CN102355160A - 带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子 - Google Patents

带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子 Download PDF

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Abstract

带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子，涉及压电超声电机技术领域。它解决了现有超声电机振子存在的振动能量利用不充分、机械输出能力受制约的问题。本发明的振子包括两个端盖、两对纵振压电陶瓷片、两对弯振压电陶瓷片、螺柱、四个安装座、四个薄壁梁、绝缘套、九个电极片和两个摩擦片，端盖是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，端盖小端面为驱动足，摩擦片固定于端盖小端面的通槽内，端盖通过其大端面的螺纹孔分别旋合于螺柱的两个端部从而把弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片压紧在两个端盖之间；本发明可以应用到超声电机制作领域。

Description

带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子
技术领域
本发明涉及到一种带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子，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，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，目前压电超声电机大多采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，由于受压电陶瓷的d31模式机电耦合效率和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，这样的激励方式使得超声电机的机械输出能力受到严重制约。
发明内容
为了解决现有采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励的超声电机的振子存在的振动能量利用不充分、机械输出能力受制约的问题，本发明提供了一种带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子。
本发明的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子包括两个端盖、两对纵振压电陶瓷片、两对弯振压电陶瓷片、螺柱、四个安装座、四个薄壁梁、绝缘套、九个电极片和两个摩擦片；所述端盖是截面逐渐变细的块体，端盖的小端面为驱动足，端盖的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，端盖的大端面两侧对称设置有两个薄壁梁，安装座位于薄壁梁外侧，所述端盖、薄壁梁和安装座为一体件；所述螺柱两端均带螺纹，两对纵振压电陶瓷片和两对弯振压电陶瓷片均套在螺柱上，且螺柱与纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片之间设置有绝缘套，两个端盖通过其大端面的螺纹孔分别旋合于螺柱的两个端部从而把弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片压紧在两个端盖之间；所述两对弯振压电陶瓷片设置于中间，所述纵振压电陶瓷片设置于端盖和弯振压电陶瓷片之间，在端盖和纵振压电陶瓷片之间、两个纵振压电陶瓷片之间、两个弯振压电陶瓷片之间、纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片之间分别固定有电极片；所述端盖的小端面有一矩形通槽，摩擦片固定于端盖末端的矩形通槽内。
本发明的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子中的压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作，解决了粘贴压电陶瓷片式压电超声电机机电耦合效率低、机械输出能力差的问题。本发明采用两对纵振压电陶瓷片实现振子纵振模态的激励，采用两对弯振压电陶瓷片实现振子弯振模态的激励，通过构型参数调整，可以实现振子纵振和弯振模态特征频率之间的简并；端盖采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高纵振和弯振模态下端盖末端质点的振速和振幅，使得电机性能得到提高；薄壁梁可以实现弹性支撑和振动隔离，将安装座与其它构件的联接对振子的纵振和弯振模态的影响程度降到最低。
本发明的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子中的纵振和弯振压电陶瓷片分别采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励，利用纵振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励纵振模态，利用弯振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出弯振模态，纵振和弯振模态叠加在两个驱动足表面质点产生旋向相反的椭圆轨迹振动，进而通过驱动足和圆筒型动子内表面的摩擦耦合实现动子的直线运动输出，充分利用纵振和弯振能量实现了两个驱动足同时致动，可以成倍的提高电机的机械输出能力。如果调整两路激励信号的相位差为-90°，可以实现反向驱动。
本发明的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子具有纵弯振动能量利用率高、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、可系列化生产的优点。
附图说明
图1是本发明所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子的剖视图，图2是图1所示振子的立体结构示意图，图3是图1中两对弯振压电陶瓷片5和两对纵振压电陶瓷片4的极化方向示意图，图4是图1所示振子的纵振模态振型示意图，图5是图1所示振子的弯振模态振型示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子包括两个端盖1、两对纵振压电陶瓷片4、两对弯振压电陶瓷片5、螺柱6、四个安装座3、四个薄壁梁2、绝缘套7、九个电极片8和两个摩擦片9；所述端盖1是截面逐渐变细的块体，端盖1的小端面为驱动足，端盖1的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，端盖1的大端面两侧对称设置有两个薄壁梁2，安装座3位于薄壁梁2外侧；所述螺柱6两端均带螺纹，两对纵振压电陶瓷片4和两对弯振压电陶瓷片5均套在螺柱6上，且螺柱6与纵振压电陶瓷片4和弯振压电陶瓷片5之间设置有绝缘套7，两个端盖1通过其大端面的螺纹孔分别旋合于螺柱6的两个端部从而把弯振压电陶瓷片2和纵振压电陶瓷片3压紧在两个端盖1之间；所述两对弯振压电陶瓷片5设置于中间，所述纵振压电陶瓷片4设置于端盖1和弯振压电陶瓷片5之间，在端盖1和纵振压电陶瓷片4之间、两个纵振压电陶瓷片4之间、两个弯振压电陶瓷片5之间、纵振压电陶瓷片4和弯振压电陶瓷片5之间分别固定有电极片8。
本实施方式的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子在应用的时候，位于端盖1和纵振压电陶瓷片4之间的两个电极片8、纵振压电陶瓷片4和弯振压电陶瓷片5之间的两个电极片8、中心位置两个弯振压电陶瓷片5之间的电极片均8与驱动电源的公共端连接，位于外侧弯振压电陶瓷片5之间的两个电极片7与驱动电源的一相驱动信号连接，位于纵振压电陶瓷片4之间的两个电极片7与驱动电源的另外一相驱动信号连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子的区别在于，所述弯振压电陶瓷片5和纵振压电陶瓷片4的横截面为矩形或圆形。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子的区别在于，所述端盖1的小端面加工有一矩形通槽，摩擦片9通过机械连接方式固定于端盖1末端的矩形通槽内，避免在大推力输出情况下摩擦片从驱动足上脱落情况的发生。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子的区别在于，所述所有压电陶瓷极化均沿厚度方向极化，相邻两片纵振压电陶瓷片4的极化方向相反，所述每对弯振压电陶瓷片5中的两片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，每片弯振压电陶瓷片对称切分成两个半片压电陶瓷片5-1，将极化方向相反的两个半片压电陶瓷片5-1重新组合在一起形成一片完整的压电陶瓷片，所有弯振压电陶瓷片5的切分线共面。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子的区别在于，所述端盖1、薄壁梁2和安装座3为一体件；所述薄壁梁2可以实现弹性支撑和振动隔离的效果，能够将振子与其它构件的联接对振子的弯曲振动模态的影响程度降到最低。

