专利名称：环形驻波直线超声电机振子的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种超声频压电驱动元件，特别涉及一种环形驻波直线超声电机振子。
背景技术：
超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，使振子产生超声频振动，并通过振子、动子间的摩擦效应驱动动子的新型电机。与传统的电磁电机相比，它具有结构简单、灵活、运动形式多样、低速大扭矩、不受磁场影响、断电自锁、惯性小、响应快、控制特性好、无需减速装置等特性。按照超声电机利用振动波型的不同，可以将超声电机分为行波型超声电机和驻波型超声电机。
直线超声电机在小型、精密的直线运动装置的驱动和控制方面有着广阔的应用前景，是近年来国内外研究的热点之一，而驻波型直线超声电机的研究已经成为热点之中的热点。
超声电机振子是超声电机的核心部件，目前研制、开发出来的驻波型直线超声电机振子，为实现动子的双向交替运动，或采用激发出振子体内单一模态的两种不同阶振型，分别实现动子的双向运动，或采用激发出振子体内两种不同类模态进行复合，实现动子的双向运动。图9所示为利用两种不同阶振型的单一模态分别工作实现动子双向运动的驻波型直线超声电机，它由矩形板13、压电陶瓷片14构成，在矩形板13上有振子齿15，振子齿15与动子12相接触。它利用矩形梁的两种弯曲模态来驱动动子12作双向运动，如图10所示的(5，0)弯曲模态和图11所示的(6，0)弯曲模态，它的工作原理是，分别利用(5，0)和(6，0)模态实现动子12的正向和反向运动。这种驻波型直线超声电机振子的缺点是，由于两模态的工作频率不同，因而驱动电路比较复杂，制造成本高。
图12是一种纵-弯复合模态型的驻波型直线超声电机，它由金属弹性体和压电陶瓷环构成超声电机振子，超声电机振子安装在导轨内。它是通过激发振子横向弯曲模态和纵向伸缩模态，复合产生振子两侧驱动点的椭圆运动，像划桨一样，驱动振子运动，如图15所示，横向弯曲模态如图13所示，纵向伸缩模态如图14所示，当两相驱动电压相位差由90°切换为-90°时，便可实现振子反向移动。
图16也是一种复合模态型的驻波型直线超声波电机，它由金属弹性体20、弯振压电陶瓷环17、纵振压电陶瓷环21及驱动脚18等构成，并用压紧螺栓19和预紧螺母16固定在一起，动子22与驱动脚18相接触。它是依靠振子的1阶纵振和2阶弯振，合成驱动脚18顶端的椭圆运动，通过摩擦推动动子22前进。如图17所示，纵振主要产生水平方向的位移，用于产生动子22的直线驱动力；弯振主要产生垂直方向的位移，使驱动脚18与动子22产生间歇的接触与脱离。驱动脚18与动子22的接触顺序如图17所示。
上述两种复合模态型的驻波型直线超声波电机振子的共同缺点是，结构复杂，两种模态工作频率不易一致，不便于设计，制造成本高。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是，克服现有驻波型直线超声电机振子不同阶或不同类的两模态工作、结构复杂、不便于设计、制造成本高的问题，提供一种利用同一阶振型、同一频率实现动子双向运动、结构简单、易于设计、制造成本低的环形驻波直线超声电机振子。
本实用新型由金属弹性体和压电陶瓷片构成，在金属弹性体上有若干个振子齿，其特殊之处是，所述的金属弹性体是由直梁段和圆弧段封闭而成的方环形或长环形，利用环形振子同阶同频或近似同频的两个面内弯曲振动模态工作。
所述的压电陶瓷片分为两组，分别与驱动电路相连接。
所述的压电陶瓷片粘贴在方环形或长环形金属弹性体的内侧。
所述的振子齿设置在金属弹性体每个直梁段的外侧。
在金属弹性体的直梁段或圆弧段两侧还分别有固定翼，以便于对其加以固定。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点1、利用同一阶振型、同一频率工作，因而驱动电路简单，制造成本较低。
2、利用同一阶振型、同一频率实现双向驱动，结构简单，易于设计。
3、结构对称，工作面多，使用寿命长。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是图1的左视图；图3、图5是本实用新型其他实施方案的结构示意图；图4是图3的左视图；图6是图5的左视图；图7、图8是本实用新型双接触面直线超声电机振子的工作原理图；图9是现有技术中矩形驻波型直线超声电机的示意图；图10是现有技术中矩形驻波型直线超声电机的(5，0)弯曲模态示意图；图11是现有技术中矩形驻波型直线超声电机的(6，0)弯曲模态示意图；图12是现有技术中纵-弯复合模态型的驻波型直线超声电机的示意图；图13是纵-弯模态复合型直线超声电机的横向弯曲模态示意图；图14是纵-弯模态复合型直线超声电机的纵向伸缩模态示意图；图15是纵-弯模态复合型直线超声电机的工作原理图；图16是现有技术中复合模态型的驻波型直线超声波电机的结构示意图；图17是复合模态型的驻波型直线超声波电机的工作原理图。
