應(yīng)的示意圖，是指沿與極化方向垂直的1 方向施加電場，誘發(fā)出1和3面的切應(yīng)變，因此又被稱做為剪切效應(yīng)。常見的超聲電機定子振動的激勵方式有兩種，主要是利用壓電陶瓷的d31逆壓電 效應(yīng)和d33逆壓電效應(yīng)。然而，壓電常數(shù)d31和d33的數(shù)值相對dl5小很多，通常剪切壓 電常數(shù)dl5是d33的2-3倍以上，比d31大的更多，剪切機電耦合系數(shù)也比d31逆壓電效應(yīng) 和d33逆壓電效應(yīng)高得多。從機電轉(zhuǎn)換材料的屬性機理上來說，如果在超聲電機中應(yīng)用壓 電陶瓷的dl5逆壓電效應(yīng)有助于擴大定子的振幅，提高超聲電機的輸出效率和單位重量的 輸出功率。因此，本發(fā)明提出的基于剪切(dl5)效應(yīng)的直線型超聲電機除了具備超聲電機 的通常特點外，還具有更大推重比、更高的驅(qū)動效率以及更易微型化等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對前述背景技術(shù)中的缺陷和不足，提供一種基 于剪切效應(yīng)的直線型超聲電機，其結(jié)構(gòu)簡單，推重比大，效率高，響應(yīng)速度快，應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明為解決以上技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案是
一種基于剪切效應(yīng)的直線型超聲電機，包括底座、壓電陶瓷定子、導軌、滑條、彈簧和驅(qū) 動足，其中，底座為U型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部固定有導軌，而滑條可滑動地設(shè)于導軌上；所述的壓電 陶瓷定子設(shè)于底座上，其下端面設(shè)有接地電極，上端面設(shè)有激勵電極，且極化方向沿水平方 向，且所述壓電陶瓷定子的下端面通過驅(qū)動足與滑條接觸；上端蓋通過預(yù)緊螺栓固定于底 座上，所述上端蓋和壓電陶瓷定子之間設(shè)有彈簧，且上端蓋壓在彈簧上。上述壓電陶瓷定子上端面的激勵電極包括四個電極，且四個電極以正方形頂角的 方式設(shè)置，其中兩個電極的表面施加大小相同、方向相反的正弦電壓，另外兩個電極的表面 施加大小和方向均相同的余弦電壓，且所述正弦和余弦電壓的幅值相同。采用上述方案后，本發(fā)明將剪切型壓電陶瓷元件直接構(gòu)成定子，充分利用壓電陶 瓷的高機電耦合剪切模式，克服目前采用d31和d33逆壓電效應(yīng)的超聲電機推重比和驅(qū)動 效率低、不易微小化的缺點，可獲得更理想的推重比和驅(qū)動效率。本發(fā)明的直線電機具有結(jié) 構(gòu)簡單，更理想的推重比和更高的驅(qū)動效率等優(yōu)點。


圖1 (a)、圖1 (b)、圖1 (c)分別是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)誘發(fā)變形的三種方式； 圖2(a)是本發(fā)明直線型超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖2(b)是本發(fā)明直線型超聲電機的剖面圖2(c)是本發(fā)明直線型超聲電機的立體結(jié)構(gòu)示意圖3(a)是本發(fā)明中壓電陶瓷定子上端面的激勵電極分布示意圖3(b)是本發(fā)明中壓電陶瓷定子下端面的接地電極分布示意圖4(a)是在壓電陶瓷定子上端面施加相反電壓信號的示意圖4(b)是圖4(a)誘發(fā)的剪切形變示意圖5(a)是在壓電陶瓷定子上端面施加相同電壓信號的示意圖5(b)是圖5(a)誘發(fā)的剪切形變示意圖6(a)是圖4(a)所示的彎曲振動模態(tài)的有限元仿真結(jié)果示意圖6(b)是圖4(b)所示的切向振動模態(tài)的有限元仿真結(jié)果示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進行詳細說明。如圖2(a)-(C)所示，本發(fā)明提供一種基于剪切效應(yīng)的直線型超聲電機，包括上端 蓋10、預(yù)緊螺栓20、底座30、導軌40、滑條50、彈簧60、壓電陶瓷定子70和驅(qū)動足80，下面 將進行詳細說明。底座30為U型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部固定有導軌40，而滑條50可滑動地設(shè)于導軌40上，可配 合圖2(c)所示。壓電陶瓷定子70由剪切型壓電陶瓷直接構(gòu)成，且極化方向沿ζ軸方向(也即豎直 方向)，其上端面布置有激勵電極。具體可參考圖3(a)所示，其上是以正方形頂角的方式設(shè) 置有2X2共4個電極90、100、110、120，而下端面則設(shè)置有接地電極130，如圖3(b)所示； 且所述的壓電陶瓷定子70以下端面置于底座30上，并通過驅(qū)動足80連接滑條50，用以驅(qū) 動滑條50的位移。值得說明的是，電極數(shù)目還可以增加，增加的規(guī)律為沿3 (ζ)方向為偶 數(shù)m行(如2，4，6，8···)，沿2 (y)方向為η列(大于等于2)，這樣形成的電極陣列mXn均可 按如下的方式施加電壓以激發(fā)出兩個工作模態(tài)。但更多的極化分區(qū)對制作工藝要求更高， 圖3給出的4個電極分區(qū)已最少、且更易實現(xiàn)。