CN102904480A - 夹心式方框型超声波电机振子 - Google Patents

Abstract

夹心式方框型超声波电机振子，属于超声波电机技术领域。它解决了现有夹心式超声波电机由于采用螺栓紧固结构，使得整体构成复杂、不紧凑的问题。它的4个振动体与保持架形成方框结构，4个振动体及片状直梁之间通过螺钉连接，每根片状直梁的两个侧面与相应的振动体的侧面之间均设置有一组压电陶瓷元件，每组压电陶瓷元件由两片压电陶瓷片组成，每片压电陶瓷片由左半片压电陶瓷片和右半片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷元件与振动体之间设置有一片电极片，每组压电陶瓷元件与片状直梁之间设置一片电极片，该组压电陶瓷元件的两片压电陶瓷片之间设置一片电极片。本发明作为一种超声电机振子。

Description

夹心式方框型超声波电机振子

技术领域

本发明涉及一种夹心式方框型超声波电机振子，属于超声波电机技术领域。

背景技术

超声电机作为一种全新概念的驱动装置，和传统的电磁电机相比，具有惯性小，不受磁场影响、运转安静、低速大扭矩、可直接带动负载、断电自锁及运动形式灵活多样等特点。超声波电机利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声波电机定子的振动能，再通过摩擦转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子(振子)、转子及预压力机构等功能部件组成。常见的贴片式圆环状的压电振子是通过将方形或扇形压电陶瓷粘贴在圆环状的弹性体上，从而形成由定子以及与该圆环状弹性体接触的转子组成的超声波电机。圆环状的压电振子在由压电陶瓷形成的圆环状的压电体的两面形成多个电极。多个电极包括第一及第二相的电极组。通过对第一相的电极组和第二相的电极组施加在时间上相位不同的高频电压，来产生两个驻波。再合成这两个驻波，在环状的弹性体和压电振子的表面产生行波。常见的V型电机采用两根梁的复合振动形成超声波电机，它的压电陶瓷工作在d₃₁模式，机电耦合效率较低，限制了电机的输出效率。同时，陶瓷材料的抗拉强度低于抗压强度，限制了弹性体的振幅。振子金属基体与压电陶瓷间使用粘结剂胶合，胶层的厚度、强度和寿命等因素限制了电机的性能和工作条件。

常见的杆式型超声波电机是利用圆形或方形杆式定子的弯曲固有模态或纵振固有模态来工作的。通常使用金属管或金属柱作为定子机体。压电陶瓷片或压电陶瓷薄膜通过螺栓或螺钉紧固方式固定在金属基体内部。预先设定压电陶瓷片的极化方向、组合方式，对压电陶瓷分别施加电压激励信号可以激励出直梁的弯曲位移或纵振位移。

可以利用杆式超声波电机构造V型电机。将两根杆式超声波电机合并称为一体，两杆间形成θ度夹角，从而在笛卡尔坐标系中形成X方向和Y的运动，两方向的运动合成为一椭圆形运动轨迹。金属弹性体驱动足通过与动子产生摩擦力驱动动子作直线或旋转运动。

现有的夹心式V型超声波电机常用于形成直线运动。当其单独使用驱动转子转动时，会对转子形成附加弯曲力偶，不利于转子平衡运动。

夹心式超声波与贴片式超声波电机相比，具有效率高、出力大、装配方便等优点，但由于螺栓紧固结构的限制，在小型化方向上受到一定限制。由于超声波电机在小型电机领域内更有发展前景，这使得研制小尺寸夹心式超声波电机成为一种必然。

