一種單激勵直線超聲電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單激勵直線超聲電機(jī)，動子包括滑條和設(shè)置在滑條表面的摩擦層；定子包括超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器前端的摩擦驅(qū)動塊；所述的超聲振動換能器包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，后蓋板和前蓋板通過螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊；橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在超聲振動換能器的前端，為直梁和斜梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器可以將超聲振動換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端和摩擦驅(qū)動塊的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，并驅(qū)動動子進(jìn)行連續(xù)直線運動。
【專利說明】
一種單激勵直線超聲電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的超聲電機(jī)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用單激勵超聲橢圓振動的直線超聲電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]直線超聲電機(jī)是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展和應(yīng)用的一種新型微電機(jī)，是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)電能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換的機(jī)電耦合裝置，通過定子和動子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動轉(zhuǎn)換成動子的宏觀直線(旋轉(zhuǎn))運動，直接推動負(fù)載。因其具有體積小、重量輕、低速大扭矩、噪聲小、響應(yīng)快、定位精度高、無電磁干擾和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，在醫(yī)療、航空航天、機(jī)器人、MEMS等【技術(shù)領(lǐng)域】得到了日益廣泛的應(yīng)用。
[0003]單激勵模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲電機(jī)是超聲電機(jī)的一種，它是利用一組壓電陶瓷元件的激勵，通過特殊結(jié)構(gòu)的模態(tài)轉(zhuǎn)換器使定子產(chǎn)生具有兩種振動模態(tài)分量的復(fù)雜振動。如果這兩個振動模態(tài)之間存在一定的相位差且頻率相近，定子和轉(zhuǎn)子接觸界面上定子的端面質(zhì)點就會產(chǎn)生橢圓軌跡振動，從而通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦獲得轉(zhuǎn)子的運動和扭矩。利用模態(tài)轉(zhuǎn)換原理制作的超聲電機(jī)只需要一組控制電路及其驅(qū)動電源，控制驅(qū)動系統(tǒng)簡單，制造成本、控制難度均可得到降低。
[0004]目前國內(nèi)直線超聲電機(jī)的研究發(fā)展很快，清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校先后對直線超聲電機(jī)展開了研究。自2004年以來，中國專利網(wǎng)陸續(xù)刊登了環(huán)形駐波直線超聲電機(jī)【200510046044.9】、棱柱型縱彎復(fù)合振子直線超聲電機(jī)【200610132316.1】、三角形彎板式壓電直線超聲電機(jī)【200710045921.X】、H形駐波直線超聲電機(jī)振子【200820014739.8】、圓柱結(jié)構(gòu)雙輪足驅(qū)動直線超聲電機(jī)及電激勵方法【200710020963.8】、基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機(jī)【200810124426.2】等專利。但是現(xiàn)有的直線超聲電機(jī)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸出功率小、制造困難、對制造裝配要求較高、成本較高和壽命短、驅(qū)動力小等不足。這些問題制約了它們在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明提供了一種新型的單激勵直線超聲電機(jī)，目的是為了克服上述直線超聲電機(jī)中存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率大，成本低、壽命長、驅(qū)動力大的直線超聲電機(jī)。
[0006]一種單激勵直線超聲電機(jī)，包括定子和動子，所述的動子包括滑條和設(shè)置在滑條表面的摩擦層；所述的定子包括超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和摩擦驅(qū)動塊；所述的超聲振動換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設(shè)置有可與其它結(jié)構(gòu)裝置聯(lián)接用的法蘭盤，后蓋板和前蓋板通過螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊，構(gòu)成了單激勵直線超聲電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換部分，將超聲電源輸出的超聲電能轉(zhuǎn)換為超聲換能器的超聲振動能量。
