一種直線超聲電機的製作方法

2023-06-03 12:04:16

專利名稱：一種直線超聲電機的製作方法
技術領域：
本發明屬於機電技術領域，具體涉及一種彎縱複合模態的直線超聲電機。
背景技術：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過各種伸縮振動模式的轉換與耦合， 將材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或導軌的宏觀運動的一種新型動力設備。超聲電機的工作頻率一般在20kHz以上，這也是稱為超聲電機的一個原因。直線超聲電機是超聲電機的一種，它能直接產生直線運動和直接輸出推力。直線超聲電機具有結構簡單、力或轉矩/質量比大、啟停靈敏、位置解析度高、斷電自鎖、低振動、低噪聲、無電磁幹擾、可以在低溫和真空環境下工作等特點。直線超聲電機有多種分類方法，例如根據將超聲振動變換為沿一定方向的驅動力的方法不同，直線超聲電機可分為行波型和駐波型兩類；根據定子或動子的工作型式不同， 又可分為自行式和非自行式；根據其振動的特定模式不同，可以分為單一振動模式和複合振動模式；根據電機的外形的不同，可以分為杆形、η形等多種形狀。但是，上述這些種類的超聲電機絕大多數由於本身結構和原理的局限，不便於微型化，因此希望能提供一種結構簡單，便於加工，便於微型化的直線超聲電機。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種直線超聲電機，使得結構簡單，便於加工， 便於微型化，滿足用戶需求。為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案如下本發明提供一種直線超聲電機包括底座、導軌、滑塊、壓電振子、定位懸臂、定位支架；所述底座，用於固定導軌和定位支架；所述壓電振子，用於在電壓激勵下產生機械振動；所述導軌，用於支撐和約束滑塊的移動；所述定位支架和定位懸臂相互配合，用於固定壓電振子；所述壓電振子，含有金屬彈性體，所述金屬性彈體開有設定數目個設定形狀的孔， 使得壓電振子的一階縱振和二階彎振的頻率接近和振幅加大，所述壓電振子產生的機械振動驅動所述滑塊作直線運動。其中，所述定位懸臂與定位支架相配合時採用預緊螺釘，所述定位懸臂與預緊螺釘間設有彈簧，通過調整預緊螺釘來調節壓電振子和滑塊之間的預緊力。其中，所述定位懸臂為獨立的懸臂，定位懸臂的一端和定位支架配合，另一端與壓電振子的中間連接以實現壓電振子的定位。其中，所述定位懸臂的左端設有一個圓形或矩形杆狀結構用於在中間支撐壓電振子，支撐部位設有一個環狀橡膠墊和壓電振子的金屬彈性體接觸，在杆狀結構正中設有螺紋孔。其中，所述定位懸臂的右端為矩形結構，當右端和定位支架配合後，定位懸臂和定位支架之間形成移動副，使得壓電振子和滑塊之間的預緊力可調節，同時使金屬彈性體的空間自由度唯一。其中，所述定位懸臂與所述壓電振子組合成一體，定位懸臂的一端和壓電振子中的金屬彈性體成一體結構，另一端和和定位支架配合。其中，所述定位懸臂和壓電振子的金屬彈性體成一體結構時，定位懸臂的左端和金屬彈性體固連，連接處懸臂採用下凹的圓弧方式；定位懸臂的右端定位支架配合形成移動副，使得壓電振子和滑塊之間的預緊力可調節，同時使金屬彈性體的空間自由度唯一。其中，所述定位支架的頂部開有可視槽，所述定位支架的右端設有螺紋孔，調節螺釘從該螺紋孔旋入，以調節壓電振子和滑塊之間的預緊力。其中，所述金屬性彈體開有的孔是條狀方式。其中，所述壓電振子包括1個金屬彈性體和8片壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片通過粘接劑和金屬彈性體粘接。從上述技術方案可以看出，本發明提供的直線超聲電機，與現有直線超聲電機相比，結構簡單，零件數少，便於加工，便於微型化，滿足用戶需求，從而使之在微直線驅動中具有廣闊的應用前景。