帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機的製作方法

2023-10-25 17:03:57 1

專利名稱：帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種直線超聲電機，屬於壓電超聲電機技術領域。
背景技術：
超聲電機是一種利用超聲振動能量，並通過摩擦作用來產生驅動力的電機。它具有低速大轉矩(推力)、無需變速機構、無電磁幹擾、響應速度快和斷電自鎖等優點，作為一種壓電驅動器有著十分廣泛的應用。2001年日本「應用物理」雜誌(Jpn.J.Appl.Phys)第40期p3773～3776頁、名稱為「A High Power Ultrasonic Motor Using a Longitudinal and BendingHybrid Bolt-Clamped Langevin Type Transducer」(一種使用螺栓緊固夾心式縱彎複合換能器的大功率超聲電機)提出一種直線超聲電機，由於兩組彎振陶瓷片位於二階彎振的兩個波腹處，因此在該波腹處無法安裝驅動足，只能將驅動足安裝在遠離波腹的端蓋端部，這樣將造成兩驅動足的彎振位移分量與平臺面的夾角為互補的兩個傾角，使兩個驅動足一個產生驅動力，一個產生制動力，從而導致直線超聲電機效率低下(最高效率為22％)、噪聲大、磨損嚴重；其次，簡併縱彎諧振頻率只能通過調整換能器的截面半徑尺寸來實現，因此該類型直線超聲電機只能在特定半徑的換能器中實現，不能形成產品系列化。

發明內容
本發明的目的是提供一種帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，它可解決現有的夾心式縱彎複合直線超聲電機存在電機效率低下、噪聲大、磨損嚴重、不能形成產品系列化的問題。本發明包括夾心換能器和驅動足；所述夾心換能器由調頻變幅杆、端蓋、螺柱、法蘭、壓電陶瓷片組、薄銅片組成；所述螺柱上的中間位置設置有法蘭，法蘭左側的螺柱上和法蘭右側的螺柱上分別裝有壓電陶瓷片組，壓電陶瓷片組的各壓電陶瓷片之間及壓電陶瓷片組與端蓋之間分別裝有作為電極的薄銅片，壓電陶瓷片組和薄銅片通過螺柱與端蓋的大端緊固成一體，端蓋的小端通過驅動足與調頻變幅杆的大端固接，所述驅動足位於彎振振型波腹處，所述壓電陶瓷片組由兩片縱振壓電陶瓷片和兩片彎振壓電陶瓷片組成；兩片彎振壓電陶瓷片位於彎振振型波腹處，兩片縱振壓電陶瓷片與法蘭相鄰，每片彎振壓電陶瓷片對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片和下半片彎振壓電陶瓷片，每片彎振壓電陶瓷片的上半片彎振壓電陶瓷片和下半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰兩片上半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰兩片下半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片的極化方向相反，所述調頻變幅杆的長度L為1/2縱振波長。
本發明具有以下有益效果本發明利用壓電陶瓷片組的縱向振動在夾心換能器中激出縱向振動和彎曲振動，二者疊加在驅動足部位產生橢圓振動軌跡和推力，實現電機的往復直線運動。夾心換能器兩端的調頻變幅杆的縱振諧振頻率與現有縱彎換能器未加調頻變幅杆時的縱振諧振頻率相同，加上調頻變幅杆後，直線超聲電機的縱振諧振頻率不變，調整調頻變幅杆的外形尺寸參數大端面積、大小端面積之比(即變幅比)和矩形截面長短邊之比，在不改變直線超聲電機縱振諧振頻率的同時調整直線超聲電機彎振諧振頻率，實現縱彎頻率簡併。驅動足驅動端的彎振位移分量垂直於導軌，與縱振疊加為兩個均產生驅動力的橢圓驅動軌跡，且在該處是端蓋中的縱振速度最大處。端蓋採用變截面設計，可減小振動能量在原來採用圓柱形端蓋中的損耗，起到聚集振動能量的作用，從而提高了驅動足部位的振幅和振速，使直線超聲電機效率最高可達38％，因此本發明具有效率高、噪聲小、磨損輕、可系列化生產的優點。


