CN102882423B - 复合弯振双足旋转超声电机振子 - Google Patents

Abstract

复合弯振双足旋转超声电机振子，涉及压电超声电机技术领域。它解决了现有纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子中存在的驱动足与转子之间预压力的施加复杂的问题。本发明振子的端盖均是截面为矩形并逐渐变细的块体，端盖的大端面两侧对称设置有两个薄壁梁，安装座设置于薄壁梁外侧，竖直弯振压电陶瓷片和水平弯振压电陶瓷片均套在螺柱上，四片水平弯振压电陶瓷片设置在中间位置，水平弯振压电陶瓷片两侧各设置有两片竖直弯振压电陶瓷片，两个端盖通过其大端面的螺纹孔分别旋合于螺柱的两端从而把竖直弯振压电陶瓷片和水平弯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

复合弯振双足旋转超声电机振子

技术领域

本发明涉及到一种复合弯振双足旋转超声电机振子，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，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。

出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前旋转型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。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。公开日为2012年2月22日、公开号为CN102361414A、发明名称为“带弹性支承的纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子”的专利申请，它首次提出了一种采用纵向振动和弯曲振动模态复合实现双足旋转驱动的压电超声电机新构型，具有结构简单、设计灵活、输出力矩大等优点；但是，由于该电机采用两个驱动足的小端面进行驱动，其与转子的接触形式为柱面接触，这使得驱动足与转子之间预压力的施加十分复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有“带弹性支承的纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子”中存在的驱动足与转子之间预压力的施加复杂的问题，本发明提供了一种复合弯振双足旋转超声电机振子。

复合弯振双足旋转超声电机振子，它包括两个端盖、四个薄壁梁、四个安装座、四片竖直弯振压电陶瓷片、四片水平弯振压电陶瓷片、绝缘套、螺柱、九个电极片和两个摩擦片；

所述每一个端盖均是截面为矩形并逐渐变细的块体，端盖的大端面的中心设置有一个带内螺纹的盲孔，且每一个端盖的大端面两侧对称设置有两个薄壁梁，每个薄壁梁外侧均设置有一个安装座；所述螺柱的两端均带螺纹；四片竖直弯振压电陶瓷片和四片水平弯振压电陶瓷片均套在螺柱上，其中，四片水平弯振压电陶瓷片设置在中间位置，四片竖直弯振压电陶瓷片分为两组，每组两片竖直弯振压电陶瓷片，两组竖直弯振压电陶瓷片分别设置在四片水平弯振压电陶瓷片的两侧，所述螺柱与每片竖直弯振压电陶瓷片和每片水平弯振压电陶瓷片之间均设置有绝缘套；

两个端盖通过其大端面的螺纹孔分别旋合于螺柱的两端，使得位于其中间的四片竖直弯振压电陶瓷片和四片水平弯振压电陶瓷片紧密接触；在每个端盖和与其相邻的竖直弯振压电陶瓷片之间固定有一个电极片；在相邻两个竖直弯振压电陶瓷片之间固定有一个电极片；在相邻两个水平弯振压电陶瓷片之间固定有一个电极片；在相邻的竖直弯振压电陶瓷片和水平弯振压电陶瓷片之间固定有一个电极片；两个摩擦片分别固定在两个端盖末端侧面；

每个竖直弯振压电陶瓷片和每个水平弯振压电陶瓷片均沿厚度方向极化，从任意一个端盖起的第一片与第二片竖直弯振压电陶瓷片极化方向相反、第二片与第三片竖直弯振压电陶瓷片极化方向相同、第三片与第四片竖直弯振压电陶瓷片极化方向相反，水平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；

每个竖直弯振压电陶瓷片均对称切分成两个半片压电陶瓷片，将极化方向相反的两个半片压电陶瓷片重新组合在一起形成一片完整的压电陶瓷片，每个水平弯振压电陶瓷片对称切分成两个半片压电陶瓷片，将极化方向相反的两个半片压电陶瓷片重新组合在一起形成一片完整的压电陶瓷片，四片竖直弯振压电陶瓷片的切分面共面，四片水平弯振压电陶瓷片的切分面共面，并且所述竖直弯振压电陶瓷片的切分面和水平弯振压电陶瓷片的切分面相互垂直。

本发明的优点是：本发明采用竖直弯振压电陶瓷片实现振子偶数阶竖直弯振模态的激励，采用水平弯振陶瓷片实现振子奇数阶弯振模态的激励。水平弯振陶瓷片设置于振子中间位置，该位置为振子奇数阶弯振模态振型的波腹位置；竖直弯振陶瓷片设置于水平弯振陶瓷片的两侧，分别位于振子偶数阶弯振的两个相邻的波腹位置；这种设置方式使得竖直弯振压电陶瓷片和水平弯振压电陶瓷片的伸缩振动可以高效的激励振子的弯曲振动。