发明内容

本发明是为了解决现有夹心式超声波电机由于采用螺栓紧固结构，使得整体构成复杂、不紧凑的问题，提供一种夹心式方框型超声波电机振子。

本发明所述夹心式方框型超声波电机振子，它包括4个振动体，它还包括8组压电陶瓷元件、24片电极片、保持架和4个螺钉，

保持架由圆筒部和四根片状直梁组成，四根片状直梁沿圆筒部外侧壁的圆周方向均匀分布，并且四根片状直梁所在平面相交于圆筒部轴线，

振动体为正交梁结构，每相邻两根片状直梁的末端之间设置一个振动体，4个振动体与保持架形成方框结构，4个振动体及片状直梁之间通过螺钉连接，

每根片状直梁的两个侧面与相应的振动体的侧面之间均设置有一组压电陶瓷元件，每组压电陶瓷元件由两片压电陶瓷片组成，每片压电陶瓷片由左半片压电陶瓷片和右半片压电陶瓷片组成，

每组压电陶瓷元件与振动体之间设置有一片电极片，每组压电陶瓷元件与片状直梁之间设置一片电极片，该组压电陶瓷元件的两片压电陶瓷片之间设置一片电极片；

压电陶瓷片沿厚度方向极化，每组压电陶瓷元件的两片压电陶瓷片的极化方向相反，组成每片压电陶瓷片的左半片压电陶瓷片和右半片压电陶瓷片的极化方向相反，位于同一根片状直梁两侧的压电陶瓷元件的极化方向相同，每根片状直梁所对应的两组压电陶瓷元件与相邻的一根片状直梁所对应的两组压电陶瓷元件的极化方向相同，该每根片状直梁所对应的两组压电陶瓷元件与相邻的另一根片状直梁所对应的两组压电陶瓷元件的极化方向相反。

振动体、电极片、压电陶瓷片及片状直梁相互之间粘接固定。

所述振动体的两个直梁端面分别具有螺纹孔和含台阶的圆柱形通孔，该螺纹孔和圆柱形通孔用于配合实现4个振动体之间的连接。

本发明的优点是：本发明所述电机振子整体尺寸小，输出力矩大，制造、装配方便，对转子结构限制小，特别适合于空间小、力矩大的应用场合，并将在国防科技、机电、微机械、医疗等方面有广阔的应用前景。

所述电机持子的结构简单，振动效率高、结构紧凑、简化。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为一组压电陶瓷元件的极性与相应的电极片示意图；

图3为8组压电陶瓷元件的极化方向示意图；

图4为振动体的侧视图；

图5为图4的D-D剖视图；

图6为保持架的立体结构示意图。

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，本实施方式所述夹心式方框型超声波电机振子，它包括4个振动体1，它还包括8组压电陶瓷元件2、24片电极片3、保持架4和4个螺钉5，

保持架4由圆筒部4-1和四根片状直梁4-2组成，四根片状直梁4-2沿圆筒部4-1外侧壁的圆周方向均匀分布，并且四根片状直梁4-2所在平面相交于圆筒部4-1轴线，

振动体1为正交梁结构，每相邻两根片状直梁4-2的末端之间设置一个振动体1，4个振动体1与保持架4形成方框结构，4个振动体1及片状直梁4-2之间通过螺钉5连接，

每根片状直梁4-2的两个侧面与相应的振动体1的侧面之间均设置有一组压电陶瓷元件2，每组压电陶瓷元件2由两片压电陶瓷片组成，每片压电陶瓷片由左半片压电陶瓷片和右半片压电陶瓷片组成，

每组压电陶瓷元件2与振动体1之间设置有一片电极片3，每组压电陶瓷元件2与片状直梁4-2之间设置一片电极片3，该组压电陶瓷元件2的两片压电陶瓷片之间设置一片电极片3；

压电陶瓷片沿厚度方向极化，每组压电陶瓷元件2的两片压电陶瓷片的极化方向相反，组成每片压电陶瓷片的左半片压电陶瓷片和右半片压电陶瓷片的极化方向相反，位于同一根片状直梁4-2两侧的压电陶瓷元件2的极化方向相同，每根片状直梁4-2所对应的两组压电陶瓷元件2与相邻的一根片状直梁4-2所对应的两组压电陶瓷元件2的极化方向相同，该每根片状直梁4-2所对应的两组压电陶瓷元件2与相邻的另一根片状直梁4-2所对应的两组压电陶瓷元件2的极化方向相反。

