[發(fā)明專利]運(yùn)動(dòng)疊加式直線型超聲電機(jī)及電激勵(lì)方式

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710020962.3
• 申請(qǐng)日: 2007-04-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101071999A
• 公開(kāi)（公告）日: 2007-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙淳生;李玉寶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/04
• 分類號(hào): H02N2/04;H02N2/06
• 代理公司: 南京蘇高專利事務(wù)所
• 代理人: 闕如生

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)疊加式直線型超聲電機(jī)及電激勵(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，行波型直線超聲電機(jī)屬于直線型超聲電機(jī)的一種。目前，行波型直線超聲電機(jī)采用直梁式或環(huán)梁式結(jié)構(gòu)，環(huán)梁式行波型直線超聲電機(jī)利用粘接在梁上的壓電陶瓷激出環(huán)梁表面的行波來(lái)驅(qū)動(dòng)壓在梁上的動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)。直梁式行波型直線超聲電機(jī)是利用直梁兩端的振子分別激振和吸振形成梁表面的行波來(lái)驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。這兩種結(jié)構(gòu)的行波型直線超聲電機(jī)上的梁體積都比較大，電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子時(shí)必須使整個(gè)梁都產(chǎn)生振動(dòng)，功率消耗大，效率低，采用單面驅(qū)動(dòng)，速度低，力矩小。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于研制一種尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力矩大、速度快、效率高、響應(yīng)速度快的運(yùn)動(dòng)疊加式直線型超聲電機(jī)。

本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)疊加式直線型超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子及壓電陶瓷。其特點(diǎn)是：所述定子包括環(huán)形彈性體和壓電陶瓷片，環(huán)形彈性體上下兩外側(cè)面分別有均勻分布的驅(qū)動(dòng)齒，彈性體內(nèi)部上下面分別粘接有壓電陶瓷，用于激勵(lì)彈性體產(chǎn)生振動(dòng)。動(dòng)子由兩個(gè)滑條組成；利用壓縮彈簧的彈簧力將滑條壓在定子驅(qū)動(dòng)齒面上；利用相位差π/2的同頻率正弦信號(hào)同時(shí)激勵(lì)上下兩層壓電陶瓷來(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)的疊加形成定子表面行波使得驅(qū)動(dòng)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)。其中，下滑條固定，定子下驅(qū)動(dòng)端面驅(qū)動(dòng)其自身作自行式直線運(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)定子的上驅(qū)動(dòng)端面驅(qū)動(dòng)上滑條作相同方向的直線運(yùn)動(dòng)。電機(jī)上滑條的輸出運(yùn)動(dòng)則是這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的疊加。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。

附圖說(shuō)明：

圖1是運(yùn)動(dòng)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：1.下滑條；2.彈性體；3.下滑塊；4.螺栓；5.滑輪6.上滑條；7.上滑塊；8.螺母；9.壓縮彈簧；10.壓電陶瓷片；11.中間塊。

圖2是運(yùn)動(dòng)疊加式直線超聲電機(jī)行波形成原理圖。其中圖2(a)是彈性體的彎曲模態(tài)(一)；圖2(b)是彈性體的彎曲模態(tài)(二)。圖2所示的兩個(gè)彎曲模態(tài)在空間相位上相差π/2。

圖3是壓電陶瓷片極化分區(qū)示意圖，其中圖3(a)為定子上層壓電陶瓷片極化示意圖；

圖3(b)為定子下層壓電陶瓷片極化分區(qū)示意圖。

圖4是定子驅(qū)動(dòng)齒表面的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，其中圖4(a)為定子驅(qū)動(dòng)齒表面質(zhì)點(diǎn)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)示意圖；圖4(b)為電機(jī)輸出左向運(yùn)動(dòng)示意圖；圖4(c)為定子驅(qū)動(dòng)齒表面質(zhì)點(diǎn)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)示意圖；圖4(d)為電機(jī)輸出向右運(yùn)動(dòng)示意圖。

