CN103354431B - 一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子，所述超声电机振子为左右对称结构，包括两个变幅杆、振动压电陶瓷片、中性板、绝缘套、电极片；所述的超声电机振子以中性板为中心，变幅杆在中性板两侧对称分布；振动压电陶瓷片套装在螺柱上，设置在变幅杆与中性板之间，所述的振动压电陶瓷片在整体上被分成对称布置的两组，两组压电陶瓷片个数相等且绝缘；每组内相邻两半片压电陶瓷片为一对，每对压电陶瓷片极化方向相反；且对数为偶数。本发明的纵弯复合模态夹心式超声电机振子具有非常好的对称性，使得电机控制方式多样化，结构更简单，成本降低。

Description

一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子

技术领域

本发明涉及压电超声电机领域，具体来说涉及一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子。

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、无需变速结构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。目前，作为一种新型驱动器有着广泛的应用。

出于压电陶瓷驱动方式简单、多样性，具有很强的机电互补特性，目前压电超声电机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。

传统的夹心式纵弯超声电机纵振和弯振压电陶瓷分别设计和激励，给结构设计、纵弯模态匹配、驱动和控制带来很大困难，也电机的输出特性和能力受限。且由于压电陶瓷片的价格高，这种分别设计和激励使得经济成本高，电学匹配受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子，以解决现有的纵弯复合模态振子陶瓷片布置受限、结构复杂、经济成本高、电学匹配受限的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子，所述超声电机振子为左右对称结构，包括两个变幅杆、振动压电陶瓷片、中性板、绝缘套、电极片；所述的变幅杆是截面逐渐变细的块体，变幅杆的小端面为驱动足，变幅杆的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔；所述的中性板带有安装座，中心有通孔，螺柱穿过中性板；所述的超声电机振子以中性板为中心，变幅杆在中性板两侧对称分布，振动压电陶瓷片套装在螺柱上，设置在变幅杆与中性板之间，在中性板的两侧对称分布；所述的振动压电陶瓷片在整体上被分成对称布置的第一组振动压电陶瓷片和第二组振动压电陶瓷片，所述的每片振动压电陶瓷片沿对称面分成第一组的半片压电陶瓷片与第二组的半片压电陶瓷片，所述的第一组由同一侧的半片压电陶瓷片组成，所述的第二组由另一侧的半片压电陶瓷片组成，第一组的电陶瓷片与第二组的压电陶瓷片个数相等且绝缘；每组内相邻两半片压电陶瓷片为一对，每对压电陶瓷片极化方向相反；每组压电陶瓷片对数为大于或者等于2的偶数，两个变幅杆通过大端面的螺纹孔分别旋合在螺柱的两端，从而将振动压电陶瓷片压紧在中性板和变幅1之间；中性板和振动压电陶瓷片之间、每组内相邻两个半片压电陶瓷片之间、振动压电陶瓷片和变幅杆大端面的接触面之间分别设置一片电极片。

作为一优选方案，所述的超声电机振子第一组内有两对压电陶瓷片，第二组内有两对压电陶瓷片，每组压电陶瓷片个数相等且为4。

在优选方案的基础上，所述的每片振动压电陶瓷片的第一组的压电陶瓷片与第二组的对应压电陶瓷片为一体件。

作为另外一实施方式，所述的每片振动压电陶瓷片的第一组的压电陶瓷片与第二组的压电陶瓷片分别为独立件。

依上述的一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子，所述振动压电陶瓷片的横截面为中间带孔的矩形或圆形。

所述变幅杆和驱动足为一体件。

所述中性板和安装座为一体件，所述的安装座为一个。

与现有技术相比，采用上述技术方案的效果是：本发明采用偶数对的振动压电陶瓷片，其中，每对振动压电陶瓷片）由两片振动压电陶瓷片组成；每片振动压电陶瓷片沿对称面分成第一组压电陶瓷片与第二组压电陶瓷片，所有振动压电陶瓷片在整体上被分为分成第一组、第二组对称两组，两组压电陶瓷片极化区空间布置对称，相对称的第一组压电陶瓷片与第二组压电陶瓷片极化方向相同或相反，且相互绝缘；所述的组成每对振动压电陶瓷片的两片振动压电陶瓷片，在相同组中极化方向相反。如此便不再区分哪组是纵振压电陶瓷片，哪组是弯振压电陶瓷片，改变了传统的纵弯复合模态夹心式超声电机振子对压电陶瓷片在结构上的设计，使本发明的纵弯复合模态夹心式超声电机振子具有非常好的对称性，这种在结构、控制特性和阻抗特性上对称性，使得电机控制方式多样化，通过改变驱动电源的两相电压幅值，可以改变椭圆运动轨迹的大小；改变驱动电源的两相电压相位差或两相电压幅值差，可以改变椭圆运动轨迹的形状和大小，改善驱动质量。在电学匹配时，两路驱动电源的匹配电路完全相同。由匹配电路引起的驱动电压的相角偏差与幅值偏差完全相同，从而严格保证加在电机上的两路驱动电压的相位差和幅值差。

