[發明專利]一種駐波型直線超聲電機

有效

• 申請號: 201210432964.4
• 申請日: 2012-11-02
• 公開（公告）號: CN102931870A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 姚志遠;周勝利
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

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π/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【200610132316.1】、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π/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π/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。