專利名稱：一種駐波型直線超聲電機的制作方法
技術領域：
本發明公布了一種駐波型直線超聲電機，屬超聲電機技術領域。
背景技術：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動的新型動力輸出裝置。與電磁電機相比，具有結構緊湊、低速大轉矩\推力、響應快(毫秒級)、斷電自鎖、控制精度高、不受電磁干擾以及低噪聲運行等優點，在航空航天、機器人、微型機械、精密儀器儀表、醫療器械、伺服機構等領域擁有廣闊的應用前景。
直線型超聲電機屬于超聲電機的一個分類。對于能夠實現兩個方向運動的直線超聲電機，其一般包括動子和定子，其結構特征在于動子為一直線導軌，定子由行波或兩項駐波振子構成，通過調節頻率一致，使振子兩相振動模態復合振動(運動)，在驅動足處形成空間橢圓運動，與動子接觸摩擦推動動子運動。在定、動子的接觸界面上，定、動子的相互作用表現為切向和法向交變力的共同作用，它們在空間相互垂直，在相位上相差η/2。如上所述，現有的直線超聲電機都是利用一個定子同時提供切向力和法向力，在這種設計中，需要利用定子的復合振動，一般為縱彎，縱扭等。在設計時需考慮同一定子兩種不同振動模態的頻率一致性，從而導致電機的結構設計復雜；又由于兩種振動的節點往往不在同一位置，因此夾持問題很難得到解決，從而導致電機輸出力較小。也就是說，現有的直線超聲電機的結構特征限制了電機輸出力的進一步提高。本項發明，將原定子的兩項振動分別由定子和動子的各一項振動來替代，對定子和動子都只利用一項振動模態，故就單個振子而言，無需考慮模態一致性，且由于利用的都是桿的振動，兩個振子的頻率一致性很容易達到；另外，由于振子上的是單一的駐波，因此存在著明確的節點，使得夾持問題極易解決。因此，結構設計可以更加容易和簡單，且可以加大超聲電機的輸出力。目前國內直線超聲電機的研究發展很快，清華大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業大學等高校先后對直線超聲電機展開了研究。在中國專利網上，從2004年開始陸續刊登了棱柱型縱彎復合振子直線超聲電機200610132316. I、H形駐波直線超聲電機振子200820014739. 8等。近年來，南京航空航天大學研制成功了圓柱結構雙輪足驅動直線超聲電機及電激勵方法200710020963. 8、基于連續變幅桿原理的K形直線超聲電機[200810124426. 2、雙定子彎曲模態直線超聲電機201020022958. 8、基于交變力的直線超聲電機201010558749. X等。這類直線超聲電機都只利用一個同時提供兩項模態振動的定子，目前，尚未見到定子和動子分別利用一項結構振動模態的駐波型直線超聲電機的報道。

發明內容
本發明的目的在于研制一種結構簡單、輸出力大、輸出效率高的駐波型直線超聲電機。本發明為解決上述技術問題提出的技術方案是一種駐波型直線超聲電機，包括定子和動子，所述定子和動子皆為駐波壓電振子，所述定子固定在底座上，而所述動子固定在導軌上，同時所述定動子之間相互作用，驅動動子運動；所述定子由第一壓電陶瓷片和第一金屬彈性體構成，第一金屬彈性體包括驅動足、第一連續變截面部分、第一恒截面部分，所述驅動足位于兩個第一連續變截面部分之間，而第一連續變截面部分外側設置第一恒截面部分；所述第一壓電陶瓷片分別設置在定子的兩個節點附近處的第一恒截面部分的上，而所述定子的節點的另一側面設置有第一夾持部分，同時驅動足與第一夾持部分的方向相反；所述動子由第二壓電陶瓷片和第二金屬彈性體構成，第二金屬彈性體包括驅動面、第二連續變截面部分、第二恒截面部分和第二夾持部分，所述第二恒截面部分的兩端分別設置第二連續變截面部分， 而第二連續變截面部分得外側均設置驅動面，所述第二壓電陶瓷片分別設置在動子的兩個節點附近處的第二恒截面部分的上，而所述動子的節點的另一側面設置有第二夾持部分，同時驅動面與第二夾持部分的方向相反；所述第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片均受同頻、相位相差η/2的電場作用；在預壓力作用下，驅動足和驅動面相互作用而接觸，在作用點上，定子與動子的同頻振動方向相互垂直，相位相差η/2，驅動動子做直線運動。優選的所述定子的個數為一個，所述動子的個數為一個，所述定子的驅動足與動子的其中一個驅動面進行相互作用；所述第一壓電陶瓷片分別粘貼在定子的兩個節點附近處的第一恒截面部分的上，所述第二壓電陶瓷片分別粘貼在動子的兩個節點附近處的第二恒截面部分的上；所述第一壓電陶瓷片施加同一正弦信號，激發振子做二階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生切向交變力，所述第二壓電陶瓷片施加余弦電場，激發其作一階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生法向交變力。