CN102299663B - 采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子 - Google Patents

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Abstract

采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。它解决了现有圆筒型行波超声电机由于采用的压电陶瓷的d31工作模式而导致的机电耦合效率低及机械输出能力难于提高的问题。本发明包括金属基体、4n个压电陶瓷片对、4n个弹簧块、4n个电极片和4n个绝缘垫片，n为大于等于三的自然数，采用弹簧块实现对压电陶瓷片的预紧和预压力的施加，压电陶瓷片工作在高机电合效率的d33振动模式。本发明机电耦合效率高、可实现大力矩输出。

Description

采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子
技术领域
本发明涉及一种采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。
背景技术
压电超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过定子、动子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动的电机，它具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点，作为一种新型驱动器有着十分广泛的应用。
出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前圆筒型行波超声电机大多采用金属圆筒粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，例如李有光等人在《西安交通大学学报》2008年第一期上发表的题为“柱面驱动新型行波超声电机研究”的论文中，所研制的圆筒型行波超声电机，该电机的压电陶瓷工作在d31模式，d31振动模式是陶瓷片沿长度方向伸缩振动的模式，这种振动模式材料抗拉强度低并且实现能量转换的机电耦合效率低；此外，受陶瓷材料抗拉强度低以及胶层的强度和疲劳寿命等的限制，贴片式圆筒型行波超声电机机械输出能力的提高受到严重制约。
发明内容
为了解决现有圆筒型行波超声电机由于采用的压电陶瓷的d31工作模式而导致的机电耦合效率低及机械输出能力难于提高的问题，本发明提供一种采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子。
本发明所述采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子，它包括金属基体、4n个压电陶瓷片对、4n个弹簧块、4n个电极片和4n个绝缘垫片，n为大于等于三的自然数；
所述金属基体由圆筒、两个薄壁环和两个法兰组成，圆筒的轴向两端分别设置有薄壁环和法兰，所述薄壁环位于圆筒和法兰之间，圆筒、薄壁环和法兰的中轴线相重合，
圆筒的内圆表面上沿圆周方向均匀加工有连续梳状驱动齿，圆筒的外圆表面上沿圆周方向均匀加工有8n个横截面为矩形的通槽，
4n个压电陶瓷片对沿圆筒的圆周均匀分布并嵌入圆筒上的通槽内；4n个弹簧块沿圆筒的圆周均匀分布并嵌入圆筒上的通槽内；压电陶瓷片对与弹簧块依次相间隔设置，
组成每个压电陶瓷片对的两片压电陶瓷片之间设置一个电极片，
每个横截面为矩形的通槽内的压电陶瓷片对和电极片与该通槽的槽底面之间设置绝缘垫片。
本发明的优点是：本发明中采用弹簧块实现对压电陶瓷片的预紧和预压力的施加，压电陶瓷片工作在高机电合效率的d33振动模式，d33振动模式是陶瓷片沿厚度方向伸缩振动的模式，解决了现有技术中粘贴压电陶瓷薄片式压电超声电机存在的机电耦合效率低的问题；本发明采用弹簧块对压电陶瓷片预紧，避免了现有贴片式电机中胶层对振子振幅以及工作稳定性的限制，可有效提高电机的机械输出能力；此外，弹簧块可以实现对压电陶瓷片较高预压力的施加，因此，该超声电机振子可采用高压激励，从而有利于进一步提高电机的机械输出特性。
本发明具有结构简单，机电耦合效率高、可实现大力矩输出、性能稳定、易于控制及可系列化生产的优点。
附图说明
图1为本发明的主视图，n取值为5；
图2为图1中去掉法兰的俯视图；
图3为图2中A的局部放大图；
图4为本发明的立体结构示意图；
图5为本发明圆筒中激励出的第一种径向弯曲振动模态的振型示意图；
图6为本发明圆筒中激励出的第二种径向弯曲振动模态的振型示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子，它包括金属基体1、4n个压电陶瓷片对2、4n个弹簧块3、4n个电极片4和4n个绝缘垫片5，n为大于等于三的自然数；
所述金属基体1由圆筒1-1、两个薄壁环1-2和两个法兰1-3组成，圆筒1-1的轴向两端分别设置有薄壁环1-2和法兰1-3，所述薄壁环1-2位于圆筒1-1和法兰1-3之间，圆筒1-1、薄壁环1-2和法兰1-3的中轴线相重合，
圆筒1-1的内圆表面上沿圆周方向均匀加工有连续梳状驱动齿1-4，圆筒1-1的外圆表面上沿圆周方向均匀加工有8n个横截面为矩形的通槽，
4n个压电陶瓷片对2沿圆筒1-1的圆周均匀分布并嵌入圆筒1-1上的通槽内；4n个弹簧块3沿圆筒1-1的圆周均匀分布并嵌入圆筒1-1上的通槽内；压电陶瓷片对2与弹簧块3依次相间隔设置，
组成每个压电陶瓷片对2的两片压电陶瓷片之间设置一个电极片4，
每个横截面为矩形的通槽内的压电陶瓷片对2和电极片4与该通槽的槽底面之间设置绝缘垫片5。
本实施方式中的薄壁环1-2具有弹性支撑和振动隔离的作用，能够将法兰1-3与其它构件的联接对振子的振动模态的影响程度降到最低。
本实施方式所述振子在应用的时候，金属基体1与驱动电源的公共端连接，所有压电陶瓷片对2的两片压电陶瓷片之间设置的电极片4分别与两相驱动信号连接，任意相邻压电陶瓷片对2中间的电极片4分别与异相驱动信号连接。
基于本实施方式中压电陶瓷片对2的极化方式，当对振子中的压电陶瓷片对2采用幅值相等、频率为振子径向弯振模态特征频率、相位差为+90°的两相交流电压信号激励时，利用压电陶瓷片的伸缩振动在圆筒1-1中激励出两个径向弯曲振动模态，如图5和图6所示，每个弯振模态对应一列弯振驻波，两列驻波在空间具有四分之一波长的相位差，两列驻波叠加的结果是在带连续梳状驱动齿1-4的圆筒1-1中合成了一列弯曲振动行波，在连续梳状驱动齿1-4表面质点产生旋向相同的椭圆轨迹振动，由于在使用中连续梳状驱动齿1-4与超声电机的圆柱型动子外表面相接触，因此通过连续梳状驱动齿1-4与圆柱型动子外表面的摩擦耦合，可实现动子的旋转运动输出。如果调整两路激励信号的相位差为-90°，则可以实现反向驱动。
本发明所述电机振子实际制作过程中，压电陶瓷片对2的厚度略大于其所在槽的宽度，弹簧块3的厚度同样略大于其所在槽的宽度，因此，当压电陶瓷片对2和弹簧块3均嵌入到圆筒1-1上的通槽内后，通过压电陶瓷片对2相对所在槽的过盈量、弹簧块3相对所在槽的过盈量共同实现了压电陶瓷元件预应力的施加。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述圆筒1-1、两个薄壁环1-2和两个法兰1-3为一体件。
具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述压电陶瓷片对2均沿厚度方向极化，组成同一个压电陶瓷片对2的两片压电陶瓷片的极化方向相反，相邻压电陶瓷片对2的极化方式相反。
具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述弹簧块3的弹性伸缩方向为沿圆筒1-1的周向。

