专利名称：三角形弯板式压电直线超声电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直线运动驱动和控制兼用的微型直线电机，特别是一种结构简单 紧凑的三角形弯板式直线超声电机。
技术背景随着机电产业向高精度化发展，机电产品正迅速微型化和薄型化。在信息技术、 半导体制造、工业检测、军用尖端装备、生物医疗、航空航天等许多领域，传统的旋 转电机加减速机的直线运动驱动方式已越来越难以满足要求，迫切需要能够直接驱动 的、结构紧凑的微型直线电机。压电直线超声电机有着直接驱动、功率体积比大、控 制性好、断电后能自锁、噪音低、可用于强磁和真空环境等优点，成为新型微电机开 发的热点。然而目前开发的压电直线超声电机横向(垂直于直线运动输出的方向)尺 寸普遍偏大，限制了其在空间形状尺寸要求苛刻的领域中的应用。有的压电直线超声 电机对于一般用途的使用者来说成本过高。现有技术中有一种直线超声电机(发明专利申请号200510122995.X)，该电机 包括定子、动子及机座。定子是由作用梁，弓形框及绞支细条组成。它利用了3个层 叠式压电元件，其中2个布置在定子的左右方，叫做纵振层叠式压电元件，激发定子 上方驱动凸起部的水平方向振动，另l个布置在定子的下方，叫做弯振层叠式压电元 件，激发凸起部的垂直方向振动。当两纵振层叠式压电元件采用两相相位差为180° 的两相正弦信号激励，弯振层叠式压电元件采用与上述两相相位差都为90°的正弦 信号激励时，在三组层叠式压电元件的联合作用下，定子上方驱动凸起部产生椭圆运 动，利用摩擦推动动子输出连续直线运动。该电机主要缺点是，零件较多，导致工艺 复杂，成本较高，层叠式压电元件不易获得。 发明内容本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种横向尺寸比较小的、双向 驱动和控制用的三角形弯板式压电直线超声电机。结构简单，不使用特殊工艺和元器 件，驱动和控制方便，造价低廉。为实现上述目的，主要采取下面几种技术措施。 1)变实心定子为空心定子——
现有的压电直线电机，其定子基本采用实心结构。实心结构的好处是可以增大电 机的输出推力，但也带来加工要求高，电机重量重的缺点。本发明的压电直线电机， 电机定子用窄条板弯曲成型，制作工艺简单，重量很轻。2) 用三角形结构实现椭圆运动——几乎所有的直线超声电机的工作原理都是一致的，激发出电机振动子的共振，并 设法在振动子的驱动界面上形成椭圆形的振动轨迹，将导轨或滑块(直线动子)紧贴 在振动子的驱动界面上，这样就可以利用摩擦的作用将定子的振动转换成直线方向的 运动输出。使振动子产生椭圆形振动的方式有多种多样，也就造成了电机结构千差万 别。本发明的压电直线电机采用底边较长的等腰三角形结构，两个对称的斜边构成动 力臂，两臂同向外凸或内凹弯曲振动时，三角形顶点作上下运动，两臂异向外凸或内 凹弯曲振动时，三角形顶点作左右横摆运动。由此可以合成椭圆形振动轨迹。3) 使振动能量有效的输出——利用压电陶瓷激发弹性体的弯曲振动，振幅是很微小的，无法产生有效的摩擦传 力驱动作用。即使利用弹性体的共振来放大振动的振幅，也是有限的，难以满足驱动 要求。为此，本发明采用了叫做Unimorph (由单片压电陶瓷和弹性金属片复合而成 的振动片)的结构，在其末端，压电陶瓷的振动振幅被有效放大。为使横向振动振幅 也得到放大，在三角形顶点位置设计了一凸出结构。为防止电机导向夹持机构对振动 的约束作用，在三角形振动子底边中部仅用一固定点与导向夹持机构相联。根据上述技术措施，本发明采用下述技术方案一种三角形弯板式压电直线超声电机，包括定子和动子，其特征在于动子为直线 导轨，其上面由两个平行设置的带弹簧支脚的导向轮支撑，而下面由定子支撑；所述 的定子是由中空三角形弹性体框架和粘贴在其外侧表面的压电致动件组成，该中空三 角形弹性体框架的三角形顶点处有凸起部抵触所述的直线导轨的底面，而其三角形底边的中点处有夹持器与底座固定连接。上述的中空三角形弹性体框架为碳钢、或硬铝合金、或铜的构件，或者为复合材 料构件。上述的中空三角形弹性体框架为为钣金弯曲构件，或者为线切割或冲裁成型的构件。上述的压电致动件是上下两面均匀涂敷银极、沿厚度方向极化的压电陶瓷片。 上述的粘贴于中空三角形弹性体框架的三角形底边外表面上的两个压电致动件