優選的所述動子的個數為一個，所述定子的個數為兩個，其中的一個定子的驅動足與所述動子的一個驅動面進行相互作用，而另一個驅動面與另一個定子的驅動足進行相互作用，同時所述任一一個定子同一側的第一壓電陶瓷片為兩個，而同一側的兩個第一壓電陶瓷片之間設置有電極片，且同一側的兩個第一壓電陶瓷片的外側分別設置有前配重塊、后配重塊；對第一壓電陶瓷片施加正弦電場，激發其作二階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生切向交變力，對第二壓電陶瓷片施加余弦電場，激發其作一階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生法向交變力。優選的所述第一夾持部分為柔性結構制作的第一夾持部分，所述第二夾持部分為柔性結構制作的第二夾持部分。優選的所述定子和動子均為桿結構的形式定子和動子，所述第一壓電陶瓷片布置在定子的節點處，所述第二壓電陶瓷片布置在動子的節點處。本發明的一種駐波型直線超聲電機，相比現有技術，具有以下有益效果由于所述定子由第一壓電陶瓷片和第一金屬彈性體構成，第一金屬彈性體包括驅動足、第一連續變截面部分、第一恒截面部分，所述第一夾持部分設置于第一金屬彈性體的節點處，所述動子由第二壓電陶瓷片和第二金屬彈性體構成，第二金屬彈性體包括驅動面、第二連續變截面部分、第二恒截面部分和第二夾持部分，所述第二夾持部分設置于第二金屬彈性體的節點處，因此本發明第一金屬彈性體、第二金屬彈性體構成兩個振子，因而本發明具有以下特點(1)驅動動子運動的切向力和法向力由兩個振子所分別提供；(2)在設計時不需考慮單獨振子的兩項模態一致性問題，只須考慮兩個振子的頻率一致；(3)每個振子都有明確的節點，夾持問題得到解決，且由于兩項振動是解耦的，因此夾持件(指第一夾持部分、第二夾持部分)不會對另一振子的振動產生影響；(4)第一夾持部分、第二夾持部分采用了柔性夾持的設計，使得第一夾持部分、第二夾持部分對該振子振動的影響減小；(5)連續變截面桿采用了向驅動足或驅動面處的漸縮設計，使得它在每個截面上具有相同的聲阻抗且驅動部分的振動被放大；(6)定子、動子在接觸面上受切向和法向兩個交變力的作用，這兩個交變力在空間相互垂直，在相位上相差η/2，動子在它們的共同作用下做直線運動。綜上所述，本發明的設計方案，有助于簡化電機的設計且提高電機的速度、輸出力和運行效率。同時該直線超聲電機結構簡單、輸出力大、速度大、效率高。與傳統直線超聲電機依靠單一定子上的行波或兩項駐波，在驅動足處形成空間橢圓運動進而推動動子的驅動方式不同，本電機把提供驅動足形成空間橢圓運動的力進行解耦，用兩個振子來分別實現接觸平面的切向力和法向力。由于可以分開設計定子和動子，兩項振動的模態頻率一致問題極易得到解決；并且由于每個振子上都是一個單一的駐波，有著明確的節點，使得夾持問題得到解決，從而使直線超聲電機的結構設計更加靈活，容易，輸出力更大。


圖I為本發明的定子和動子結構示意圖，其中圖I (a)本發明的定子結構示意圖，圖I (b)本發明的動子結構示意圖。圖2為實施例I的駐波型直線超聲電機結構、陶瓷極化方向及電激勵方式圖。圖3為實施例2的駐波型直線超聲電機(二)結構、陶瓷極化方向及電激勵方式圖。附圖中標號名稱I.驅動足；2.第一變截面部分；3.第一恒截面部分；4.第一壓電陶瓷片；5.第一夾持部分；6.驅動面；7.第二變截面部分；8.第二恒截面部分；9.第二壓電陶瓷片；10.第二夾持部分；11.前配重塊；12.后配重塊；13.電極片；14.預緊螺栓。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發明一個優選實施例的結構示意圖，以下將結合附圖詳細地說明本發明的技術方案。實施例I