[0007]所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個整體設(shè)置在前蓋板的前端，或者將橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器焊接設(shè)置在前蓋板的前端，所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器包括直梁和斜梁構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成(Γ90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處均為圓弧過渡聯(lián)接。
[0008]橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在超聲振動換能器前端后構(gòu)成的組合件稱為單激勵超聲橢圓振動換能器，橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器為直梁和斜梁復(fù)合結(jié)構(gòu)的目的是為了改變單激勵超聲橢圓振動換能器的振動模態(tài)，使其縱向振動模態(tài)頻率和彎曲振動模態(tài)頻率接近或相等；由于斜梁結(jié)構(gòu)的存在，超聲振動換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動在傳遞到斜梁后，在斜梁根部分解為一部分縱向振動分量和一部分彎曲振動分量，當(dāng)斜梁分解的縱向振動分量和彎曲振動分量傳遞到直梁后，和直梁上傳播的縱向振動相復(fù)合，最終在直梁末端形成具有一定相位差的縱向振動分量和彎曲振動分量復(fù)合的超聲橢圓振動。
[0009]所述的摩擦驅(qū)動塊通過焊接、粘接或螺釘聯(lián)接方式設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端，摩擦驅(qū)動塊與滑條上的摩擦層相接觸。超聲振動換能器的法蘭盤用來安裝定子和預(yù)壓力裝置，將定子和動子連接成一整體構(gòu)成單激勵直線超聲電機(jī)，經(jīng)法蘭盤固定后的超聲振動換能器軸線與滑條的夾角為20度?160度。
[0010]當(dāng)超聲電源輸出的超聲電信號接入到超聲振動換能器的電極片后，超聲振動換能器即產(chǎn)生超聲振動，超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，并驅(qū)動摩擦驅(qū)動塊和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端一起做超聲橢圓振動，進(jìn)而驅(qū)動動子進(jìn)行連續(xù)直線運動。相比現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹的單激勵直線超聲電機(jī)，該直線超聲電機(jī)具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單，制造容易、成本低、結(jié)構(gòu)剛度大、控制驅(qū)動系統(tǒng)簡單和振動工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點。
[0011]更進(jìn)一步，所述的單激勵直線超聲電機(jī)只有一組縱向振動壓電陶瓷片。
[0012]更進(jìn)一步，所述的單激勵直線超聲電機(jī)只需一路超聲電信號激勵。
[0013]本發(fā)明采用了機(jī)械振動模態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)理把超聲振動換能器的縱向振動轉(zhuǎn)換分解為直梁的縱向振動、斜梁的縱向振動和彎曲振動分量，最終在直梁末端合成為縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，簡化了單激勵直線超聲電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了振動系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了制造、裝配難度和生產(chǎn)成本，整個單激勵直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，有利于微型化目標(biāo)的實現(xiàn)；另外該發(fā)明僅需要一路控制電路及超聲電信號進(jìn)行激勵，控制難度低，避免了兩相或多相超聲振動復(fù)合形成橢圓振動換能器的復(fù)雜超聲電源開發(fā)費用，簡化了控制電路及超聲電源結(jié)構(gòu)，降低了控制電路及超聲電源成本，減小了控制電路及超聲電源體積，易于實現(xiàn)控制電路及超聲電源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的應(yīng)用實例示意圖。
[0016]圖中標(biāo)號說明:1.螺栓，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.法蘭盤，7.橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，8.滑條，9.摩擦層，10摩擦驅(qū)動塊，11.超聲電源。
【具體實施方式】
[0017]結(jié)合圖1、2所示，一種單激勵直線超聲電機(jī)，包括定子和動子，動子包括滑條8和粘接在滑條8表面的摩擦層9 ;定子包括超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7和摩擦驅(qū)動塊10 ;超聲振動換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓I及依次套設(shè)在螺栓I上的后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5，前蓋板5上設(shè)置有可與其它結(jié)構(gòu)裝置聯(lián)接用的法蘭盤6,后蓋板2和前蓋板5通過螺栓I將后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5聯(lián)接壓緊，構(gòu)成了單激勵直線超聲電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換部分，將超聲電源11輸出的超聲電能轉(zhuǎn)換為超聲振動換能器的超聲振動能量。該單激勵直線超聲電機(jī)只有一組縱向振動壓電陶瓷片3，壓電陶瓷換能器段直徑30mm，壓電陶瓷片3的材料為PZT-8，尺寸為-.(PSOtmX Φ 15mmX 5mm，壓電陶瓷片3的片數(shù)為2。