圖1是本發明整體結構外形圖，圖2是圖1的縱剖圖，圖3是縱振壓電陶瓷片8和彎振壓電陶瓷片9的極化方向示意圖，圖4是本發明的直線超聲電機在一個完整振動周期內的振型變化及驅動原理示意圖，圖5是本發明的直線超聲電機應用到實驗平臺上的結構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1～圖3說明本實施方式，本實施方式由夾心換能器和驅動足7組成；所述夾心換能器由調頻變幅杆1、端蓋2、螺柱3、法蘭4、壓電陶瓷片組5、薄銅片6組成；所述螺柱3上的中間位置設置有法蘭4，法蘭4左側的螺柱3上和法蘭4右側的螺柱3上分別裝有壓電陶瓷片組5，壓電陶瓷片組5的各壓電陶瓷片之間及壓電陶瓷片組5與端蓋2之間分別裝有作為電極的薄銅片6，壓電陶瓷片組5和薄銅片6通過螺柱3與端蓋2的大端緊固成一體，端蓋2的小端通過驅動足7與調頻變幅杆1的大端固接，所述驅動足7位於彎振振型波腹處，所述壓電陶瓷片組5由兩片縱振壓電陶瓷片8和兩片彎振壓電陶瓷片9組成；兩片彎振壓電陶瓷片9位於彎振振型波腹處，兩片縱振壓電陶瓷片8與法蘭4相鄰，每片彎振壓電陶瓷片9對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片10和下半片彎振壓電陶瓷片11，每片彎振壓電陶瓷片9的上半片彎振壓電陶瓷片10和下半片彎振壓電陶瓷片11的極化方向相反，相鄰兩片上半片彎振壓電陶瓷片10的極化方向相反，相鄰兩片下半片彎振壓電陶瓷片11的極化方向相反，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片8的極化方向相反，壓電陶瓷片組5的各壓電陶瓷片沿厚度方向極化，用「+」「-」表示電疇即極化方向，所述調頻變幅杆1的長度L為1/2縱振波長，所述調頻變幅杆1的橫截面為矩形，螺柱3和法蘭4採用一整塊金屬材料加工而成，調頻變幅杆1、端蓋2和驅動足7採用一整塊金屬材料切割加工而成，可簡化加工裝配工藝，減少能量損耗。其它組成及連接關係與具體實施方式
一相同。
工作原理在A電極(參見圖2)施加縱向諧振頻率電壓，每對反向極化的縱振壓電陶瓷片同步膨脹或收縮，激發縱向振動；在B電極施加彎曲諧振頻率電壓，上側一對彎振壓電陶瓷片膨脹時，下側一對彎振壓電陶瓷片收縮，反之亦然，激發彎曲振動。在一個振動周期內，縱彎兩路電壓激振信號的相位差為+90°，I和III為驅動階段(參見圖4)，位於調頻變幅杆1和端蓋2之間的驅動足7推動軌道使直線超聲電機移動，此時，縱振振速和彎振位移達到最大值；II和IV為懸浮階段，直線超聲電機由於慣性懸浮在軌道上，此時，彎振振速和縱振位移達到最大值。如調整兩路激勵信號相位差為-90°，可實現直線超聲電機的反向運動。
具體實施方式
二結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的法蘭4的前側面和後側面上位於縱彎振節點重合處各鑽有一個小圓錐孔12。作為直線超聲電機預緊力機構的夾持點，用來施加預緊力產生驅動摩擦力。選擇在此位置處鑽兩個小圓錐孔12，可防止諧振頻率漂移和振動形態畸變，減少能量損耗。其它組成及連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式還增加有硬質陶瓷摩擦片13；所述硬質陶瓷摩擦片13與驅動足7的下端面粘接。如此設置，可防止驅動足7磨損，延長驅動足7的使用壽命。
具體實施方式
四結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
三的不同點是本實施方式的硬質陶瓷摩擦片13的材料是ZrO2、Si3N4、SiC或Al2O3。採用上述材料的摩擦係數穩定性順序是ZrO2＞Si3N4＞SiC＞Al2O3；耐磨損性ZrO2的耐磨損性最強，其次是Si3N4和SiC，最差是Al2O3；價格ZrO2最高，其次是Si3N4和SiC，Al2O3最便宜，在直線超聲電機性能要求不高的前提下，選擇Al2O3性價比較高。
具體實施方式
五結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式還增加有薄壁絕緣套14；所述薄壁絕緣套14分別裝在法蘭4左側的螺柱3與壓電陶瓷片組5和薄銅片6之間及法蘭4右側的螺柱3與壓電陶瓷片組5和薄銅片6之間。如此設置，可防止壓電陶瓷片組5、薄銅片6與螺柱3連電。
具體實施方式
六結合圖5說明本實施方式，本實施方式是一個將本發明的直線超聲電機應用到實驗平臺上的一個實施例，所述實驗平臺的導軌底座106經由兩個支板107支撐導軌102，兩個夾持塊103上的錐形頂尖頂在法蘭4的小圓錐孔12內，這樣可以最小程度影響直線超聲電機101的固有諧振頻率；輪軸108沿導軌102的下平面滾動，輪軸108上的兩端裝有軸承座109和滾動軸承110，螺栓111固連於軸承座109上並穿過夾持塊103上的圓孔，螺栓111通過螺母112和預緊彈簧113壓緊直線超聲電機101於導軌102上，並可調節預緊力的大小；機械載荷通過滑輪加載機構104的細線114吊加砝碼實現，光電碼盤支架115固定在軸承座109上，輪軸108和光電碼盤105通過聯軸器116聯接，直線超聲電機101工作時帶動導軌102下方的輪軸108滾動，通過光電碼盤105測量輪軸108的轉速，進而可推算出直線超聲電機101的直線速度。實驗中測得直線超聲電機101的最高速度能夠達到1000mm/s以上，能夠產生50N以上的輸出推力，具有很好的速度穩定性。
