專利名稱：彎縱復合直線超聲馬達的制作方法
技術領域：
一種彎縱復合直線超聲馬達屬于直線超聲波馬達技術領域。
本發明的特征在于它含有兩個彈性振動體，按順序夾在上述兩個彈性振動體中間的產生彎曲振動用的壓電片組，最中間的產生縱向振動用的壓電片組和二組產生彎曲振動用的壓電片組；其中，產生彎曲振動用的壓電片是沿直徑把壓電片分成極化方向相反的兩部分后再從厚度方向極化的，產生縱向振動的壓電片是沿厚度方向極化的；每組壓電片組中各壓電片間的界面處是極性相同地層疊著并接交流電信號的，而各組壓電片的兩側是共電位的；所述的兩組產生彎曲振動的壓電片都是由水平位置的直徑來分成極化方向相反的兩部分的；所述的兩組產生彎曲振動的壓電片它們用于劃分極化區域的直徑是相互垂直的；所述的振動體是呈圓柱狀的；所述圓柱振動體的端部有一個用以放大振動振幅的凸齒；所述馬達的軸向是設有一個用以擰入固定馬達各部分并提供預緊力的螺釘用的中心孔；所述產生縱向振動的壓電片的中間固定著一個用以與外界部件連接的盤。
試驗證明它達到了預期目的。
1--振動體2--彎曲振動壓電片3--縱向振動壓電片4--彎曲振動壓電片5--振動體6--縱向振動電極片，接信號用7--彎曲振動電極片，接信號用8--彎曲振動電極片，接信號用在圖2中，1是圓柱行彈性振動體，用鋁制成，也可用銅或其他混合材料，3是產生縱向振動的壓電片，4、5分別是上、下二組產生彎曲振動的壓電片，他們都用PZT-8(鋯鈦酸鉛)壓電材料制成，每組共有二片。6是按縱向振動用交流電信號的導電片，7、8分別是接彎曲振動用交流電信號的兩個接不同壓電片組的導電片，9是使各組壓電片兩側或界面處共電位的導電片。
在壓電片上加上交流電信號，通過壓電片的逆壓電效應激起壓電器件的機械振動。縱向振動壓電片產生一階縱向振動，彎曲振動壓電片產生二階彎曲振動，兩種振動的耦合在馬達的末端產生出橢圓運動，見圖4c。馬達整體呈圓柱形，采用中空夾心式結構進行組裝，兩端由兩個不銹鋼的圓柱形振動體構成(兩個圓柱形振動體或鋁制，或銅制，或混合材料)，見圖2中的1和5。兩個振動體夾著三組壓電片(圖3)，其中2和4是用于產生彎曲振動的，最中間的3(可2片或4片)用于產生縱向振動。2和4壓電片組可以分別由4片到8片壓電片組成，每個壓電片的極化方向由直徑分成兩個不同的部分，每個部分沿厚度方向極化，兩部分極化方向相反，安裝時極性相同的部分對在一起。3壓電片組可以由2到4片壓電片組成，沿厚度方向極化。馬達的軸向中空部分由螺釘擰入，螺釘起著固定馬達的各個組成部分及提供預壓力的作用。
2和4壓電片組的振動方向既可以相同，也可以互相垂直。當2和4振動方向相同時，對2，3，4分別通過連線7、6、8輸入信號，馬達可以實現一維的直線移動，輸入信號相位反相時，馬達將進行反向移動；當2和4振動方向互相垂直時，2和3接入信號，可以在平臺上進行X向的直線移動，3和4接入信號時，則可以在平臺上進行Y向的直線移動，這兩個移動方向結合起來可以實現馬達的二維平面移動。
本發明的圓柱振動體端部，做成凸齒形，可以放大振動振幅。凸齒是圓形，可適應兩維運動；凸齒是矩形，更適宜一維運動。
參照前面的說明，我們制作了一些樣機。圖5為我們制作的第一臺樣機在實驗平臺上的行進示意圖。其直徑為11毫米，長度為40毫米。對2和3輸入驅動信號，馬達便開始沿著鋼板的上表面進行直線移動。對3和4輸入驅動信號，馬達同樣沿著上表面實現移動，但方向與圖中所示的相垂直。馬達在平臺上運行平穩，無噪聲。圖6為我們制作的另一種樣機，結構與圖2大體相似，但略有差別。首先是中間采用了4片縱向振動壓電片(圖6的零件3)，彎曲振動壓電片一共使用了8片(圖6的零件2和4)。其次是中間加了一個接地薄圓盤(圖6的零件6)用于把馬達固定到其他物體上，并與其它接地電極片相連。8、9、10是三組接信號用的電極片。下振動體(圖6的零件5)的下部增加了一個矩形凸齒(圖6的零件7)。整個馬達直徑為11毫米，長度為41毫米。可以做一維的往復運動。