本发明的复合弯振双足旋转超声电机振子通过调整端盖长度、端盖大小端截面比、压电陶瓷截面尺寸等构型参数来实现其奇数阶弯振模态和偶数阶弯振模态谐振频率趋于一致。振子中的弯振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。利用竖直弯振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出竖直方向的弯曲振动，对应引起端盖末端质点竖直方向的位移；利用水平弯振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出水平方向的弯曲振动，对应引起端盖末端质点水平方向的位移。两个弯曲振动模态叠加的结果是在两个摩擦片表面质点产生旋向相反的椭圆运动轨迹，进而通过摩擦片和转子之间的摩擦耦合实现转动输出，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。

本发明的复合弯振双足旋转超声电机振子与转子的接触方式和传统的贴片式环形行波超声电机一致，为平面接触，便于振子与转子之间预压力的施加；振子中的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联接对振子的弯曲振动模态的影响程度降到最低。

本发明的复合弯振双足旋转超声电机振子具有结构简单、设计灵活、驱动足与转子间预压力施加方便、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是本发明所述的复合弯振双足旋转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中竖直弯振压电陶瓷片4和水平弯振压电陶瓷片5的极化方向示意图；

图4是图1所示的振子工作时所利用的三阶弯曲振动模态的振型示意图；

图5是图1所示的振子工作时所利用的四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至图3说明本实施方式，本实施方式所述的复合弯振双足旋转超声电机振子，它包括两个端盖1、四个薄壁梁2、四个安装座3、四片竖直弯振压电陶瓷片4、四片水平弯振压电陶瓷片5、绝缘套6、螺柱7、九个电极片8和两个摩擦片9；

所述每一个端盖1均是截面为矩形并逐渐变细的块体，端盖1的大端面的中心设置有一个带内螺纹的盲孔，且每一个端盖1的大端面两侧对称设置有两个薄壁梁2，每个薄壁梁2外侧均设置有一个安装座3；所述螺柱7的两端均带螺纹；四片竖直弯振压电陶瓷片4和四片水平弯振压电陶瓷片5均套在螺柱7上，其中，四片水平弯振压电陶瓷片5设置在中间位置，四片竖直弯振压电陶瓷片4分为两组，每组两片竖直弯振压电陶瓷片4，两组竖直弯振压电陶瓷片分别设置在四片水平弯振压电陶瓷片5的两侧，所述螺柱7与每片竖直弯振压电陶瓷片4和每片水平弯振压电陶瓷片5之间均设置有绝缘套6；

两个端盖1通过其大端面的螺纹孔分别旋合于螺柱7的两端，使得位于其中间的四片竖直弯振压电陶瓷片4和四片水平弯振压电陶瓷片5紧密接触；在每个端盖1和与其相邻的竖直弯振压电陶瓷片4之间固定有一个电极片8；在相邻两个竖直弯振压电陶瓷片4之间固定有一个电极片8；在相邻两个水平弯振压电陶瓷片5之间固定有一个电极片8；在相邻的竖直弯振压电陶瓷片4和水平弯振压电陶瓷片5之间固定有一个电极片8；两个摩擦片9分别固定在两个端盖1末端侧面；

每个竖直弯振压电陶瓷片4和每个水平弯振压电陶瓷片5均沿厚度方向极化，从任意一个端盖1起的第一片与第二片竖直弯振压电陶瓷片4极化方向相反、第二片与第三片竖直弯振压电陶瓷片4极化方向相同、第三片与第四片竖直弯振压电陶瓷片4极化方向相反，水平弯振压电陶瓷片5中相邻两片弯振压电陶瓷片5的极化方向相反；

每个竖直弯振压电陶瓷片4均对称切分成两个半片压电陶瓷片4-1，将极化方向相反的两个半片压电陶瓷片4-1重新组合在一起形成一片完整的压电陶瓷片，每个水平弯振压电陶瓷片5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，四片竖直弯振压电陶瓷片4的切分面共面，四片水平弯振压电陶瓷片5的切分面共面，并且所述竖直弯振压电陶瓷片4的切分面和水平弯振压电陶瓷片5的切分面相互垂直。

本实施方式的复合弯振双足旋转超声电机振子在应用的时候，从端盖1起第一、三、五、七、九个电极片8与驱动电源的公共端连接，第二、八个电极片和驱动电源的一相驱动信号连接，第四、六个电极片8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复合弯振双足旋转超声电机振子的区别在于，所述竖直弯振压电陶瓷片4和水平弯振压电陶瓷片5的形状相同，其横截面均为方形或圆形。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的复合弯振双足旋转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。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

