專利名稱：雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)及工作模態(tài)和電激勵(lì)方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)及工作模態(tài)和電激勵(lì)方式，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型動(dòng)力輸出裝置。直線型超聲電機(jī)是超聲電機(jī)的一大分類。其中，多模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)屬于直線型超聲電機(jī)的一種。目前，模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)常采用的模態(tài)疊加方式有縱振模態(tài)和彎振模態(tài)疊加、彎振模態(tài)和彎振模態(tài)疊加。這兩種形式的模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)都是利用定子彈性體的兩個(gè)頻率接近的模態(tài)振動(dòng)在驅(qū)動(dòng)足表面形成橢圓運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)壓在驅(qū)動(dòng)足的動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)。為了提高電機(jī)的運(yùn)行效率，大多數(shù)直線型超聲電機(jī)都采用多足驅(qū)動(dòng)方式。這兩種形式的模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，但效率較低，速度低，輸出力小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力矩大、速度快、效率高、響應(yīng)速度快的雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)。
本發(fā)明的雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子。其特點(diǎn)是所述定子由兩個(gè)相同的左右對(duì)稱的壓電振子聯(lián)接而成，每個(gè)壓電振子包括后端蓋、前端蓋、中間塊和壓電陶瓷，其中壓電陶瓷置于中間塊上下兩側(cè)和前端蓋與后端蓋之間，通過(guò)壓緊螺栓壓緊固定。兩個(gè)壓電振子前端蓋對(duì)稱地聯(lián)接成為一體，前端蓋下端部有兩個(gè)左右對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)足；所述動(dòng)子為滑條，在滑條的上表面粘接有摩擦層，與前述兩個(gè)左右對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)足相接觸；定子中間塊上的兩個(gè)安裝孔用于安裝定子及預(yù)壓力裝置，將定子和動(dòng)子連接成一整體構(gòu)成雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)。
上述的雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)的工作模態(tài)，其特征在于，定子兩個(gè)壓電振子做互為反相的縱向振動(dòng)時(shí)，激發(fā)定子的反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，前端蓋上的驅(qū)動(dòng)足做互為反相的上下運(yùn)動(dòng)；定子兩個(gè)壓電振子做同相的縱向振動(dòng)時(shí)，激發(fā)定子的對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，前端蓋上的驅(qū)動(dòng)足合成為對(duì)稱擴(kuò)張收縮運(yùn)動(dòng)。
上述的雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式，其特征在于，用兩個(gè)相位差為π/2的正弦信號(hào)同時(shí)激勵(lì)定子的兩個(gè)壓電振子，激發(fā)定子的兩個(gè)同頻相位差π/2的振動(dòng)模態(tài)，使定子上驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)推動(dòng)動(dòng)子連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。
該直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、輸出力矩大、速度高、效率高。


圖1是雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)名稱11.后端蓋；12.壓緊螺栓；21.中間塊；22.安裝孔31.壓電陶瓷；41.前端蓋；42.驅(qū)動(dòng)足；51.摩擦層；61.滑條。
圖2是雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線超聲電機(jī)定子工作模態(tài)示意圖。其中圖2(a)是定子的反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(一)；圖2(b)是定子的對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(二)。圖2所示的兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)中驅(qū)動(dòng)足在空間相位上相差π/2。
圖3是定子壓電陶瓷片極化及信號(hào)加載示意圖。
圖4是定子驅(qū)動(dòng)足表面的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，