压电陶瓷片的极化方向为同向，并保证其三角形两斜边外表面上的两个压电致动件压 电陶瓷片的极化方向为异向。上述的激励压电致动件压电陶瓷片的电信号接入方式中空三角形弹性体框架三 角形两斜边外表面上的两块压电致动件的压电陶瓷片接入激励电信号A，而其三角形 底边外表面上的两块压电致动件的压电陶瓷片接入激励电信号B，中空三角形弹性体框架接地，激励电信号A和激励电信号B之间相位差为90度。一种三角形弯板式压电直线超声电机，包括定子和动子，其特征在于动子为直线 导轨，其上面由两个平行设置的带弹簧片支脚的导面轮支撑，该直线导轨与底座相对 水平定位；所述的定子是由中空三角形弹性体框架和粘贴在其外表面的压电致动件组 成，该中空三角形弹性体框架的三角形顶点有凸起部抵触所述的直线导轨的底面，而 其三角形底边有夹持器固定支撑于底座上。本发明与现有技术相比较，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点1) 由于采用中空三角形弹性体框架上粘贴压电陶瓷片，结构特别简单，造价低廉， 特别适合于对于精度和推力要求不高的一般性工作场合。2) 电机横向尺寸相对较小，可用于电机安置空间比较狭窄的场合。3) 电机无需复杂的导向夹持机构。
图1是本发明一个实施例的结构示意图。 图2是本发明另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例一-参见图l，本三角形弯板式压电直线超声电机包括定子和动子，动子为直线导轨 10，其上面由两个平行设置的带有弹簧支脚4的导向轮5支撑，而下面由定子支撑， 该定子由中空三角形弹性体框架1和粘贴在其外侧表面的压电致动件2、 7、 8、 10 组成。弹性体可以是碳钢、硬铝合金、铜等金属材料，也可以是其他弹性较好硬度较 高的非金属材料或复合材料。所使用的压电致动件是上下两面均匀涂敷银极、沿厚度 方向极化的压电陶瓷片，所以以下称压电致动件为压电陶瓷片。定子为左右对称结构。 定子的上方(即三角形的顶点处)有凸起部3。紧固螺钉将框架l并紧，形成整体。 电机的下方横梁的正中(即三角形底边的中点处)有夹持器9。夹持器9可以由紧固 螺钉和矩形垫块组成，与基础11相连。直线导轨(或称为滑块)6在两个平行导向
轮5和弹簧4作用下压在电机凸起部3的末端。压电致动件2、 7的压电陶瓷片用于 激发电机弹性体的横向偏摆振动模态；压电致动件8、 IO的压电陶瓷片用于激发电机 弹性体的上下起伏振动模态。粘贴时保证压电致动件8、 IO的压电陶瓷片的极化方向 为同向(比如都向上)，保证压电致动件2、 7的压电陶瓷片的极化方向为异向(比如 3垂直于粘贴表面指向外侧，4垂直于粘贴表面指向内侧)。激励压电陶瓷片的信号接 入方式如图3所示。工作原理向压电陶瓷片施加高频交变简谐波形的激励电压信号A和B。 A相和 B相信号之间相位差为90度。A相信号可以激发出电机横向偏摆的共振振型；B相 信号可以激发出电机上下起伏的共振振型。根据振动理论，这两个振型在同一频率下 被激发，并且两振动相位互差90度时，在电机凸起部8的末端(也称之为驱动界面) 可以合成为椭圆形轨迹的振动。于是，当电机与动子IO装配在一起，并保持一定的 预压力时，电机可以驱动动子作直线运动的输出。利用结构动态设计，设计方法为一般的现有技术(比如用有限元分析与设计方 法)，可以使电机的结构尺寸满足两个振动模态(对称振动模态和反对称振动模态) 的模态频率基本一致。