本发明的纵弯复合模态夹心式超声电机振子中的振动压电陶瓷采用幅值相等或有一定差值、频率为稍高于振子自身谐振频率、相位差为π/2的两路交流电压信号激励，利用振动压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励纵振模态和弯曲模态，纵振和弯振模态叠加在两个驱动足表面质点产生椭圆轨迹振动，进而通过驱动足和动子之间的摩擦作用，使动子产生运动，充分利用纵振和弯振能量实现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-π/2，可以实现反向驱动。

第一组内有两对压电陶瓷片，第二组内有两对压电陶瓷片是本发明的一个优选方案，与本发明的第一个方案相比，每组内的半片压电陶瓷片个数相等且为4，即只有两对振动压电陶瓷片，结构更简单，成本降低，电机的机械输出能力却并未减弱，且性能稳定、易于控制。

每片振动压电陶瓷片的第一组压电陶瓷片与第二组压电陶瓷片为一体件；所述的每片振动压电陶瓷片的第一组的压电陶瓷片与第二组的压电陶瓷片为独立件。这种设计，使纵弯复合模态夹心式超声电机振子结构更简单，设计灵活，易于检修、替换，可系列化生产。

附图说明

图1为本发明所述电机振子的优选实施例的剖视图。

图2为本发明所述电机振子的立体结构示意图。

图3为本发明所述电机振子的两对振动压电陶瓷片的极化方向示意图（每片为独立件极化方向相同）。

图4为本发明所述电机振子的两对振动压电陶瓷片的极化方向示意图（每片为独立件极化方向相反）。

图5为本发明所述电机振子的两对振动压电陶瓷片的极化方向示意图（每片为一体件极化方向相同）。

图6为本发明所述电机振子的两对振动压电陶瓷片的极化方向示意图（每片为一体件极化方向相反）。

图7为本发明所述的一整片压电陶瓷正面示意图（阴影部分为镀银区，可导电，未镀银区绝缘，且左边和右边镀银区极化方向相反）。

图8为本发明一所述的整片压电陶瓷反面示意图（阴影部分为镀银区，可导电）。

图9为本发明所述电机振子的纵振模态振型示意图。

图10为本发明所述电机振子的弯振模态振型示意图。

在图中：1、变幅杆，2、振动压电陶瓷片，3、中性板，4、电极片，5、螺柱，6、绝缘套，1-1、驱动足，3-1、安装座，2-1、第一组的半片压电陶瓷片，2-2、第二组的半片压电陶瓷片。

具体实施方式

下面结合附图和本实施例，对本发明作详细说明：

本发明的实施例如图1和图2所示，纵弯复合模态夹心式超声电机振子为左右对称结构，包括两个变幅杆1、两对振动压电陶瓷片2、中性板3、绝缘套6、六个电极片4；所述的变幅杆1是截面逐渐变细的块体，变幅杆1的小端面为驱动足；变幅杆1的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔；所述中性板3中心有通孔，并且中性板上带有一个安装座3-1；螺柱5上套有四片振动压电陶瓷片2和中性板3，且螺柱5与套在其上的振动压电陶瓷片2和中性板3之间置有绝缘套6，两个变幅杆1通过大端面的螺纹孔分别旋合在螺柱的两端，从而将四片纵振动电陶瓷片压紧在中性板和变幅杆之间；中性板3和振动压电陶瓷片2之间、两个振动压电陶瓷片2之间、振动压电陶瓷片2和变幅杆大端面的接触面之间分别设置一片电极片4。振动压电陶瓷片2横截面为矩形。中性板3和安装座3-1为一体件。

本发明的纵弯复合模态夹心式超声电机振子在应用的时候，位于中性板3和振动压电陶瓷片2之间的两个电极片4，振动压电陶瓷片2与变幅杆变幅杆大端面的接触面之间的两个电极片4均与驱动电源的公共端连接，位于第一组的振动压电陶瓷片2-1之间的两个电极片4与驱动电源的一相驱动信号连接，位于第二组的振动压电陶瓷半片2-2之间的两个电极片4与驱动电源的另外一相驱动信号连接。

具体实施方式二：参见图3、图5、图7和图8说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子的区别在于，所述的所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化、相邻两片振动压电陶瓷片2的极化方向相反，每片振动压电陶瓷片2对称切分成第一组的半片压电陶瓷片2-1与第二组的半片压电陶瓷片2-2，每片振动压电陶瓷片2的第一组的半片压电陶瓷片2-1和第二组的半片压电陶瓷片2-2极化方向相同。图3中，每片振动压电陶瓷片2的第一组的压电陶瓷片2-1与第二组的压电陶瓷片2-2为独立件。图5中，每片振动压电陶瓷片2的第一组的压电陶瓷片2-1与第二组的压电陶瓷片2-2为一体件。所述的一体件即为一整片压电陶瓷，图7是一整片压电陶瓷正面图，图中阴影部分为镀银区，可导电，未镀银区绝缘，且左边和右边镀银区极化方向相反；图8是一整片压电陶瓷反面图，阴影部分为镀银区，可导电。

