CN102361413B - 复合弯振夹心式双足直线超声电机振子 - Google Patents

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Abstract

复合弯振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。它解决了现有弯振模态梁式直线超声电机振子的两个驱动足的振动特性不一致，影响电机的输出推力的问题。它的螺柱上套装有八片弯振压电陶瓷片，两个端盖分别旋合在螺柱的两端，将八片弯振压电陶瓷片压紧，相邻的弯振压电陶瓷片之间及弯振压电陶瓷片与端盖大端面的接触面之间分别设置一片电极片，所有弯振压电陶瓷片和所有电极片与螺柱的接触面之间设置绝缘套，每个端盖大端面的两侧对称设置两个薄壁梁，每个薄壁梁外侧固定一个安装座，每个端盖的小端面上设置有驱动足，驱动足为截面与该小端面形状相同的块体。本发明适用于超声电机的振子。

Description

复合弯振夹心式双足直线超声电机振子
技术领域
本发明涉及一种复合弯振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、转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。 
夹心式超声电机采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作，可有效提高电机的机械输出特性。但是，目前多数夹心式超声电机采用异型振动模态的复合实现驱动区域质点椭圆振动轨迹的激励，设计过程中首先面临的问题是异型振动模态特征频率之间的简并问题，这给电机的结构带来了诸多限制，难于实现系列化。中国专利《弯振模态梁式直线超声电机振子》，公开号为CN101626203A，公开日为2010年1月13日，首次提出了一种采用同型正交弯振模态实现双驱动足直线驱动的压电超声电机新构型，它成功的避免了设计过程中的模态简并问题，具有结构简单、设计灵活、可系列化生产等优点；但是，由于压电陶瓷设置的非对称性，使得两个驱动足的振动特性并不一致，限制了该电机推力和速度的提高，此外，该电机的压电陶瓷设置方式需要采用二阶弯振模态工作，而高阶弯振模态的采用会使得驱动足振动强度明显减弱，从而降低电机的输出推力和速度。 
发明内容
为了解决现有弯振模态梁式直线超声电机振子的两个驱动足的振动特性不一致，影响电机的输出推力的问题，提供一种复合弯振夹心式双足直线超声电机振子。 
本发明所述复合弯振夹心式双足直线超声电机振子，它包括两个驱动足、两个端盖、四个薄壁梁、四个安装座、八片弯振压电陶瓷片、螺柱、绝缘套和九片电极片， 
螺柱上套装有八片弯振压电陶瓷片， 
所述端盖是截面为方形或者圆形并逐渐变细的块体，端盖的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖分别旋合在螺柱的两端，将八片弯振压电陶瓷片压紧， 
相邻的弯振压电陶瓷片之间及弯振压电陶瓷片与端盖大端面的接触面之间分别设置一片电极片， 
所有弯振压电陶瓷片和所有电极片与螺柱的接触面之间设置绝缘套， 
每个端盖大端面的两侧对称设置两个薄壁梁，每个薄壁梁外侧固定一个安装座， 
每个端盖的小端面上设置有驱动足，驱动足为截面与该小端面形状相同的块体。 
所述弯振压电陶瓷片均沿厚度方向极化，将两个端盖之间的八片弯振压电陶瓷片从一个端盖到另一个端盖依次顺序排号，则有： 
第一片和第二片弯振压电陶瓷片极化方向相反，第二片和第七片弯振压电陶瓷片极化方向相反，第七片和第八片弯振压电陶瓷片极化方向相反；第三片、第四片、第五片和第六片弯振压电陶瓷片中相邻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由对称切分的两个半片压电陶瓷片组成，该两个半片压电陶瓷片极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片的切分线亦共面，分别共面的两种切分线相互垂直。 
本发明的优点是：本发明采用沿厚度方向极化的八片弯振压电陶瓷片实现电机振子的两个同型正交一阶弯曲振动模态的激励，由于采用同型模态，不存在模态间的频率简并问题，使得振子设计具备很大的灵活性。 
本发明在使用中，弯振压电陶瓷片采用幅值相等、频率为振子一阶弯振特征频率、相位差为+90°的两相交流电压信号激励，利用压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个同型正交的一阶弯曲振动模态，两个弯曲振动模态叠加在两个驱动足表面质点产生同向的椭圆运动轨迹，进而通过驱动足和动子之间的摩擦耦合实现动子的宏观运动输出，两个驱动足同时参与驱动，可以成倍的提高电机的机械输出能力。如果调整两相激励信号的相位差为-90°，可以实现反向驱动。 
本发明中的弯振压电陶瓷片采用夹心结构，并采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作，可以有效提高振子机电耦合效率、改善机械输出能力。端盖采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高驱动足表面质点的振幅和振速，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连接对振子的弯曲振动模态的影响程度降到最低。 
本发明实现了压电陶瓷的对称设置，使得两个驱动足可以获得完全一致的振动特性，从而可以有效提高电机的机械输出特性；另外，本发明利用振子一阶弯振模态工作，在简化结构的基础上，可以有效提高驱动足的振幅，从而提高振子的输出推力和速度。 
本发明具有结构简单、设计灵活、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为本发明所述电机振子的剖视图； 
图2为本发明所述电机振子的立体结构示意图； 
图3为本发明中八片弯振压电陶瓷片的极化方向示意图； 
图4为本发明电机振子的第一个正交一阶弯曲振动模态的振型示意图； 
图5为本发明电机振子的第二个正交一阶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和图2说明本实施方式，本实施方式所述复合弯振夹心式双足直线超声电机振子，它包括两个驱动足1-1、两个端盖1、四个薄壁梁2、四个安装座3、八片弯振压电陶瓷片4、螺柱5、绝缘套6和九片电极片7， 
螺柱5上套装有八片弯振压电陶瓷片4， 
所述端盖1是截面为方形或者圆形并逐渐变细的块体，端盖1的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖1分别旋合在螺柱5的两端，将八片弯振压电陶瓷片4压紧， 
相邻的弯振压电陶瓷片4之间及弯振压电陶瓷片4与端盖1大端面的接触面之间分别设置一片电极片7， 
所有弯振压电陶瓷片4和所有电极片7与螺柱5的接触面之间设置绝缘套6， 
每个端盖1大端面的两侧对称设置两个薄壁梁2，每个薄壁梁2外侧固定一个安装座3， 
每个端盖1的小端面上设置有驱动足1-1，驱动足1-1为截面与该小端面形状相同的块体。 
本实施方式中两个端盖1通过其大端面的盲孔分别旋合于螺柱5的两个端部，从而可以把八片弯振压电陶瓷片4压紧在两个端盖1之间。 
本实施方式中，将九片电极片7从一个端盖1至另一个端盖1顺序编号，第一、三、五、七、九片电极片7与驱动电源的公共端连接，第二、八片电极片7和驱动电源的一相驱动信号连接，第四、六片电极片7与驱动电源的另外一相驱动信号连接。 
具体实施方式二：下面结合图2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，本实施方式还包括两个摩擦片8， 
所述每个驱动足1-1的输出耦合侧面设置有矩形槽，该矩形槽内设置有摩擦片8。 
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，本实施方式所述弯振压电陶瓷片4的横截面为方形或者圆形。 
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，本实施方式所述端盖1、薄壁梁2、安装座3和驱动足1-1为一体件。 
所述薄壁梁2可以实现对振子弹性支撑和振动隔离的效果，能够将由振子与其它构件的连接对振子的弯曲振动模态的影响程度降到最低。 
具体实施方式五：下面结合图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，本实施方式所述弯振压电陶瓷片4均沿厚度方向极化，将两个端盖1之间的八片弯振压电陶瓷片4从一个端盖1到另一个端盖1依次顺序排号，则有： 
第一片和第二片弯振压电陶瓷片4极化方向相反，第二片和第七片弯振压电陶瓷片4极化方向相反，第七片和第八片弯振压电陶瓷片4极化方向相反；第三片、第四片、第五片和第六片弯振压电陶瓷片4中相邻两片弯振压电陶瓷片4的极化方向相反， 
每片弯振压电陶瓷片4由对称切分的两个半片压电陶瓷片4-1组成，该两个半片压电陶瓷片4-1极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片4的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片4的切分线亦共面，分别共面的两种切分线相互垂直。 
图4和图5所示，为本发明所述复合弯振夹心式双足直线超声电机振子两个正交一阶弯曲振动模态的振型示意图。 