具體實(shí)施方式：

一種運(yùn)動(dòng)疊加式直線型超聲電機(jī)如圖1所示。其特點(diǎn)：定子是帶有均勻分布驅(qū)動(dòng)齒的環(huán)形彈性體2，彈性體內(nèi)部上下兩面粘接有壓電陶瓷片10，用于分別激勵(lì)彈性體的兩個(gè)彎曲模態(tài)。動(dòng)子由下滑塊3和上滑條6組成；下滑塊用中間塊11和螺栓4使其與彈性體及上滑塊保持位置固定，壓縮彈簧9的彈簧力使彈性體的帶驅(qū)動(dòng)齒的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)面分別壓在可動(dòng)的上滑條和固定的下滑條上；由上下兩層壓電陶瓷片來(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)的疊加形成彈性體表面行波使得下驅(qū)動(dòng)端面上各質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)彈性體做直線運(yùn)動(dòng)，彈性體則帶動(dòng)上下滑塊一體運(yùn)動(dòng)；同時(shí)彈性體上驅(qū)動(dòng)端面上各質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)也推動(dòng)上滑條做相同方向的直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成直線超聲電機(jī)。反方向的運(yùn)動(dòng)則由相反的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)激勵(lì)彈性體振動(dòng)模態(tài)而實(shí)現(xiàn)。該電機(jī)采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)面的行波驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下兩種運(yùn)動(dòng)疊加，速度快，效率高。

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)上下兩層壓電陶瓷，激發(fā)彈性體的兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)合成為彈性體上下端面的行波，在驅(qū)動(dòng)齒端面各質(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)運(yùn)動(dòng)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。定子是一個(gè)環(huán)形的金屬?gòu)椥泽w，左右兩端分別為半圓弧形，上下兩端面為直線形，上下兩端平面開(kāi)有齒矩1mm、齒寬2mm、槽深1mm的均勻分布的驅(qū)動(dòng)齒，用于放大驅(qū)動(dòng)齒面的振幅。彈性體內(nèi)部上下兩個(gè)面粘接兩層壓電陶瓷片，分別用于激勵(lì)定子的兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)。整個(gè)定子尺寸為36mm×18mm×8mm。

電機(jī)定子驅(qū)動(dòng)表面的運(yùn)動(dòng)軌跡分析見(jiàn)圖4：

定子上下兩層壓電陶瓷片按圖3(a)、(b)所示分區(qū)。壓電陶瓷片箭頭方向表示極化方向。其中上層壓電陶瓷片為三個(gè)分區(qū)，其長(zhǎng)度比例為3：4：3，用來(lái)激勵(lì)定子的振動(dòng)模態(tài)(一)(見(jiàn)圖2(a))；下層壓電陶瓷片為兩個(gè)分區(qū)，其長(zhǎng)度相等，用來(lái)激勵(lì)定子的振動(dòng)模態(tài)(二)(見(jiàn)圖2(b))。提供正弦激勵(lì)信號(hào)E＝Usinωt給上層壓電陶瓷片的11、12和13三個(gè)面，同時(shí)提供余弦激勵(lì)信號(hào)E＝Ucosωt給下層壓電陶瓷片的21和22兩個(gè)面，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)合成定子的沿順時(shí)針?lè)较虻男胁ā６ㄗ由舷买?qū)動(dòng)齒面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為沿順時(shí)針?lè)较虻臋E圓運(yùn)動(dòng)1(見(jiàn)圖4(a))。如圖4(b)所示定子下驅(qū)動(dòng)齒面驅(qū)動(dòng)定子自身作向右的直線運(yùn)動(dòng)2，同時(shí)定子上驅(qū)動(dòng)齒面驅(qū)動(dòng)上滑條作相對(duì)定子向右的直線運(yùn)動(dòng)3，上滑條的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)則是兩個(gè)向右運(yùn)動(dòng)的疊加；提供余弦激勵(lì)信號(hào)E＝Ucos?ωt給上層壓電陶瓷片的11、12和13三個(gè)面，同時(shí)提供正弦弦激勵(lì)信號(hào)E＝Usin?ωt給下層壓電陶瓷片的21和22兩個(gè)面，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)合成定子的沿逆時(shí)針?lè)较虻男胁ā６ㄗ由舷买?qū)動(dòng)齒面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為沿逆時(shí)針?lè)较虻臋E圓運(yùn)動(dòng)1(見(jiàn)圖4(c))。如圖4(d)定子下驅(qū)動(dòng)齒面驅(qū)動(dòng)定子作向左的直線運(yùn)動(dòng)2，同時(shí)定子上驅(qū)動(dòng)齒面驅(qū)動(dòng)上滑條作相對(duì)于定子的向左的直線運(yùn)動(dòng)3，上滑條的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)則是兩個(gè)向左運(yùn)動(dòng)的疊加。