实施例二参见图2，本三角形弯板式压电直线超声电机的结构基本上与上述实施例相同，所不同之处在于原动子变为相对静止不动，而原定子作直线平移运动，即定子为直线导轨(6)其上面由两个平行设置的带弹簧支脚4的导向轮5支撑，该直线导轨6 与底座11相对水平定位，动子是由中空三角形弹性体框架1和粘贴在其外表面的压 电致动件2、 7、 8、 10组成，该中空三角形弹性体框架1的三角形顶点有凸起部3 抵触所述的直线导轨6的底面，而其三角形底边有夹持器9滑动支撑于底座11上。 上述的中空三角形弹性体框架1为块材线切割成型件。
权利要求
1.一种三角形弯板式压电直线超声电机，包括定子和动子，其特征在于动子为直线导轨(6)，其上面由两个平行设置的带弹簧支脚(4)的导向轮(5)支撑，而下面由定子支撑；所述的定子是由中空三角形弹性体框架(1)和粘贴在其外侧表面的压电致动件(2、7、8、10)组成，该中空三角形弹性体框架(1)的三角形顶点处有凸起部(3)抵触所述的直线导轨(10)的底面，而其三角形底边的中点处有夹持器(9)与底座(11)固定连接。
2. 根据权利要求1所述的三角形弯板式压电直线超声电机，其特征在于所述的中空 三角形弹性体框架(1)为碳钢、或硬铝合金、或铜的构件，或者为复合材料构 件。
3. 根据权利要求l所述的三角形弯板式压电直线超声电机，其特征在于所述的中空 三角形弹性体框架(1)为钣金弯曲构件，或者为线切割或冲裁成型的构件。
4. 根据权利要求l所述的三角形弯板式压电直线超声电机，其特征在于所述的压电 致动件(2、 7、 8、 10)是上下两面均匀涂敷银极、沿厚度方向极化的压电陶瓷 片。
5. 根据权利要求4所述的三角形弯板式压电直线超声电机，其特征在于所述粘贴于 中空三角形弹性体框架(1)的三角形底边外表面上的两个压电致动件(8、 10) 压电陶瓷片的极化方向为同向，并保证其三角形两斜边外表面上的两个压电致动 件(2、 7)压电陶瓷片的极化方向为异向。
6. 根据权利要求5所述的三角形弯板式压电直线超声电机，其特征在于激励压电致 动件(2、 7、 8、 10)压电陶瓷片的电信号接入方式中空三角形弹性体框架(1) 三角形两斜边外表面上的两块压电致动件(2、 7)的压电陶瓷片接入激励电信号 A，而其三角形底边外表面上的两块压电致动件(8、 10)的压电陶瓷片接入激励 电信号B，中空三角形弹性体框架(1)接地，激励电信号A和激励电信号B之 间相位差为90度。
7. —种三角形弯板式压电直线超声电机，包括定子和动子，其特征在于动子为直线 导轨(6)，其上面由两个平行设置的带弹簧片支脚(4)的导面轮(5)支撑，该 直线导轨(6)与底座(11)相对水平定位；所述的定子是由中空三角形弹性体 框架(1)和粘贴在其外表面的压电致动件(2、 7、 8、 10)组成，该中空三角形 弹性体框架(1)的三角形顶点有凸起部(3)抵触所述的直线导轨(6)的底面， 而其三角形底边有夹持器(9)固定支撑于底座(11)上。
全文摘要
本发明涉及一种三角形弯板式压电直线超声电机。它包括定子和动子，动子为直线导轨，其上面由两个平行设置的带弹簧支脚的导向轮支撑，而下面由定子支撑；所述的定子是由中空三角形弹性体框架和粘贴在其外侧表面的压电致动件组成，该中空三角形弹性体框架的三角形顶点处有凸起部抵触所述的直线导轨的底面，而其三角形底边的中点处有夹持器与底座固定连接。本发明电机横向尺寸较小，可供双向驱动和控制用，结构简单，使用方便，造价较低廉。
文档编号H02N2/04GK101119079SQ20071004592
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者匡伯谦, 华 姚, 涛 孙, 李朝东, 金侠杰 申请人:上海大学