Claims (4)

1.一种复合弯振夹心式双足直线超声电机振子，它包括两个驱动足（1-1）、两个端盖（1）、四个薄壁梁（2）、四个安装座（3）、八片弯振压电陶瓷片（4）、螺柱（5）、绝缘套（6）和九片电极片（7），其特征在于：
螺柱（5）上套装有八片弯振压电陶瓷片（4），
所述端盖（1）是截面为方形或者圆形并逐渐变细的块体，端盖（1）的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖（1）分别旋合在螺柱（5）的两端，将八片弯振压电陶瓷片（4）压紧，
相邻的弯振压电陶瓷片（4）之间及弯振压电陶瓷片（4）与端盖（1）大端面的接触面之间分别设置一片电极片（7），
所有弯振压电陶瓷片（4）与螺柱（5）的接触面之间设置绝缘套（6），所有电极片（7）与螺柱（5）的接触面之间设置绝缘套（6）；
每个端盖（1）大端面的两侧对称设置两个薄壁梁（2），每个薄壁梁（2）外侧固定一个安装座（3），
每个端盖（1）的小端面上设置有驱动足（1-1），驱动足（1-1）为截面与该小端面形状相同的块体；
所述弯振压电陶瓷片（4）均沿厚度方向极化，将两个端盖（1）之间的八片弯振压电陶瓷片（4）从一个端盖（1）到另一个端盖（1）依次顺序排号，则有：
第一片和第二片弯振压电陶瓷片（4）极化方向相反，第二片和第七片弯振压电陶瓷片（4）极化方向相反，第七片和第八片弯振压电陶瓷片（4）极化方向相反；第三片、第四片、第五片和第六片弯振压电陶瓷片（4）中相邻两片弯振压电陶瓷片（4）的极化方向相反，
每片弯振压电陶瓷片（4）由对称切分的两个半片压电陶瓷片（4-1）组成，该两个半片压电陶瓷片（4-1）极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片（4）的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片（4）的切分线亦共面，分别共面的两种切分线相互垂直。
2.根据权利要求1所述的复合弯振夹心式双足直线超声电机振子，其特征在于：它还包括两个摩擦片（8），
所述每个驱动足（1-1）的输出耦合侧面设置有矩形槽，该矩形槽内设置有摩擦片（8）。
3.根据权利要求1所述的复合弯振夹心式双足直线超声电机振子，其特征在于：所述弯振压电陶瓷片（4）的横截面为方形或者圆形。
4.根据权利要求1所述的复合弯振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）、安装座（3）和驱动足（1-1）为一体件。
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