本實施例的一種駐波型直線超聲電機如圖1、2所示，包括定子和動子，所述定子和動子皆為駐波壓電振子，所述定子的個數為一個，所述動子的個數為一個，所述定子的驅動足與動子的其中一個驅動面進行相互作用，所述定子固定在底座上，而所述動子固定在導軌上，同時所述定動子之間相互作用，驅動動子運動；所述定子由第一壓電陶瓷片和第一金屬彈性體構成，第一金屬彈性體包括驅動足、第一連續變截面部分、第一恒截面部分，所述驅動足位于兩個第一連續變截面部分之間，而第一連續變截面部分外側設置第一恒截面部分；所述第一壓電陶瓷片分別粘貼在定子的兩個節點附近處的第一恒截面部分的上，而所述定子的節點的另一側面設置有第一夾持部分，同時驅動足與第一夾持部分的方向相反；所述動子由第二壓電陶瓷片和第二金屬彈性體構成，第二金屬彈性體包括驅動面、第二連續變截面部分、第二恒截面部分和第二夾持部分，所述第二恒截面部分的兩端分別設置第二連續變截面部分，而第二連續變截面部分得外側均設置驅動面，所述第二壓電陶瓷片分別粘貼在動子的兩個節點附近處的第二恒截面部分的上，而所述動子的節點的另一側面設置有第二夾持部分，同時驅動面與第二夾持部分的方向相反；所述第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片均受同頻、相位相差η/2的電場作用；在預壓力作用下，驅動足和驅動面相互作用而接觸，在作用點上，定子與動子的同頻兩項振動其振動方向相互垂直，相位相差η/2，驅動動子做直線運動。所述第一壓電陶瓷片施加同一正弦信號，激發振子做二階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生切向交變力，所述第二壓電陶瓷片施加余弦電場，激發其作一階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生法向交變力
所述第一夾持部分為柔性結構制作的第一夾持部分，所述第二夾持部分為柔性結構制作的第二夾持部分。所述定子和動子均為桿結構的形式定子和動子，所述第一壓電陶瓷片布置在定子的節點處。 本實施例的定子利用的是壓電陶瓷的J31效應，第一壓電陶瓷片采用貼片的方式，粘貼在節點附近的第一恒截面部分上，驅動足兩側的壓電陶瓷片的極化方向相反，而同一側兩面的第一壓電陶瓷片的極化方向亦相反。第一恒截面部分與驅動足之間是連續變截面部分，由第一恒截面部分往驅動足部分采用漸縮的設計，增大驅動足處振幅。第一夾持件(第一夾持部分)位于節點處，并采用柔性夾持的方式，進一步降低夾持對振動的影響。對定子上第一壓電陶瓷片施加同一正弦信號，激發振子做二階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生切向交變力。動子利用的也是壓電陶瓷的J31效應，第二壓電陶瓷片也是采用貼片的方式固定在第二恒截面部分上，兩側的第二壓電陶瓷片極化方向相反。第二夾持件(第二夾持部分)位于節點處，端面作為驅動面，該振子有兩個驅動面。對動子上第二壓電陶瓷片加余弦電場，激發其作一階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生法向交變力。這兩個交變力在空間上垂直，在相位上相差π /2，驅動動子作直線運動。實施例2
本實施例與實施例I的區別在于如圖3所示，所述動子的個數為一個，所述定子的個數為兩個，其中的一個定子的驅動足與所述動子的一個驅動面進行相互作用，而另一個驅動面與另一個定子的驅動足進行相互作用，同時所述任一一個定子同一側的第一壓電陶瓷片為兩個，而同一側的兩個第一壓電陶瓷片之間設置有電極片，且同一側的兩個第一壓電陶瓷片的外側分別設置有前配重塊、后配重塊，所述定子還設置有預緊螺栓；對第一壓電陶瓷片施加正弦電場，激發其作二階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生切向交變力，對第二壓電陶瓷片施加余弦電場，激發其作一階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生法向交變力。本實施例的定子和動子所采用的陣子可互換，定子利用壓電陶瓷的J33效應，采用夾心的方式固定定子同一側的每兩片第一壓電陶瓷片構成一組，中間夾一個電極片，電極片兩邊第一壓電陶瓷片的極化方向相反。每個第一夾持件(第一夾持部分)兩側各放一組第一壓電陶瓷片和電極片，整個定子放置兩組共四片第一壓電陶瓷片。對定子上第一壓電陶瓷片施加正弦電場，激發其作二階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生切向交變力。對動子上第二壓電陶瓷片施加余弦電場，激發其作一階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生法向交變力。這兩個力在空間上垂直，在相位上相差η/2，驅動動子作直線運動，由于利用了兩個定子，該電機的輸出力將會更大。本發明的結構設計原則1.由壓電陶瓷片的逆壓電效應激發定子和動子的振動模態。2.定子和動子的振動頻率一致；3.在相互接觸的作用點上，定子與動子的兩項振動的振動方向相互垂直，相位相差n/2;4.減少夾持對定子和動子振動的影響；5.增大定子和動子在峰谷處的振幅.