[0018]橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7和前蓋板5制作成一個整體零件設(shè)置在前蓋板5的前端，橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7為直梁和斜梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板5聯(lián)接，另一端懸伸，直梁的截面邊長為12X 12mm，長72mm ;斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板5偏離中心軸線的一側(cè)聯(lián)接，斜梁中心軸線和前蓋板5的聯(lián)接處距離前蓋板5的中心軸線距離為25mm，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的截面邊長為12X12mm。斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成30夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處均為圓弧過渡聯(lián)接，過渡圓弧半徑為5mm。
[0019]摩擦驅(qū)動塊10通過粘接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7的前端，摩擦驅(qū)動塊10與滑條8上的摩擦層9相接觸。利用超聲振動換能器的法蘭盤6進(jìn)行安裝定子和預(yù)壓力裝置，將定子和動子連接成一整體構(gòu)成單激勵直線超聲電機(jī)，經(jīng)法蘭盤6固定后的超聲振動換能器軸線與滑條的夾角為45度。
[0020]單激勵直線超聲電機(jī)定子固有頻率為19.84KHz，阻抗為76歐姆，動態(tài)電阻為16歐姆，只需一路超聲電信號激勵，超聲電源11輸出電壓范圍為0-400V，電流范圍為0-4A，輸出頻率為19.84±0.0lKHz，且超聲電源11在指定頻率范圍內(nèi)具有自動頻率跟蹤功能。
[0021]當(dāng)超聲電源輸出的超聲電信號接入到超聲振動換能器的電極片4后，超聲振動換能器即產(chǎn)生超聲振動，超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動；并驅(qū)動摩擦驅(qū)動塊10和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端一起做超聲橢圓振動。運行10分鐘后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定振動狀態(tài)，超聲電源11的輸出電壓為220V，電流為1.35A，當(dāng)摩擦驅(qū)動塊和動子接觸后，驅(qū)動動子進(jìn)行連續(xù)直線運動，動子的速度峰值為30.3mm/s。
【權(quán)利要求】
1.一種單激勵直線超聲電機(jī)，包括動子和定子，其特征在于:動子包括滑條和設(shè)置在滑條表面的摩擦層；定子包括超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和摩擦驅(qū)動塊；所述的超聲振動換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設(shè)置有可與其它結(jié)構(gòu)裝置聯(lián)接用的法蘭盤，后蓋板和前蓋板通過螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊；所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在前蓋板的前端，所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器包括直梁和斜梁構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成(Γ90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處均為圓弧過渡聯(lián)接；所述的摩擦驅(qū)動塊設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端；經(jīng)法蘭盤和支架固定后的超聲振動換能器軸線與滑條之間的夾角為20度?160度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵直線超聲電機(jī)，其特征在于:所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個整體設(shè)置在前蓋板的前端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵直線超聲電機(jī)，其特征在于:所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器焊接設(shè)置在前蓋板的前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單激勵直線超聲電機(jī)，其特征在于:所述的摩擦驅(qū)動塊通過焊接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單激勵直線超聲電機(jī)，其特征在于:所述的摩擦驅(qū)動塊通過粘接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單激勵直線超聲電機(jī)，其特征在于:還包括一個聯(lián)接螺釘，用于將摩擦驅(qū)動塊聯(lián)接在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
【文檔編號】H02N2/04GK104362895SQ201410740286
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】殷振, 李華, 曹自洋, 汪幫富, 李艷, 莊孝斌, 朱淑梅, 徐力, 吳雷, 徐帖 申請人:蘇州科技學(xué)院