具体实施方式
实施例1如图1和图2所示，本实用新型由金属弹性体1和压电陶瓷片3、4、5、6构成，在金属弹性体1上有若干个振子齿2，所述的金属弹性体1是由四个直梁段和四个圆弧段封闭而成的方环形，其直梁段用圆弧过渡连接，利用环形振子同阶同频或近似同频的两个面内弯曲振动模态工作；所述的压电陶瓷片3、4、5、6为4片或者4的倍数，压电陶瓷片3、4、5、6粘贴在方环形金属弹性体1的直梁段内侧，压电陶瓷片3、4、5、6分为两组，压电陶瓷片3、5为一组，压电陶瓷片4、6为一组，分别与驱动电路相连接，使超声电机振子做驻波型微米级超声频振动，驱动电路的电压频率为20kHz-100kHz，为现有常用驱动电路；所述的振子齿2设置在金属弹性体1每个直梁段的外侧，每个直梁段设置两个；本实施例在金属弹性体1上未设置固定装置，适用于振子不固定，振子沿着导轨运动的自行式超声电机。
本实施例环形驻波直线超声电机振子的振动为面内弯曲振动，其工作原理如图7、图8所示，为便于分析，取出振子环的直梁段部分，假设导轨固定，振子本身移动，图7和图8是环形振子同阶振型的两个模态，在图7中，振子齿在波腹的右侧，齿端位移如图7所示，上梁振子齿2对导轨施与右斜向上的力，下梁振子齿2对导轨施与右斜向下的力，导轨对振子的反作用力推动振子左移；同理，在图8中，振子齿在波腹的左侧，齿端位移如图8所示，上梁振子齿2对导轨施与左斜向上的力，下梁振子齿2对导轨施与左斜向下的力，导轨对振子的反作用力推动振子右移，从而实现振子的正、反向移动。
实施例2如图3和图4所示，其结构如实施例1，不同之处在于，振子齿2在每个直梁段设置三个，振子齿2在每个直梁段也可以设置多个；在金属弹性体1的直梁段两侧还分别有固定翼7，以便于在直梁段对其加以固定，振子固定后即成为定子，适用于驱动动子运动的非自行式超声电机。
实施例3如图5和图6所示，本实用新型由金属弹性体10和压电陶瓷片8、9构成，在金属弹性体10上有若干个振子齿2，所述的金属弹性体10是由二个直梁段和二个圆弧段封闭而成的长环形，其直梁段用圆弧过渡连接，利用环形振子同阶同频或近似同频的两个面内弯曲振动模态工作；所述的压电陶瓷片8、9为8片或8的倍数，压电陶瓷片8、9粘贴在长环形金属弹性体10的直梁段内侧，压电陶瓷片8、9分为两组，压电陶瓷片8为一组，压电陶瓷片9为一组，分别与驱动电路相连接，驱动电路的电压频率为20kHz-100kHz，为现有常用驱动电路；所述的振子齿2设置在金属弹性体10两个直梁段的外侧，其数量不限；在金属弹性体10的圆弧段两侧还分别有固定翼11，以便于在圆弧段对其加以固定，振子固定后即成为定子，适用于驱动动子运动的非自行式超声电机，该振子的振动为面内弯曲振动。
权利要求1.一种环形驻波直线超声电机振子，它由金属弹性体和压电陶瓷片构成，在金属弹性体上有若干个振子齿，其特征在于，所述的金属弹性体是由直梁段和圆弧段封闭而成的方环形或长环形，利用环形振子同阶同频或近似同频的两个面内弯曲振动模态工作。
2.根据权利要求1所述的环形驻波直线超声电机振子，其特征在于，所述的压电陶瓷片分为两组，分别与驱动电路相连接。
3.根据权利要求1所述的环形驻波直线超声电机振子，其特征在于，所述的压电陶瓷片粘贴在方环形或长环形金属弹性体的内侧。
4.根据权利要求1所述的环形驻波直线超声电机振子，其特征在于，所述的振子齿设置在金属弹性体每个直梁段的外侧。
5.根据权利要求1所述的环形驻波直线超声电机振子，其特征在于，在金属弹性体的直梁段或圆弧段两侧还分别有固定翼。
专利摘要一种环形驻波直线超声电机振子，解决了现有驻波型直线超声电机振子不同阶或不同类的两模态工作、结构复杂、不便于设计、制造成本高的问题；本实用新型由金属弹性体和压电陶瓷片构成，在金属弹性体上有若干个振子齿，其特殊之处是，所述的金属弹性体是由直梁段和圆弧段封闭而成的方环形或长环形，利用环形振子同阶同频或近似同频的两个面内弯曲振动模态工作；本实用新型的优点在于，利用同一阶振型、同一频率工作，因而驱动电路简单，制造成本较低；结构简单，易于设计；结构对称，工作面多，使用寿命长。
文档编号H02N2/02GK2772113SQ20052008974
公开日2006年4月12日 申请日期2005年3月15日 优先权日2005年3月15日
发明者何勍, 王宏祥 申请人:辽宁工学院