CN102437782A - 夹心式工字型四足直线超声电机振子 - Google Patents

Abstract

夹心式工字型四足直线超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。它消除了现有矩形四足直线超声电机振子中存在的耦生弯振所带来的各种不利影响。它包括两个水平复合梁和一个竖直复合梁，两个水平复合梁和竖直复合梁呈工字形排布，其水平复合梁和竖直复合梁上的压电陶瓷片分别采用两相电压激励，利用压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个振动模态，两个振动模态叠加在四个驱动足上，即四个水平变幅杆的末端，驱动足表面质点产生椭圆运动轨迹，当四个驱动足和其两侧的动子在一定预压力下接触时，通过驱动足和动子之间的摩擦耦合即实现了动子的宏观运动输出。本发明适用超声电机的制作。

Description

夹心式工字型四足直线超声电机振子

技术领域

本发明涉及一种夹心式工字型四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，作为一种压电驱动器，压电超声电机有着十分广泛的应用。

中国专利《矩形四足直线超声电机振子》，公开号为CN101626205A，公开日为2010年1月13日，提出了一种封闭结构的夹心式直线型超声电机新构型，它通过四个按照矩形布置的纵振换能器实现四个驱动足处椭圆轨迹振动的激励；但是，该超声电机振子中的换能器之间存在明显的振动耦合问题，使得换能器的实际振动状态并不是单一的纵振，而是一种纵振和弯振叠加的复合振动；其中，纵振是通过压电陶瓷片的主动激励产生的，而弯振则是由相邻换能器之间的耦合引起的；这种耦生弯振的存在会使得振子模态特征频率偏离单个换能器谐振频率，并会降低振子的机电转换效率，限制振子机械输出特性的提高。此外，这种耦生弯振的存在使得四个驱动足处的振动轨迹存在明显的不一致性，也不利于其输出特性的改善。

发明内容

为了消除现有矩形四足直线超声电机振子中存在的耦生弯振所带来的各种不利影响，本发明提供一种夹心式工字型四足直线超声电机振子。

本发明所述夹心式工字型四足直线超声电机振子，它包括两个水平复合梁和一个竖直复合梁，

两个水平复合梁和竖直复合梁呈工字形排布，

两个水平复合梁的结构相同；所述水平复合梁由两个水平变幅杆、两对压电陶瓷片、水平法兰、预紧螺柱、绝缘套和电极片组成，竖直复合梁由两个竖直变幅杆、两对压电陶瓷片、竖直法兰、绝缘套和电极片组成，

所述水平变幅杆和竖直变幅杆的结构相同，其中所述竖直变幅杆由连接杆和变幅杆组成，所述连接杆为截面为圆形或方形的柱体，该连接杆的一端的端面中心设置有一个带内螺纹的盲孔，该连接杆的另一端固定连接变幅杆，该变幅杆为截面为圆形或方形并且向其末端逐渐变细的块体，并且所述变幅杆的大端面与连接杆的界面形状相同；

每个水平复合梁的两个水平变幅杆的盲孔分别旋合在预紧螺柱的两端，预紧螺柱上套接水平法兰，该水平法兰与每个水平变幅杆之间的预紧螺柱上均套接一对压电陶瓷片，该对压电陶瓷片夹固在水平变幅杆与水平法兰之间，压电陶瓷片与预紧螺柱的接触面之间设置绝缘套，水平变幅杆与压电陶瓷片的接触面之间以及每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片之间均设置有电极片；

竖直法兰的两侧端面中心沿其中心线分别设置向外伸出的螺柱，每根螺柱上套接一对压电陶瓷片，每根螺柱的端部与一个竖直变幅杆的盲孔旋合，并将所述一对压电陶瓷片压紧，每对压电陶瓷片与螺柱的接触面之间设置绝缘套，竖直变幅杆与压电陶瓷片的接触面之间以及每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片之间均设置有电极片；

两个竖直变幅杆的小端面分别与两个水平复合梁的水平法兰的内侧面固定连接。

每个竖直变幅杆和与该竖直变幅杆连接的水平法兰为一体件。

所述电机振子还包括四片摩擦片，该四片摩擦片分别固定于四个水平变幅杆的末端。

所述摩擦片为截面与其所在水平变幅杆的末端的端面形状相同的块体。

所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化，每对压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片的极化方向相反，两个水平复合梁上相应位置的压电陶瓷片的极化方向相反。

本发明的优点是：本发明中的压电陶瓷片采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率、相位差为+90°的两相交流电压信号激励，其水平复合梁和竖直复合梁上的压电陶瓷片分别采用两相电压激励，利用压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个振动模态，两个振动模态叠加在四个驱动足上，即四个水平变幅杆的末端，驱动足表面质点产生椭圆运动轨迹，当四个驱动足和其两侧的动子在一定预压力下接触时，通过驱动足和动子之间的摩擦耦合即实现了动子的宏观运动输出。如果调整两路激励信号的相位差为-90°，可以实现反向驱动。本发明中的变幅杆采用变截面设计能够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。四个驱动足同时参与驱动，可以成倍提高电机的机械输出能力，并且该振子充分利用振动产生了能量，可有效提高输出效率。