在圖3～圖4中，圖3a展示的是上面一組產生彎曲振動用的壓電片，上面是把上、下本來重疊的壓電片展開后的俯視圖，垂直方向的直徑把壓電片分成極化方向相反的兩個極化區，它們都是沿厚度方向極化的，把二個壓電片上、下重疊后，他們的極化方向如下部垂直方向的剖視圖所示。當在二片壓電片的外側連在它們的交界處和外側之間加上交流激勵信號后，在交流信號正半周期間，二片壓電片在左側相斥，即伸長，在右側受壓，使得馬達沿圖4a的振動方向沿X方向做彎曲振動；而在正弦交流負半周則相反；圖3b展示的是中間產生縱向振動的壓電片組，在正弦交流正半周期間，縱向伸長，反之則壓縮；圖3c展示的是下面產生彎曲振動的壓電片組，但彎曲振動沿Y方向。若要是馬達沿X方向運動，則圖3a、圖3c中所使用的兩組壓電片組都應該是使其彎曲振動都是沿X方向的，而且加上在它們上的交流信號是相同相位的；若要使馬達沿X的反方向移動，則必須同時使這兩組上的交流信號的相位反相。無論是使馬達沿著X方向或者反著X方向行進，都必須同時在中間一組壓電片上加上同位相的交流信號。同理，若欲使馬達沿Y方向運動，則圖3a中的壓電片組必須用圖3c的壓電片組來代替。
若在圖3中的三組壓電片上加上同相位的交流信號，則馬達會在X-Y平面中移動，其端部各點的軌跡在X-Z平面上的投影如圖4c所示，呈橢圓形。在圖5中，馬達為圖2的簡圖。2、4分別是上、下兩個有相同的極化區域分布狀況和相同的極化方向的產生彎曲振動的壓電片，3是產生縱向振動的一組壓電片，在上述三組壓電片2、3、4上加上相同相位的交流電信號，就可使馬達在鋼板10上沿水平方向右移。也可使2、4分別采用圖3a和圖3c的壓電片組，則當在2和3兩組壓電片上加上相同的交流信號，使馬達在鋼板10上沿X方向移動；在3和4兩組壓電片上加上相同的交流電信號便可使馬達在鋼板10上沿Y方向移動；在2、3和4三組壓電片上加上相同的交流電信號，則馬達會在鋼板10上做X-Y的平面移動，其末端各點軌跡在X-Z平面上橢圓形。在圖6中，所不同的是中間采用四片PZT-8縱向振動壓電片，彎曲振動壓電片上、下各用4片PZT-5的；中間加了一個接地薄圓盤11，它可把馬達固定在其他物體上，并與其他接地電極片9相連；在下振動體1的下部增加了一個矩形凸齒，起放大振動振幅的作用。凸齒12呈矩形，適合于做一維運動；呈圓形，則適于做二維運動。整個馬達直徑為11毫米，長度為41毫米，可作一維往復運動。
由此可見，它的結構簡單，還能做二維運動。
權利要求
1.一種彎縱復合直線超聲馬達，含有彈性振動體和壓電片，其特征在于它含有兩個彈性振動體，按順序夾在上述兩個彈性振動體中間的產生彎曲振動用的壓電片組，最中間的產生縱向振動用的壓電片組和另一組產生彎曲振動用的壓電片組；其中，產生彎曲振動用的壓電片是沿直徑把壓電片分成極化方向相反的兩部分后再從厚度方向極化的，產生縱向振動的壓電片是沿厚度方向極化的；每組壓電片組中各壓電片間的界面處是極性相同地層疊著并接交流電信號的，而各組壓電片的兩側是共電位的。
2.根據權利要求1所述的彎縱復合直線超聲馬達，其特征在于所述的兩組產生彎曲振動的壓電片都是由水平位置的直徑來分成極化方向相反的兩部分的。
3.根據權利要求1所述的彎縱復合直線超聲馬達，其特征在于所述的兩組產生彎曲振動的壓電片它們用于劃分極化區域的直徑是相互垂直的。
4.根據權利要求1所述的彎縱復合直線超聲馬達，其特征在于所述的振動體是呈圓柱狀的。
5.根據權利要求1或4所述的彎縱復合直線超聲馬達，其特征在于所述圓柱振動體的端部有一個用以放大振動振幅的凸齒。
6.根據權利要求1所述的彎縱復合直線超聲馬達，其特征在于所述馬達的軸向是設有一個用以擰入固定馬達各部分并提供預緊力的螺釘用的中心孔。
7.根據權利要求1所述的彎縱復合直線超聲馬達，其特征在于所述產生縱向振動的壓電片的中間固定著一個用以與外界部件連接的盤。
全文摘要
彎縱復合直線超聲馬達屬于直線超聲波馬達領域,其特征在于它含有;兩個彈性振動體,按順序夾在上述彈性振動體中間的彎曲運動用壓電片組,縱向運動用壓電片組和另一個彎曲運動用壓電片組,彎曲運動用壓電片是沿直徑把壓電片分成極化方向相反的兩部分再從厚度方向極化的;每組壓電片中各壓電片是極性相同地層疊著并接交流電信號的,而各組壓電片的兩側是共電位相連的。兩個彎曲振動用壓電片組的振動方向相同即極化區分布同相位便可在三組壓電片接上交流電信號后馬達做X向或Y向的一維運動,方向依相位而定;若兩者的振動方向相互垂直即極化區的相位相差90°,則當三組壓電片接上交流電信號后馬達在X－Y平面內做二維運動。
文檔編號H02N2/02GK1359188SQ0210361
公開日2002年7月17日 申請日期2002年1月29日 優先權日2002年1月29日
發明者姜開利, 方春江, 周鐵英 申請人:清華大學