Claims (2)

1.复合弯振双足旋转超声电机振子，它包括两个端盖(1)、四个薄壁梁(2)、四个安装座(3)、四片竖直弯振压电陶瓷片(4)、四片水平弯振压电陶瓷片(5)、绝缘套(6)、螺柱(7)、九个电极片(8)和两个摩擦片(9)；

其特征在于：每一个端盖(1)均是截面为矩形并逐渐变细的块体，端盖(1)的大端面的中心设置有一个带内螺纹的盲孔，且每一个端盖(1)的大端面两侧对称设置有两个薄壁梁(2)，每个薄壁梁(2)外侧均设置有一个安装座(3)；所述螺柱(7)的两端均带螺纹；四片竖直弯振压电陶瓷片(4)和四片水平弯振压电陶瓷片(5)均套在螺柱(7)上，其中，四片水平弯振压电陶瓷片(5)设置在中间位置，四片竖直弯振压电陶瓷片(4)分为两组，每组两片竖直弯振压电陶瓷片(4)，两组竖直弯振压电陶瓷片分别设置在四片水平弯振压电陶瓷片(5)的两侧，所述螺柱(7)与每片竖直弯振压电陶瓷片(4)和每片水平弯振压电陶瓷片(5)之间均设置有绝缘套(6)；

两个端盖(1)通过其大端面的螺纹孔分别旋合于螺柱(7)的两端，使得位于其中间的四片竖直弯振压电陶瓷片(4)和四片水平弯振压电陶瓷片(5)紧密接触；在每一个端盖(1)和与其相邻的竖直弯振压电陶瓷片(4)之间固定有一个电极片(8)；在相邻两个竖直弯振压电陶瓷片(4)之间固定有一个电极片(8)；在相邻两个水平弯振压电陶瓷片(5)之间固定有一个电极片(8)；在相邻的竖直弯振压电陶瓷片(4)和水平弯振压电陶瓷片(5)之间固定有一个电极片(8)；两个摩擦片(9)分别固定在两个端盖(1)末端侧面；

每个竖直弯振压电陶瓷片(4)和每个水平弯振压电陶瓷片(5)均沿厚度方向极化，从任意一个端盖(1)起的第一片与第二片竖直弯振压电陶瓷片(4)极化方向相反、第二片与第三片竖直弯振压电陶瓷片(4)极化方向相同、第三片与第四片竖直弯振压电陶瓷片(4)极化方向相反，水平弯振压电陶瓷片(5)中相邻两片弯振压电陶瓷片(5)的极化方向相反；

每个竖直弯振压电陶瓷片(4)均对称切分成两个半片压电陶瓷片(4-1)，将极化方向相反的两个半片压电陶瓷片(4-1)重新组合在一起形成一片完整的压电陶瓷片，每个水平弯振压电陶瓷片(5)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，四片竖直弯振压电陶瓷片(4)的切分面共面，四片水平弯振压电陶瓷片(5)的切分面共面，并且所述竖直弯振压电陶瓷片(4)的切分面和水平弯振压电陶瓷片(5)的切分面相互垂直；

所述竖直弯振压电陶瓷片(4)和水平弯振压电陶瓷片(5)的形状相同，其横截面均为方形或圆形；

采用竖直弯振压电陶瓷片实现振子偶数阶竖直弯振模态的激励，采用水平弯振陶瓷片实现振子奇数阶弯振模态的激励；水平弯振陶瓷片设置于振子中间位置，该位置为振子奇数阶弯振模态振型的波腹位置；竖直弯振陶瓷片设置于水平弯振陶瓷片的两侧，分别位于振子偶数阶弯振的两个相邻的波腹位置；

通过调整端盖长度、端盖大小端截面比、压电陶瓷截面尺寸来实现其奇数阶弯振模态和偶数阶弯振模态谐振频率趋于一致；振子中的弯振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；利用竖直弯振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出竖直方向的弯曲振动，对应引起端盖末端质点竖直方向的位移；利用水平弯振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出水平方向的弯曲振动，对应引起端盖末端质点水平方向的位移；两个弯曲振动模态叠加的结果是在两个摩擦片表面质点产生旋向相反的椭圆运动轨迹，进而通过摩擦片和转子之间的摩擦耦合实现转动输出。

2.根据权利要求1所述的复合弯振双足旋转超声电机振子，其特征在于所述端盖(1)、薄壁梁(2)和安装座(3)为一体件。