彈簧60的一端連接壓電陶瓷定子70的上端面，另一端連接上端蓋10，并使上端 蓋10壓在彈簧60上，用以提供壓電陶瓷定子70驅(qū)動驅(qū)動足80與滑條50之間的預(yù)壓力； 所述的上端蓋10借助預(yù)緊螺栓20固定于底座30上。以下將詳細說明本發(fā)明的工作原理，主要是利用壓電陶瓷定子70的剪切逆壓電 效應(yīng)，激發(fā)其產(chǎn)生所需要的工作模態(tài)，其中，四個電極90、100、110、120上施加的激勵電壓 幅值均為V。如圖3(a)所示，施加在壓電陶瓷定子70上的電場與極化方向垂直，即平行于 χ軸方向，在電極90和100上分別施加Vsin(Cot)和-Vsin(cot)的激勵電壓，如圖4(a)， 依靠壓電陶瓷的dl5逆壓電效應(yīng)可誘發(fā)壓電陶瓷定子70在x-z坐標面的剪切形變。由于 電極90和100上施加的電壓信號符號相反，分別在x-z面的上下兩個區(qū)域誘發(fā)的對應(yīng)剪切形變方向也是相反的，如圖4(b)，上下區(qū)域的剪切變形對應(yīng)電極90和100的激勵效果， 其有限元仿真結(jié)果如圖6(a)。此時，壓電陶瓷定子70被激發(fā)出彎曲振動，驅(qū)動足80具有 沿χ軸方向的位移分量。同樣地，若在電極110和120上都施加Vcos (Qt)的激勵電壓， 如圖5(a)所示，依靠壓電陶瓷的dl5逆壓電效應(yīng)也可誘發(fā)出壓電陶瓷定子70在x-z坐標 面的剪切形變。此時，由于電極110和120上施加的電壓信號相同，在x-z面的上下兩個區(qū) 域誘發(fā)的對應(yīng)剪切形變方向也是相同的，如圖5 (b)，其有限元仿真結(jié)果如圖6 (b)。此時，壓 電陶瓷定子70被激發(fā)出純剪切振動，驅(qū)動足80具有沿ζ軸方向的位移分量。圖4(b)和圖 5(b)中的兩個變形模式中，驅(qū)動足80的位移分量在空間上垂直正交，施加激勵信號的時間 相位也正交，其合成運動軌跡為x-z坐標面內(nèi)的一橢圓，可推動動子做直線運動，從而構(gòu)成 直線型超聲電機。壓電陶瓷定子70的彎曲振動模態(tài)和切向振動模態(tài)的有限元仿真分別如 圖6(a)和圖6(b)所示。如果電極陣列的數(shù)目更多，設(shè)為mXn，其中沿3 (ζ)方向為偶數(shù)m 行(如2，4，6，8…)，沿2 (y)方向為η列(大于等于2)，則按照類似上面的電壓施加方式即 可。具體如下選η列中的至少1列，由于都為偶數(shù)m行，可均分成上下兩部分，分別施加類 似圖4(a)中的Vsin (cot)和-Vsin(Cot)激勵電壓，則可激發(fā)如圖4 (b)的振動模態(tài)；n列 中其余的電極(至少也應(yīng)該有1列)，分別施加類似圖5(a)中的Vcos (Qt)激勵電壓，則可 激發(fā)如圖5(b)的振動模態(tài)。同樣的，可合成運動軌跡為x-z坐標面內(nèi)的一橢圓，推動動子 做直線運動。 以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是 按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于剪切效應(yīng)的直線型超聲電機，其特征在于包括底座、壓電陶瓷定子、導 軌、滑條、彈簧和驅(qū)動足，其中，底座為U型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部固定有導軌，而滑條可滑動地設(shè)于導 軌上；所述的壓電陶瓷定子設(shè)于底座上，其下端面設(shè)有接地電極，上端面設(shè)有激勵電極，且 極化方向沿水平方向，所述壓電陶瓷定子的下端面通過驅(qū)動足與滑條接觸；上端蓋通過預(yù) 緊螺栓固定于底座上，所述上端蓋和壓電陶瓷定子之間設(shè)有彈簧，且上端蓋壓在彈簧上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于剪切效應(yīng)的直線型超聲電機，其特征在于所述壓電 陶瓷定子上端面的激勵電極包括四個電極，且四個電極以正方形頂角的方式設(shè)置，其中兩 個電極的表面施加大小相同、方向相反的正弦電壓，另外兩個電極的表面施加大小和方向 均相同的余弦電壓，且所述正弦和余弦電壓的幅值相同。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于剪切效應(yīng)的直線型超聲電機，包括底座、壓電陶瓷定子、導軌、滑條、彈簧和驅(qū)動足，其中，底座為U型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部固定有導軌，而滑條可滑動地設(shè)于導軌上；所述的壓電陶瓷定子設(shè)于底座上，其下端面設(shè)有接地電極，上端面設(shè)有激勵電極，且極化方向沿水平方向，所述壓電陶瓷定子的下端面通過驅(qū)動足與滑條接觸；上端蓋通過預(yù)緊螺栓固定于底座上，所述上端蓋和壓電陶瓷定子之間設(shè)有彈簧，且上端蓋壓在彈簧上。此種電機結(jié)構(gòu)簡單，推重比大，效率高，響應(yīng)速度快，應(yīng)用范圍廣。
文檔編號H02N2/02GK102075112SQ201110029869
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者李繁, 楊康, 賈兵, 陳海鵬, 陳超 申請人:南京航空航天大學