Claims (3)

1.一种采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子，它包括金属基体（1）、4n个压电陶瓷片对（2）、4n个弹簧块（3）、4n个电极片（4）和4n个绝缘垫片（5），n为大于等于三的自然数；其特征在于：
所述金属基体（1）由圆筒（1-1）、两个薄壁环（1-2）和两个法兰（1-3）组成，圆筒（1-1）的轴向两端分别设置有薄壁环（1-2）和法兰（1-3），所述薄壁环（1-2）位于圆筒（1-1）和法兰（1-3）之间，圆筒（1-1）、薄壁环（1-2）和法兰（1-3）的中轴线相重合，
圆筒（1-1）的内圆表面上沿圆周方向均匀加工有连续梳状驱动齿（1-4），圆筒（1-1）的外圆表面上沿圆周方向均匀加工有8n个横截面为矩形的通槽，
4n个压电陶瓷片对（2）沿圆筒（1-1）的圆周均匀分布并嵌入圆筒（1-1）上的通槽内；4n个弹簧块（3）沿圆筒（1-1）的圆周均匀分布并嵌入圆筒（1-1）上的通槽内；压电陶瓷片对（2）与弹簧块（3）依次相间隔设置，
组成每个压电陶瓷片对（2）的两片压电陶瓷片之间设置一个电极片（4），
每个横截面为矩形的通槽内的压电陶瓷片对（2）和电极片（4）与该通槽的槽底面之间设置绝缘垫片（5）。
2.根据权利要求1所述的采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子，其特征在于：所述圆筒（1-1）、两个薄壁环（1-2）和两个法兰（1-3）为一体件。
3.根据权利要求1或2所述的采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子，其特征在于：所述弹簧块（3）的弹性伸缩方向为沿圆筒（1-1）的周向。
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