綜上所述由于定動子的振動是完全解耦的，都是振動模態單一的駐波振子，頻率一致性問題和夾持問題極易解決，因此其設計非常靈活，其原理為所述定子和動子皆為駐波振子，僅依靠于其被固定位置來進行區分被固定在固定底座上的駐波振子稱為定子，被固定在滑動導軌上的駐波振子則稱為動子。所述定子和動子共同特征在于由壓電陶瓷片和金屬彈性體構成，金屬彈性體又可細分為驅動部分、連續變截面部分、恒截面部分和夾持部分等。定子和動子都有明確的節點和峰谷處。節點被作為支持點，用于固定定子和動子；峰谷處則被作為驅動足和驅動面，由定子和動子各居其一。壓電陶瓷被布置在定子和動子的節點處，受同頻、相位相差η/2的電場作用。在預壓力作用下，定子和動子在各自的驅動部分相互接觸，在作用點上，定子與動子的同頻兩項振動其振動方向相互垂直，相位相差η/2，驅動動子做直線運動。
上面結合附圖所描述的本發明優選具體實施例僅用于說明本發明的實施方式，而不是作為對前述發明目的和所附權利要求內容和范圍的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明技術和權利保護范疇。
權利要求
1.一種駐波型直線超聲電機，包括定子和動子，其特征在于所述定子和動子皆為駐波壓電振子，所述定子固定在底座上，而所述動子固定在導軌上，同時所述定動子之間相互作用，驅動動子運動；所述定子由第一壓電陶瓷片和第一金屬彈性體構成，第一金屬彈性體包括驅動足、第一連續變截面部分、第一恒截面部分，所述驅動足位于兩個第一連續變截面部分之間，而第一連續變截面部分外側設置第一恒截面部分；所述第一壓電陶瓷片分別設置在定子的兩個節點附近處的第一恒截面部分的上，而所述定子的節點的另一側面設置有第一夾持部分，同時驅動足與第一夾持部分的方向相反；所述動子由第二壓電陶瓷片和第二金屬彈性體構成，第二金屬彈性體包括驅動面、第二連續變截面部分、第二恒截面部分和第二夾持部分，所述第二恒截面部分的兩端分別設置第二連續變截面部分，而第二連續變截面部分得外側均設置驅動面，所述第二壓電陶瓷片分別設置在動子的兩個節點附近處的第二恒截面部分的上，而所述動子的節點的另一側面設置有第二夾持部分，同時驅動面與第二夾持部分的方向相反；所述第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片均受同頻、相位相差H/2的電場作用；在預壓力作用下，驅動足和驅動面相互作用而接觸，在作用點上，定子與動子的同頻振動方向相互垂直，相位相差η /2，驅動動子做直線運動。
2.根據權利要求I所述駐波型直線超聲電機，其特征在于所述定子的個數為一個，所述動子的個數為一個，所述定子的驅動足與動子的其中一個驅動面進行相互作用；所述第一壓電陶瓷片分別粘貼在定子的兩個節點附近處的第一恒截面部分的上，所述第二壓電陶瓷片分別粘貼在動子的兩個節點附近處的第二恒截面部分的上；所述第一壓電陶瓷片施加同一正弦信號，激發振子做二階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生切向交變力，所述第二壓電陶瓷片施加余弦電場，激發其作一階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生法向交變力。
3.根據權利要求I所述駐波型直線超聲電機，其特征在于所述動子的個數為一個，所述定子的個數為兩個，其中的一個定子的驅動足與所述動子的一個驅動面進行相互作用，而另一個驅動面與另一個定子的驅動足進行相互作用，同時所述任一一個定子同一側的第一壓電陶瓷片為兩個，而同一側的兩個第一壓電陶瓷片之間設置有電極片，且同一側的兩個第一壓電陶瓷片的外側分別設置有前配重塊、后配重塊；對第一壓電陶瓷片施加正弦電場，激發其作二階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生切向交變力，對第二壓電陶瓷片施加余弦電場，激發其作一階縱振，在驅動足與驅動面接觸處產生法向交變力。
4.根據權利要求2或3所述駐波型直線超聲電機，其特征在于所述第一夾持部分為柔性結構制作的第一夾持部分，所述第二夾持部分為柔性結構制作的第二夾持部分。
5.根據權利要求I或2或3所述駐波型直線超聲電機，其特征在于所述定子和動子均為桿結構的形式定子和動子，所述第一壓電陶瓷片布置在定子的節點處，所述第二壓電陶瓷片布置在動子的節點處。
全文摘要
本發明涉及一種駐波型直線超聲電機，屬于超聲電機技術領域。包括定子和動子，所述定子和動子皆為駐波壓電振子，所述定子固定在底座上，而所述動子固定在導軌上，同時所述定動子之間相互作用，驅動動子運動。本發明不僅結構簡單、輸出力大，而且輸出效率高。
文檔編號H02N2/02GK102931870SQ20121043296
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月2日 優先權日2012年11月2日
發明者姚志遠, 周勝利 申請人:南京航空航天大學