本实施方式中，振动体1的构成正交梁的两个直梁的相交尖点为驱动足，共四个驱动足。

将方框结构的电机振子的外轮廓看作四根直梁相互联接，则同一根直梁上的两组压电陶瓷元件2极化方向的排布方式相同，每根直梁与相邻的一根直梁上的两组压电陶瓷元件2的极化方向的排布方式相同，与相邻的另一根直梁上的两组压电陶瓷元件2的极化方向的排布方式相反。

相邻两根直梁的压电组件组整体沿周向间隔开π/2的中心角。

保持架4的四根片状直梁4-2沿圆筒部4-1外侧壁的圆周方向均匀分布呈十字梁结构，该超声波电机振子以保持架4为支撑结构。

电机振子的方框结构四边长度保持一致。

本实施方式所述电机振子使用时，沿周向相邻根直梁上的电极面对压电陶瓷元件2施加具有一定相位差的两项激励电流，所施加的激励电流相位相差可以为90°。与该超声波电机振子对应的转动体主体需为环形结构，内部具有锥度斜面，转动体内径与振子驱动足尺寸匹配。

工作原理：利用压电陶瓷的d₃₃模式，按电机振子为四根直梁相互联接结构，相对的两根直梁所含的两组压电陶瓷元件2加电后形成的整体弯曲变形，激励陶瓷组所在的两根直梁同时、同向的弯曲振动。另外两根直梁同时做被动弯曲振动，循环往复，定子就能够驱动预期相接处的运动部件产生某一方向的周期运动。采用另外两根直梁所含的成对压电陶瓷组形成的整体弯曲变形激励与前述运动方向垂直的振动，时间间隔为1/4周期。上述两个振动模态正交，频率相近，取两频率之间的某一频率为激振频率，在各个陶瓷组电极面上施加电场，激发陶瓷振动带动振动体振动，带动4个驱动足形成周期性椭圆形位移运动。

所述电机振子的振动体1、压电陶瓷元件2、电极片3以及保持架4的片状直梁4-2的末端以及螺钉5合成为振子的主激振体。螺钉5用于固定整个电机振子，

振动体1可由钢质材料制成，也可采用其它可实现弹性振动的金属材料制成。

压电陶瓷元件2可由锆钛酸铅类压电陶瓷形成，也可以是聚偏氟乙烯、氮化铝的其它压电材料形成的压电体。压电陶瓷元件2表面有Al、Cu、Ag、Ag-Pd合金等适当的金属材料涂层。

保持架4可由钢质材料形成，也可由其它可实现弹性振动的金属材料，如铜、铝等制成。

图2中的+、-代表符号所在压电陶瓷电极面的极性。压电陶瓷元件2具有压电体及形成于压电体两面的一对电极，任意电极片两侧面对称贴靠的两片陶瓷极化方向相反。在电机运转过程中，每组压电陶瓷元件2所对应的中间电极片接一相外加电压，两端电极片接地始终保持零电压。

图3中，左右两侧的压电陶瓷元件2用于构成A相驱动部的压电组件，对该压电组件标注A+或A-表示；上下两侧的压电陶瓷元件2用于构成B相驱动部的压电组件，对该压电组件标注B+或B-表示。所谓A+和A-是指压电体沿周向方向上陶瓷组极化方式相反。对于B相驱动部，也采用相同的结构。

图3所示，A+相与A-相压电陶瓷元件接地电极面接零电压，外加输入电压电极面施加Asin(wt)激励信号，同时在B+相与B-相压电陶瓷元件接地电极面接零电压，外加输入电压电极面施加Acos(wt)激励信号，将振动体表面也接地保持零电压，由上述加电方式保证相邻两根直梁所含的压电陶瓷元件的激励电场相位相差π/2。若施加的激励信号的频率在振动体的两项正交弯曲共振模态频率范围之间，则图1中四个驱动足上会激励出相同旋转方向的椭圆运动。因4根直梁上的陶瓷组的极化方式的不同，以及施加两项电场相位相差π/2，最终在4个驱动足上激励出椭圆运动时间相位也相差π/2，可以稳定的驱动转子转动。