本发明所述的超声电机振子采用工字型结构实现了四足驱动，使得其结构得到极大简化，便于实现振子的微型化，也极大程度的简化了加工和装配工艺；竖直复合梁和水平复合梁的结合位置位于水平复合梁的纵振模态振型的节面处，使得水平复合梁在纵振时不会对竖直复合梁中产生振动耦合，从而有效的降低了振子中存在的振动耦合问题，保证竖直复合梁的振动状态为单一的纵向振动，可有效提高四个水平变幅杆末端驱动区域质点振动轨迹的一致性。因此，本发明有效的克服了现有矩形四足直线超声电机振子中存在的由振动耦合和耦生弯振所带来的各种不利影响。

本发明具有结构简单、设计灵活、加工和装配简单、可系列化生产的优点。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明的立体结构示意图；

图3为本发明中压电陶瓷片的极化方向示意图；

图4为本发明所述电机振子的第一个基本振动模态振型示意图；

图5为本发明所述电机振子的第二个基本振动模态振型示意图。

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，本实施方式所述夹心式工字型四足直线超声电机振子，它包括两个水平复合梁1和一个竖直复合梁2，

两个水平复合梁1和竖直复合梁2呈工字形排布，

两个水平复合梁1的结构相同；所述水平复合梁1由两个水平变幅杆1-1、两对压电陶瓷片1-2、水平法兰1-3、预紧螺柱1-4、绝缘套1-5和电极片1-6组成，竖直复合梁2由两个竖直变幅杆2-1、两对压电陶瓷片1-2、竖直法兰2-2、绝缘套1-5和电极片1-6组成，

所述水平变幅杆1-1和竖直变幅杆2-1的结构相同，其中所述竖直变幅杆2-1由连接杆和变幅杆组成，所述连接杆为截面为圆形或方形的柱体，该连接杆的一端的端面中心设置有一个带内螺纹的盲孔，该连接杆的另一端固定连接变幅杆，该变幅杆为截面为圆形或方形并且向其末端逐渐变细的块体，并且所述变幅杆的大端面与连接杆的界面形状相同；

每个水平复合梁1的两个水平变幅杆1-1的盲孔分别旋合在预紧螺柱1-4的两端，预紧螺柱1-4上套接水平法兰1-3，该水平法兰1-3与每个水平变幅杆1-1之间的预紧螺柱1-4上均套接一对压电陶瓷片1-2，该对压电陶瓷片1-2夹固在水平变幅杆1-1与水平法兰1-3之间，压电陶瓷片1-2与预紧螺柱1-4的接触面之间设置绝缘套1-5，水平变幅杆1-1与压电陶瓷片1-2的接触面之间以及每对压电陶瓷片1-2的两片压电陶瓷片之间均设置有电极片1-6；

竖直法兰2-2的两侧端面中心沿其中心线分别设置向外伸出的螺柱2-2-1，每根螺柱2-2-1上套接一对压电陶瓷片1-2，每根螺柱2-2-1的端部与一个竖直变幅杆2-1的盲孔旋合，并将所述一对压电陶瓷片1-2压紧，每对压电陶瓷片1-2与螺柱2-2-1的接触面之间设置绝缘套1-5，竖直变幅杆2-1与压电陶瓷片1-2的接触面之间以及每对压电陶瓷片1-2的两片压电陶瓷片之间均设置有电极片1-6；

两个竖直变幅杆2-1的小端面分别与两个水平复合梁1的水平法兰1-3的内侧面固定连接。

本实施方式中，两个水平变幅杆1-1分别通过其盲孔旋合于预紧螺柱1-4的两端，从而实现对压电陶瓷片1-2和水平法兰1-3的紧固。

所述电机振子在应用的时候，与水平变幅杆1-1和竖直变幅杆2-1相邻的电极片1-6与驱动电源的公共端连接，两个水平复合梁1上所固定的四对压电陶瓷片1-2中每两片压电陶瓷片1-2之间的电极片1-6均与一相驱动信号连接，竖直复合梁2上固定的两对压电陶瓷片1-2中每两片压电陶瓷片1-2之间的电极片1-6均与另外一相驱动信号连接。

在应用中，竖直法兰2-2可用于振子的安装和固定，由于竖直法兰2-2设置在竖直复合梁2纵振模态振型的波节位置，其与外部构件的固定对振子自身振动特性的影响十分微弱。

具体实施方式二：下面结合图1和图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，本实施方式所述每个竖直变幅杆2-1和与该竖直变幅杆2-1连接的水平法兰1-3为一体件。