具體的技術效果包括(1)本發明在壓電振子上的金屬彈性體上開有特定形狀的孔，使得開孔後的壓電振子的一階縱振和二階彎振的頻率更加接近，便於這兩種振動模態的同頻激發，同時使得面內彎縱複合振動的振幅更大，有利於驅動滑塊作直線運動；(2)本發明的壓電振子的定位方式簡單，採用懸臂定位既不影響壓電振子彎縱複合模態的振動，又保證了定位的可靠；(3)本發明的壓電振子與滑塊之間的預緊力可通過預緊螺釘調節以滿足滑塊運動的需要；(4)本發明的定位支架的結構設計，考慮了預緊力調節的需要並使得定位懸臂和彈簧在調節中可視，方便用戶操作。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。圖1是本發明的直線超聲電機的裝配示意圖；圖2是本發明的金屬彈性體結構的一種示意圖；圖3是本發明的金屬彈性體結構的另一種示意圖；圖4-1和4-2是本發明壓電陶瓷片的極化方式和電壓接線方式的示意圖；圖5是本發明的定位懸臂其中一種方式示意圖；圖6是本發明中的壓電振子定位另外一種方式的示意圖；圖7是本發明的金屬彈性體結構的另一種示意圖8是本發明的定位支架示意圖；圖9是本發明定位支架的半剖示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明提供一種直線超聲電機，使得結構簡單，便於加工，便於微型化，滿足用需求。下面結合附圖，詳細介紹本發明技術方案的內容。圖1是本發明的直線超聲電機的裝配示意圖。圖1中各附圖標記的含義如下1為底座，2為導軌，3為定位懸臂，4為滑塊，5為第一壓電陶瓷片，6為第二壓電陶瓷片，7為第三壓電陶瓷片，8為第四壓電陶瓷片，9為第五壓電陶瓷片(圖4中示出)，10為第六壓電陶瓷片(圖4中示出)，11為第七壓電陶瓷片(圖4中示出)，12為第八壓電陶瓷片(圖4中示出)，13為金屬彈性體，14為定位支架。本發明所採用的技術方案如下本發明的直線超聲電機，包括底座1、導軌2、定位懸臂3、滑塊4、壓電陶瓷片5 12、金屬彈性體13、定位支架14、螺釘若干等。其中，底座，用於固定直線導軌和壓電振子的定位支架；壓電振子，在超聲頻率的電壓激勵下產生機械振動；直線導軌，用來支撐和約束滑塊的移動；定位支架和定位懸臂用來固定壓電振子，使之在位置上確定同時又不影響其機械振動的產生，其中定位懸臂與定位支架相配合，定位懸臂與預緊螺釘間設有彈簧，可以通過調整預緊螺釘來調節壓電振子和滑塊之間的預緊力，從而使壓電振子驅動滑塊作直線運動，即壓電振子的振動可以驅動滑塊作直線運動。其中，壓電振子包括1個金屬彈性體和8片壓電陶瓷片，壓電陶瓷片(壓電振子的上下表面共8片)通過粘接劑和金屬彈性體13粘接牢固，其目的是利用壓電陶瓷的d31模式的應變激發金屬彈性體的振動。金屬彈性體13採用磷青銅製作，由於金屬彈性體13的寬厚比較大，不利於面內彎曲振動模態的激發，所以，本發明在金屬彈性體開有若干個均勻分布的設定形狀的孔，例如在其橫行方向開有4個設定形狀的孔，如圖2和圖3所示，孔的數目可以根據需要進行設定。圖2是金屬彈性體結構的一種示意圖；圖3是金屬彈性體結構的另一種示意圖。為不影響壓電陶瓷片和金屬彈性體的粘接效果，這4個孔可以是形成條狀設計方式，即孔的中間形成一條縫。這樣開孔後可以明顯有利於金屬彈性體面內彎曲振動。同時，這樣的設計方式，使壓電振子的一階縱振和二階彎振的頻率更加接近，這有利於壓電振子的一階縱振和二階彎振複合模態的激發(便於這兩種振動模態的同頻激發)，同時使得這兩種複合振動的振幅更大，從而使得壓電振子的驅動足的橢圓運動更為明顯，所述驅動足作橢圓運動通過摩擦力驅動滑塊作直線運動。