压电陶瓷元件2的左半片压电陶瓷片和右半片压电陶瓷片分别具有长方形平面形状，单侧长边中心位置留有半圆孔。因此能够廉价且高效地进行制造。压电陶瓷元件2也可以采用多块扇形及矩形陶瓷拼接等构成形式。

图6所示，保持架4由空心圆柱与侧翼上4根片状直梁构成，片状直梁上预留有螺钉孔。但是，该保持架4主要起支撑作用，可改变结构形状成十字梁、两片直梁交叉等类似结构。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，振动体1、电极片3、压电陶瓷片及片状直梁4-2相互之间粘接固定。

具体实施方式三：下面结合图1、图4和图5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，所述振动体1的两个直梁端面分别具有螺纹孔和含台阶的圆柱形通孔，该螺纹孔和圆柱形通孔用于配合实现4个振动体1之间的连接。

本实施方式中，组成电机振子的所有元件通过相应的螺钉5紧固，螺钉5的螺钉头朝向沿方框型电机所处平面的周向同向排布，从而使所述的夹心式方框型超声波电机振子成旋转中心对称结构。

图4和图5是振动体的示意图，图5是表示振动体沿一端面几何中心打一螺纹孔，沿另一端面几何中心打一台阶通孔，两孔用于螺钉5紧固。

所述电机振子的整体结构为旋转中心对称结构，各直梁的宽度、长度等尺寸相应一致，可作微小幅度调整。

Claims (3)

1.一种夹心式方框型超声波电机振子，它包括4个振动体(1)，其特征在于：它还包括8组压电陶瓷元件(2)、24片电极片(3)、保持架(4)和4个螺钉(5)，

保持架(4)由圆筒部(4-1)和四根片状直梁(4-2)组成，四根片状直梁(4-2)沿圆筒部(4-1)外侧壁的圆周方向均匀分布，并且四根片状直梁(4-2)所在平面相交于圆筒部(4-1)轴线，

振动体(1)为正交梁结构，每相邻两根片状直梁(4-2)的末端之间设置一个振动体(1)，4个振动体(1)与保持架(4)形成方框结构，4个振动体(1)及片状直梁(4-2)之间通过螺钉(5)连接，

每根片状直梁(4-2)的两个侧面与相应的振动体(1)的侧面之间均设置有一组压电陶瓷元件(2)，每组压电陶瓷元件(2)由两片压电陶瓷片组成，每片压电陶瓷片由左半片压电陶瓷片和右半片压电陶瓷片组成，

每组压电陶瓷元件(2)与振动体(1)之间设置有一片电极片(3)，每组压电陶瓷元件(2)与片状直梁(4-2)之间设置一片电极片(3)，该组压电陶瓷元件(2)的两片压电陶瓷片之间设置一片电极片(3)；

压电陶瓷片沿厚度方向极化，每组压电陶瓷元件(2)的两片压电陶瓷片的极化方向相反，组成每片压电陶瓷片的左半片压电陶瓷片和右半片压电陶瓷片的极化方向相反，位于同一根片状直梁(4-2)两侧的压电陶瓷元件(2)的极化方向相同，每根片状直梁(4-2)所对应的两组压电陶瓷元件(2)与相邻的一根片状直梁(4-2)所对应的两组压电陶瓷元件(2)的极化方向相同，该每根片状直梁(4-2)所对应的两组压电陶瓷元件(2)与相邻的另一根片状直梁(4-2)所对应的两组压电陶瓷元件(2)的极化方向相反。

2.根据权利要求1所述的夹心式方框型超声波电机振子，其特征在于：振动体(1)、电极片(3)、压电陶瓷片及片状直梁(4-2)相互之间粘接固定。

3.根据权利要求1或2所述的夹心式方框型超声波电机振子，其特征在于：所述振动体(1)的两个直梁端面分别具有螺纹孔和含台阶的圆柱形通孔，该螺纹孔和圆柱形通孔用于配合实现4个振动体(1)之间的连接。

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