具體實(shí)施例方式一種雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)如圖1所示。其特點(diǎn)定子是由兩個(gè)壓電振子對(duì)稱聯(lián)接而成。每個(gè)壓電振子由中間塊21、前端蓋41、后端蓋11及壓電陶瓷31組合而成，壓電陶瓷分布在中間塊兩側(cè)與前、后端蓋之間，由壓緊螺栓12壓緊，用于激勵(lì)定子產(chǎn)生振動(dòng)。兩個(gè)壓電振子前端蓋聯(lián)接成為一體，其下端部分布有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足42。動(dòng)子由滑條61組成，其上表面粘接有摩擦層51。利用相位差π/2的同頻率正弦信號(hào)同時(shí)激勵(lì)左右兩個(gè)壓電振子來(lái)分別激發(fā)定子的兩個(gè)的振動(dòng)模態(tài)，這兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)的疊加使得驅(qū)動(dòng)足端面上各質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)動(dòng)子連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成直線型超聲電機(jī)。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)相反時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的反方向直線運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)采用縱向壓電振子激發(fā)定子的振動(dòng)模態(tài)，可以使驅(qū)動(dòng)足獲得較大的位移振幅，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)輸出力矩大、速度高、效率高。
一種雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)定子的兩個(gè)工作模態(tài)如圖2所示。圖2(a)的工作模態(tài)其特點(diǎn)定子左右的壓電振子分別做互為反相的縱向伸縮振動(dòng)1，其振動(dòng)節(jié)面均位于中間塊上，并在前端蓋的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足合成為互為反相的上下振動(dòng)2。其中壓電振子做縱向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)足做向下運(yùn)動(dòng)；壓電振子做縱向收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)足做向上運(yùn)動(dòng)。圖2(b)的工作模態(tài)其特點(diǎn)定子左右的壓電振子分別做同相的縱向伸縮振動(dòng)(1)，其振動(dòng)節(jié)面均位于中間塊上并在前端蓋的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足合成為擴(kuò)張收縮運(yùn)動(dòng)(2)。其中壓電振子做縱向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，前端蓋的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足做向外擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)；壓電振子做縱向收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，前端蓋的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足做向內(nèi)收縮運(yùn)動(dòng)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1、由壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)，調(diào)節(jié)彈性體的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)使這兩個(gè)振動(dòng)頻率一致、并且空間相位差π/2。2、以相位差為π/2的兩個(gè)同頻率正弦信號(hào)分別激勵(lì)左右兩個(gè)壓電振子，激發(fā)定子的兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)，在驅(qū)動(dòng)足端面各質(zhì)點(diǎn)形成橢圓軌跡，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子直線運(yùn)動(dòng)。
下面是一個(gè)雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)例子利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)d31激發(fā)出定子的兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)。圖1是該電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由定子、動(dòng)子組成。定子是由兩個(gè)縱向壓電振子聯(lián)接而成。每個(gè)壓電振子由中間塊21、前端蓋41、后端蓋11及壓電陶瓷31組合而成，壓電陶瓷分布在中間塊兩側(cè)與前、后端蓋之間，由壓緊螺栓12壓緊，用于激勵(lì)定子產(chǎn)生振動(dòng)。整個(gè)定子尺寸為81mm×37mm×10mm電機(jī)定子壓電陶瓷片安放見圖3定子有四組壓電陶瓷片，分布于中間塊上下兩側(cè)，每組包含一對(duì)極化方向相反的壓電陶瓷片。四組壓電陶瓷共包含8片壓電陶瓷。壓電陶瓷片箭頭方向(3)表示極化方向。每組壓電陶瓷片的中間安放電極片，用于外接激勵(lì)信號(hào)(1、2)。每組壓電陶瓷片兩側(cè)安放電極片，用于外接信號(hào)地。提供正弦激勵(lì)信號(hào)E＝Usinωt(1)給左邊的兩組壓電陶瓷片，同時(shí)提供余弦激勵(lì)信號(hào)E＝Ucosωt給右邊的兩組壓電陶瓷片，同時(shí)激勵(lì)定子的兩個(gè)同頻相位差π/2的振動(dòng)模態(tài)，這兩個(gè)模態(tài)合成定子前端蓋的驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)。