本發明壓電振子上的8片壓電陶瓷片的極化方式和粘貼方式如圖4-1和4-2所示。圖4-1和4-2是本發明的壓電陶瓷片的極化方式和電壓接線方式的示意圖，4-1是主視圖，4-2是後視圖。8片壓電陶瓷片相對於金屬彈體對稱布置，壓電片的極化方式如圖所示， 「 + 」表示壓電材料沿Z軸正向極化，「_」表示壓電材料沿Z軸的負向極化。青銅金屬彈體的背面的4片壓電陶瓷片極化方向和前面的4片壓電陶瓷片極化方向成對稱狀態(即相反， 例如振子左上角的前面和背面壓電陶瓷片極化方向相反)。金屬彈性體上用來驅動直線導軌運動的兩個驅動足分散設置在側邊的中部，相對於驅動足在金屬彈性的端部的設計，可以使整個直線電機的結構更為緊湊。壓電陶瓷片表面電壓設置如圖4所示，壓電振子前面的4片壓電陶瓷片中，正向極化的兩片施加正弦電壓作為激勵電壓，反向極化的兩片壓電陶瓷片施加餘弦電壓作為激勵電壓；與此相反，壓電振子背面的4片壓電陶瓷片中，反向極化的兩片壓電陶瓷片也施加正弦電壓作為激勵電壓，正向極化的兩片壓電陶瓷片施加餘弦電壓作為激勵電壓，全部壓電陶瓷片的背面(和金屬彈性體粘接的面)全部接地。這樣，當給壓電振子施加特定頻率的電壓時，將激發壓電振子的二階彎曲振動和一階縱向振動，這兩種振動合成的結果使得壓電振子側面的驅動足頂端形成橢圓運動，滑塊上與驅動足的接觸部位塗有摩擦材料，這樣驅動足利用其和滑塊之間的摩擦力驅動導軌上的滑塊作直線運動。直線超聲電機中，壓電振子的定位非常重要，本發明中採用了兩種方案來實現壓電振子的定位，其效果是既保證了整個壓電振子在直線電機中位置的確定(利於對壓電振子的定位)，同時也利於壓電振子一階縱向振動和二階面子彎曲振動的激發(利於壓電振子面內彎縱複合模態的激發)。對應兩種方案，對於定位懸臂，本發明給出兩種結構，一種是獨立的懸臂，該懸臂一端和定位支架配合，另一端與壓電振子的中間連接以實現壓電振子的定位；另一種是定位懸臂一端和壓電振子中的金屬彈性體做成一體，另一端和前面的結構一樣和定位支架配
I=I O本發明中的壓電振子的定位方案一參見圖1、2、3、5所示。本發明設計了一個定位懸臂3，該懸臂一端和壓電振子的中間連接以實現壓電振子的定位，另一端與定位支架配合，可以調節預緊螺釘來調整壓電振子和導軌上滑塊之間的預緊力。定位懸臂3的形狀如圖5所示，圖5是本發明的定位懸臂其中一種方式示意圖。 定位懸臂3的左端設計了一個圓形或矩形杆狀結構在金屬彈性體的中間支撐壓電振子，支撐部位設有一個環狀橡膠墊和壓電振子的金屬彈性體接觸，杆狀結構正中有螺紋孔，裝上壓電振子後，在壓電振子的另一面通過一個小螺釘擰緊。定位懸臂3的右端設計成矩形結構，當右端和定位支架配合後，定位懸臂和定位支架之間形成移動副，保證了壓電振子不會相對定位支架旋轉，同時使得壓電振子在圖中的水平方向可調節位置，即可調節壓電振子和滑塊之間的預緊力。另外，由於定位懸臂的右端設計成矩形結構，使金屬彈性體的空間自由度只有一個，避免了壓電振子的上下搖晃。本發明的壓電振子的定位方案二如圖6所示。圖6是本發明中的壓電振子定位另外一種方式的示意圖。在該方案中，定位懸臂和壓電振子的金屬彈性體組成了一個整體(參見圖7)，定位懸臂左端和金屬彈性體固連，這個連接處懸臂採用下凹的圓弧設計，以使其不影響金屬彈性體的面內一階縱振和二階彎振，同時又有效地減小應力集中現象；右端和方案一中一樣，和定位支架配合形成移動副。同樣，壓電振子在水平方向可調節位置，也即可調節壓電振子和滑塊之間的預緊力。另外，由於定位懸臂的右端設計成矩形結構，使金屬彈性體的空間自由度只有一個，避免了壓電振子的上下搖晃。本發明的兩種定位方案的定位支架相同，如圖8、9所示。圖8是本發明的定位支架示意圖；圖9是本發明的定位支架的半剖示意圖。定位支架14頂部開有可視槽，便於觀察定位懸臂的位置調節情況。定位支架14的右端設計有螺紋孔，調節螺釘從該孔旋入，以調整定位懸臂的位置並進而調節壓電振子和滑塊支架的預緊力。從上述可以發現，本發明一方面改進了壓電振子的結構，使之面內一階縱振和二階彎振更容易同頻激發，同時使得這兩種複合振動的振幅更大，有利於驅動滑塊作直線運動；另一方面提出了壓電振子的兩個定位方案，這兩種定位方案都既保證了彎縱複合模態的振動，又實現了壓電振子的定位，還有利於壓電振子和滑塊之間預緊力的調整。