Claims (5)

1.带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子，包括两个端盖(1)、两对纵振压电陶瓷片(4)、两对弯振压电陶瓷片(5)、螺柱(6)、四个安装座(3)、四个薄壁梁(2)、绝缘套(7)、九个电极片(8)和两个摩擦片(9)；其特征在于所述端盖(1)是截面逐渐变细的块体，端盖(1)的小端面为驱动足，端盖(1)的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，端盖(1)的大端面两侧对称设置有两个薄壁梁(2)，安装座(3)位于薄壁梁(2)外侧；所述螺柱(6)两端均带螺纹，两对纵振压电陶瓷片(4)和两对弯振压电陶瓷片(5)均套在螺柱(6)上，且螺柱(6)与纵振压电陶瓷片(4)和弯振压电陶瓷片(5)之间设置有绝缘套(7)，两个端盖(1)通过其大端面的螺纹孔分别旋合于螺柱(6)的两个端部从而把弯振压电陶瓷片(2)和纵振压电陶瓷片(3)压紧在两个端盖(1)之间；所述两对弯振压电陶瓷片(5)设置于中间，所述纵振压电陶瓷片(4)设置于端盖(1)和弯振压电陶瓷片(5)之间，在端盖(1)和纵振压电陶瓷片(4)之间、两个纵振压电陶瓷片(4)之间、两个弯振压电陶瓷片(5)之间、纵振压电陶瓷片(4)和弯振压电陶瓷片(5)之间分别固定有电极片(8)。
2.根据权利要求1所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子，其特征在于所述纵振压电陶瓷片(4)和弯振压电陶瓷片(5)的横截面为矩形或圆形。
3.根据权利要求1所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子，其特征在于所述端盖(1)的小端面有一矩形通槽，摩擦片(9)固定于端盖(1)末端的矩形通槽内。
4.根据权利要求1所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子，其特征在于所述所有压电陶瓷极化均沿厚度方向极化，相邻两片纵振压电陶瓷片(4)的极化方向相反，所述每对弯振压电陶瓷片(5)中的两片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，每片弯振压电陶瓷片对称切分成两个半片压电陶瓷片(5-1)，将极化方向相反的两个半片压电陶瓷片(5-1)重新组合在一起形成一片完整的压电陶瓷片，所有弯振压电陶瓷片(5)的切分线共面。
5.根据权利要求1所述的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足直线超声电机振子，其特征在于所述端盖(1)、薄壁梁(2)和安装座(3)为一体件。
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