電機(jī)定子驅(qū)動(dòng)足端面的運(yùn)動(dòng)軌跡分析見圖4電機(jī)定子壓電陶瓷片安放及激勵(lì)見圖3。左右兩路激振信號(hào)的相位差為+90°。1和3為驅(qū)動(dòng)階段，兩個(gè)壓電振子做互為反相的縱向振動(dòng)5，前端蓋上的驅(qū)動(dòng)足推動(dòng)滑條做直線運(yùn)動(dòng)6。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)足水平方向的振速和垂直方向的振動(dòng)位移達(dá)到最大值，如圖4中驅(qū)動(dòng)足橢圓軌跡7所示。2和4為脫離滑條階段，兩個(gè)壓電振子做同相的縱向振動(dòng)，前端蓋上的驅(qū)動(dòng)足脫離滑條，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)足垂直方向的振速和水平方向的振動(dòng)位移達(dá)到最大值。如調(diào)整兩路激勵(lì)信號(hào)相位差為-90°，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，其特征在于，所述定子由兩個(gè)相同的左右對(duì)稱的壓電振子聯(lián)接而成，每個(gè)壓電振子包括后端蓋(11)、前端蓋(41)、中間塊(21)和壓電陶瓷(31)，其中壓電陶瓷(31)置于中間塊(21)上下兩側(cè)和前端蓋(41)與后端蓋(11)之間，通過(guò)壓緊螺栓(12)壓緊固定，兩個(gè)壓電振子前端蓋(41)對(duì)稱地聯(lián)接成為一體，前端蓋(41)下端部有兩個(gè)左右對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)足(42)；所述動(dòng)子為滑條(61)，在滑條(61)的上表面粘接有摩擦層(51)，與前述兩個(gè)左右對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)足(42)相接觸；定子中間塊(21)上的兩個(gè)安裝孔(22)用于安裝定子及預(yù)壓力裝置，將定子和動(dòng)子連接成一整體構(gòu)成雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)的工作模態(tài)，其特征在于，定子兩個(gè)壓電振子做互為反相的縱向振動(dòng)時(shí)，激發(fā)定子的反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，前端蓋上的驅(qū)動(dòng)足做互為反相的上下運(yùn)動(dòng)；定子兩個(gè)壓電振子做同相的縱向振動(dòng)時(shí)，激發(fā)定子的對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，前端蓋上的驅(qū)動(dòng)足合成為對(duì)稱擴(kuò)張收縮運(yùn)動(dòng)。
3.一種如權(quán)利要求1所述的雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式，其特征在于，用兩個(gè)相位差為π/2的正弦信號(hào)同時(shí)激勵(lì)定子的兩個(gè)壓電振子，激發(fā)定子的兩個(gè)同頻相位差π/2的振動(dòng)模態(tài)，使定子上驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)推動(dòng)動(dòng)子連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一種雙驅(qū)動(dòng)足縱振模態(tài)疊加式直線型超聲電機(jī)及工作模態(tài)和電激勵(lì)方式，屬超聲電機(jī)。該電機(jī)的定子由兩個(gè)相同壓電振子對(duì)稱聯(lián)接而成，壓電振子包括后端蓋(11)、前端蓋(41)、中間塊(21)和壓電陶瓷(31)。兩個(gè)壓電振子在有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足(42)的前端蓋上對(duì)稱聯(lián)接成一體。該電機(jī)的動(dòng)子為滑條(61)，在滑條表面上還粘接摩擦層(51)。工作模態(tài)是，定子兩個(gè)壓電振子做互為反相的縱向振動(dòng)時(shí)，激發(fā)定子的反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)；壓電振子做同相的縱向振動(dòng)時(shí)，激發(fā)定子的對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)；采用兩個(gè)相位差為π/2的正弦信號(hào)同時(shí)激勵(lì)定子兩個(gè)壓電振子，激發(fā)定子兩個(gè)同頻相位差π/2的振動(dòng)模態(tài)，使定子上驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)推動(dòng)動(dòng)子連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。該直線超聲電機(jī)可輸出大力矩、高速度、高效率的直線運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02N2/02GK101071995SQ20071002437
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者趙淳生, 李玉寶 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)