綜上所述，本發明提供的直線超聲電機，與現有直線超聲電機相比，結構簡單，零件數少，便於加工，成本也低，便於微型化，滿足用戶需求，從而使之在微直線驅動中具有廣闊的應用前景，具體的技術效果包括(1)本發明在壓電振子上的金屬彈性體上開有4個特定形狀的孔，使得開孔後的壓電振子的一階縱振和二階彎振的頻率更加接近，便於這兩種振動模態的同頻激發，同時使得面內彎縱複合振動的振幅更大，有利於驅動滑塊作直線運動；(2)本發明的壓電振子的定位方式簡單，採用懸臂定位既不影響壓電振子彎縱複合模態的振動，又保證了定位的可靠；(3)本發明的壓電振子與滑塊之間的預緊力可通過預緊螺釘調節以滿足滑塊運動的需要；(4)本發明的定位支架的結構設計，考慮了預緊力調節的需要並使得定位懸臂和彈簧在調節中可視。以上對本發明實施例所提供的技術方案，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種直線超聲電機，其特徵在於包括底座、導軌、滑塊、壓電振子、定位懸臂、定位支架；所述底座，用於固定導軌和定位支架；所述壓電振子，用於在電壓激勵下產生機械振動；所述導軌，用於支撐和約束滑塊的移動；所述定位支架和定位懸臂相互配合，用於固定壓電振子；所述壓電振子，含有金屬彈性體，所述金屬性彈體開有設定數目個設定形狀的孔，使得壓電振子的一階縱振和二階彎振的頻率接近和振幅加大，所述壓電振子產生的機械振動驅動所述滑塊作直線運動。
2.根據權利要求1所述的直線超聲電機，其特徵在於所述定位懸臂與定位支架相配合時採用預緊螺釘，所述定位懸臂與預緊螺釘間設有彈簧，通過調整預緊螺釘來調節壓電振子和滑塊之間的預緊力。
3.根據權利要求1所述的直線超聲電機，其特徵在於所述定位懸臂為獨立的懸臂，定位懸臂的一端和定位支架配合，另一端與壓電振子的中間連接以實現壓電振子的定位。
4.根據權利要求3所述的直線超聲電機，其特徵在於所述定位懸臂的左端設有一個圓形或矩形杆狀結構用於在中間支撐壓電振子，支撐部位設有一個環狀橡膠墊和壓電振子的金屬彈性體接觸，在杆狀結構正中設有螺紋孔。
5.根據權利要求4所述的直線超聲電機，其特徵在於所述定位懸臂的右端為矩形結構，當右端和定位支架配合後，定位懸臂和定位支架之間形成移動副，使得壓電振子和滑塊之間的預緊力可調節，同時使金屬彈性體的空間自由度唯一。
6.根據權利要求1所述的直線超聲電機，其特徵在於所述定位懸臂與所述壓電振子組合成一體，定位懸臂的一端和壓電振子中的金屬彈性體成一體結構，另一端和和定位支架配合。
7.根據權利要求6所述的直線超聲電機，其特徵在於所述定位懸臂和壓電振子的金屬彈性體成一體結構時，定位懸臂的左端和金屬彈性體固連，連接處懸臂採用下凹的圓弧方式；定位懸臂的右端定位支架配合形成移動副，使得壓電振子和滑塊之間的預緊力可調節，同時使金屬彈性體的空間自由度唯一。
8.根據權利要求1所述的直線超聲電機，其特徵在於所述定位支架的頂部開有可視槽，所述定位支架的右端設有螺紋孔，調節螺釘從該螺紋孔旋入，以調節壓電振子和滑塊之間的預緊力。
9.根據權利要求1所述的直線超聲電機，其特徵在於 所述金屬性彈體開有的孔是條狀方式。
10.根據權利要求1所述的直線超聲電機，其特徵在於所述壓電振子包括1個金屬彈性體和8片壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片通過粘接劑和金屬彈性體粘接。
全文摘要
本發明公開了一種直線超聲電機。該直線超聲電機包括底座、導軌、滑塊、壓電振子、定位懸臂、定位支架；所述底座，用於固定導軌和定位支架；所述壓電振子，用於在電壓激勵下產生機械振動；所述導軌，用於支撐和約束滑塊的移動；所述定位支架和定位懸臂相互配合，用於固定壓電振子；所述壓電振子，含有金屬彈性體，所述金屬性彈體開有設定數目個設定形狀的孔，使得壓電振子的一階縱振和二階彎振的頻率接近和振幅加大，所述壓電振子產生的機械振動驅動所述滑塊作直線運動。本發明提供的技術方案，使得直線超聲電機結構簡單，便於加工，便於微型化，滿足用戶需求。
文檔編號H02N2/02GK102497130SQ20111043292
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者萬志堅, 胡泓 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院