權利要求
1.一種帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，它包括夾心換能器和驅動足(7)；其特徵在於所述夾心換能器由調頻變幅杆(1)、端蓋(2)、螺柱(3)、法蘭(4)、壓電陶瓷片組(5)、薄銅片(6)組成；所述螺柱(3)上的中間位置設置有法蘭(4)，法蘭(4)左側的螺柱(3)上和法蘭(4)右側的螺柱(3)上分別裝有壓電陶瓷片組(5)，壓電陶瓷片組(5)的各壓電陶瓷片之間及壓電陶瓷片組(5)與端蓋(2)之間分別裝有作為電極的薄銅片(6)，壓電陶瓷片組(5)和薄銅片(6)通過螺柱(3)與端蓋(2)的大端緊固成一體，端蓋(2)的小端通過驅動足(7)與調頻變幅杆(1)的大端固接，所述驅動足(7)位於彎振振型波腹處，所述壓電陶瓷片組(5)由兩片縱振壓電陶瓷片(8)和兩片彎振壓電陶瓷片(9)組成；兩片彎振壓電陶瓷片(9)位於彎振振型波腹處，兩片縱振壓電陶瓷片(8)與法蘭(4)相鄰，每片彎振壓電陶瓷片(9)對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片(10)和下半片彎振壓電陶瓷片(11)，每片彎振壓電陶瓷片(9)的上半片彎振壓電陶瓷片(10)和下半片彎振壓電陶瓷片(11)的極化方向相反，相鄰兩片上半片彎振壓電陶瓷片(10)的極化方向相反，相鄰兩片下半片彎振壓電陶瓷片(11)的極化方向相反，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片(8)的極化方向相反，所述調頻變幅杆(1)的長度L為1/2縱振波長。
2.根據權利要求1所述的帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，其特徵在於所述法蘭(4)的前側面和後側面上位於縱彎振節點重合處各鑽有一個小圓錐孔(12)。
3.根據權利要求1所述的帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，其特徵在於所述調頻變幅杆(1)的橫截面為矩形。
4.根據權利要求1或3所述的帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，其特徵在於所述調頻變幅杆(1)、端蓋(2)和驅動足(7)採用一整塊金屬材料切割加工而成。
5.根據權利要求1所述的帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，其特徵在於所述螺柱(3)和法蘭(4)由一整塊金屬材料加工而成。
6.根據權利要求1所述的帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，其特徵在於它還包括硬質陶瓷摩擦片(13)；所述硬質陶瓷摩擦片(13)與驅動足(7)的下端面粘接。
7.根據權利要求6所述的帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，其特徵在於所述硬質陶瓷摩擦片(13)的材料是ZrO2、Si3N4、SiC或Al2O3。
8.根據權利要求1所述的帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，其特徵在於它還增加有薄壁絕緣套(14)；所述薄壁絕緣套(14)分別裝在法蘭(4)左側的螺柱(3)與壓電陶瓷片組(5)和薄銅片(6)之間及法蘭(4)右側的螺柱(3)與壓電陶瓷片組(5)和薄銅片(6)之間。
全文摘要
帶調頻變幅杆的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，它涉及一種直線超聲電機。針對現有的夾心式縱彎複合直線超聲電機存在電機效率低下、噪聲大、磨損嚴重的問題。本發明的螺柱(3)上裝有縱彎振壓電陶瓷片和薄銅片(6)並通過螺柱(3)與端蓋(2)的大端固接，端蓋(2)的小端通過驅動足(7)與調頻變幅杆(1)的大端固接，驅動足(7)和彎振壓電陶瓷片(9)分別位於彎振振型波腹處，每片彎振壓電陶瓷片(9)對稱切分成上、下兩個極化方向相反的半片彎振壓電陶瓷片，相鄰兩個半片彎振壓電陶瓷片的極化方向、兩片縱振壓電陶瓷片(8)的極化方向均相反，變幅杆(1)的長度L為1/2縱振波長。本發明具有效率高、噪聲小、磨損輕的優點。
文檔編號H02N2/04GK101022256SQ200710071908
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月20日 優先權日2007年3月20日
發明者陳維山, 石勝君, 劉軍考, 謝濤 申請人:哈爾濱工業大學