将所述竖直变幅杆2-1与对应的水平法兰1-3呈一体化加工，可简化加工和装配工艺、保证加工精度。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，本实施方式所述电机振子还包括四片摩擦片3，该四片摩擦片3分别固定于四个水平变幅杆1-1的末端。

摩擦片3的设置可起到增大摩擦系数、提高耐磨性的作用。

具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步说明，所述摩擦片3为截面与其所在水平变幅杆1-1的末端的端面形状相同的块体。

具体实施方式五：下面结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，本实施方式所述所有压电陶瓷片1-2均沿厚度方向极化，每对压电陶瓷片1-2中的两片压电陶瓷片1-2的极化方向相反，两个水平复合梁1上相应位置的压电陶瓷片1-2的极化方向相反。

图4所示的振动模态为两个水平复合梁1纵振所激励的模态，对应引起水平变幅杆1-1末端质点沿水平方向的振动；图5所示的振动模态为竖直复合梁2纵振所激励的模态，对应引起水平变幅杆1-1末端质点沿竖直方向的振动。

Claims (5)

1.一种夹心式工字型四足直线超声电机振子，它包括两个水平复合梁(1)和一个竖直复合梁(2)，其特征在于：

两个水平复合梁(1)和竖直复合梁(2)呈工字形排布，

两个水平复合梁(1)的结构相同；所述水平复合梁(1)由两个水平变幅杆(1-1)、两对压电陶瓷片(1-2)、水平法兰(1-3)、预紧螺柱(1-4)、绝缘套(1-5)和电极片(1-6)组成，竖直复合梁(2)由两个竖直变幅杆(2-1)、两对压电陶瓷片(1-2)、竖直法兰(2-2)、绝缘套(1-5)和电极片(1-6)组成，

所述水平变幅杆(1-1)和竖直变幅杆(2-1)的结构相同，其中所述竖直变幅杆(2-1)由连接杆和变幅杆组成，所述连接杆为截面为圆形或方形的柱体，该连接杆的一端的端面中心设置有一个带内螺纹的盲孔，该连接杆的另一端固定连接变幅杆，该变幅杆为截面为圆形或方形并且向其末端逐渐变细的块体，并且所述变幅杆的大端面与连接杆的界面形状相同；

每个水平复合梁(1)的两个水平变幅杆(1-1)的盲孔分别旋合在预紧螺柱(1-4)的两端，预紧螺柱(1-4)套接水平法兰(1-3)，该水平法兰(1-3)与每个水平变幅杆(1-1)之间的预紧螺柱(1-4)均套接一对压电陶瓷片(1-2)，该对压电陶瓷片(1-2)夹固在水平变幅杆(1-1)与水平法兰(1-3)之间，压电陶瓷片(1-2)与预紧螺柱(1-4)的接触面之间设置绝缘套(1-5)，水平变幅杆(1-1)与压电陶瓷片(1-2)的接触面之间以及每对压电陶瓷片(1-2)的两片压电陶瓷片之间均设置有电极片(1-6)；

竖直法兰(2-2)的两侧端面中心沿其中心线分别设置向外伸出的螺柱(2-2-1)，每根螺柱(2-2-1)套接一对压电陶瓷片(1-2)，每根螺柱(2-2-1)的端部与一个竖直变幅杆(2-1)的盲孔旋合，并将所述一对压电陶瓷片(1-2)压紧，每对压电陶瓷片(1-2)与螺柱(2-2-1)的接触面之间设置绝缘套(1-5)，竖直变幅杆(2-1)与压电陶瓷片(1-2)的接触面之间以及每对压电陶瓷片(1-2)的两片压电陶瓷片之间均设置有电极片(1-6)；

两个竖直变幅杆(2-1)的小端面分别与两个水平复合梁(1)的水平法兰(1-3)的内侧面固定连接。

2.根据权利要求1所述的夹心式工字型四足直线超声电机振子，其特征在于：每个竖直变幅杆(2-1)和与该竖直变幅杆(2-1)连接的水平法兰(1-3)为一体件。

3.根据权利要求1所述的夹心式工字型四足直线超声电机振子，其特征在于：所述电机振子还包括四片摩擦片(3)，该四片摩擦片(3)分别固定于四个水平变幅杆(1-1)的末端。

4.根据权利要求3所述的夹心式工字型四足直线超声电机振子，其特征在于：所述摩擦片(3)为截面与其所在水平变幅杆(1-1)的末端的端面形状相同的块体。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的夹心式工字型四足直线超声电机振子，其特征在于：所有压电陶瓷片(1-2)均沿厚度方向极化，每对压电陶瓷片(1-2)中的两片压电陶瓷片(1-2)的极化方向相反，两个水平复合梁(1)上相应位置的压电陶瓷片(1-2)的极化方向相反。

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