具体实施方式三：参见图4、图6、图7和图8说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子的区别在于，所述的所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化、相邻两片振动压电陶瓷片2的极化方向相反，每片振动压电陶瓷片2对称切分成第一组的半片压电陶瓷片2-1与第二组的半片压电陶瓷片2-2，每片振动压电陶瓷片2的第一组的半片压电陶瓷片2-1和第二组的半片压电陶瓷片2-2极化方向相反。图4中，每片振动压电陶瓷片2的第一组的压电陶瓷片2-1与第二组的压电陶瓷片2-2分别为独立件。图6中，每片振动压电陶瓷片2的第一组的压电陶瓷片2-1与第二组的压电陶瓷片2-2为一体件。所述的一体件即为一整片压电陶瓷，图7是一整片压电陶瓷正面图，图中阴影部分为镀银区，可导电，未镀银区绝缘，且左边和右边镀银区极化方向相反；图8是一整片压电陶瓷反面图，阴影部分为镀银区，可导电。

具体实施方式四：本实施方式与上述具体实施方式所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子的区别在于，所述振动压电陶瓷片2横截面为矩形。

在上述具体实施方式的基础上，可以将中性板3和安装座3-1设计制造为一体件。也可以优选将变幅杆1和驱动足1-1设计制造成一体件。

参见图9和图10所示，是本发明所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子的两种振动模态的振型示意图，其中图9是纵振模态振型示意图，图10是弯振模态振型示意图。

Claims (7)

1.一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子，所述超声电机振子为左右对称结构，包括两个变幅杆（1）、振动压电陶瓷片（2）、中性板（3）、绝缘套（6）、电极片（4）；所述的变幅杆（1）是截面逐渐变细的块体，变幅杆（1）的小端面为驱动足（1-1）；所述的中性板（3）带有安装座（3-1），中心有通孔，螺柱(5)穿过中性板（3）；所述的超声电机振子以中性板（3）为中心，变幅杆（1）在中性板（3）两侧对称分布；振动压电陶瓷片（2）套装在螺柱(5)上，设置在变幅杆（1）与中性板（3）之间，在中性板（3）的两侧对称分布；其特征在于：所述的振动压电陶瓷片（2）在整体上被分成关于螺柱轴线对称布置的第一组振动压电陶瓷片和第二组振动压电陶瓷片，所述的每片振动压电陶瓷片（2）沿对称面分成半片压电陶瓷片（2-1）与半片压电陶瓷片（2-2），所述的第一组振动压电陶瓷片由同一侧的半片压电陶瓷片（2-1）组成，所述的第二组振动压电陶瓷片由另一侧的半片压电陶瓷片（2-2）组成，第一组振动压电陶瓷片的压电陶瓷片（2-1）与第二组振动压电陶瓷片的压电陶瓷片（2-2）个数相等且绝缘；每组内相邻两半片压电陶瓷片为一对，每对压电陶瓷片极化方向相反；每组压电陶瓷片对数为偶数；两个变幅杆（1）通过大端面的螺纹孔分别旋合在螺柱(5)的两端，将振动压电陶瓷片（2）压紧在中性板（3）和变幅杆（1）之间；中性板（3）和振动压电陶瓷片之间、每组内相邻两个半片压电陶瓷片之间、振动压电陶瓷片和变幅杆（1）大端面的接触面之间分别设置一片电极片（4）；第一组振动压电陶瓷片中各压电陶瓷片（2-1）间的电极片与驱动电源的一相驱动信号连接，第二组振动压电陶瓷片中各压电陶瓷片（2-2）间的电极片与驱动电源的另一相驱动信号连接；每片振动压电陶瓷片在两相驱动信号的激励下，耦合产生纵振模态和弯振模态。

2.依权利要求1所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子，其特征在于：第一组振动压电陶瓷片内有两对压电陶瓷片（2-1），第二组振动压电陶瓷片内有两对压电陶瓷片（2-2）。

3.依权利要求2所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子，其特征在于：所述的第一组振动压电陶瓷片的压电陶瓷片（2-1）与第二组振动压电陶瓷片的对应压电陶瓷片（2-2）为一体件。

4.依权利要求2所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子，其特征在于：所述的第一组振动压电陶瓷片的压电陶瓷片（2-1）与第二组振动压电陶瓷片的压电陶瓷片（2-2）分别为独立件。

5.依权利要求1至4所述的任一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子，其特征在于：所述振动压电陶瓷片（2）的横截面为中间带孔的矩形或圆形。

6.依权利要求5所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子，其特征在于：所述变幅杆（1）和驱动足（1-1）为一体件。

7.依权利要求6所述的纵弯复合模态夹心式超声电机振子，其特征在于：所述中性板（3）和安装座（3-1）为一体件，所述的安装座为一个。