CN103516251A - 一种纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机压电振子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机振子，属于超声波电机制造技术领域。该振子由双压电晶片悬臂梁(1、2)、压电叠堆-金属复合弹性梁(3)、质量块(4)、环行接触体(5)和基座(6)组成。双压电晶片悬臂梁(1、2)分别布置在质量块(4)的左、右两侧。压电叠堆-金属复合弹性梁(3)布置在质量块(4)的下端并与基座(6)相连。双压电晶片悬臂梁(1、2)和压电叠堆-金属复合弹性梁(3)及质量块(4)在空间上构成T型结构。利用双压电晶片悬臂梁(1、2)的反向弯曲振动及压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的上、下纵向振动，使环行接触体(5)的表面质点产生椭圆运动轨迹，实现对转子的扭转驱动。

Description

一种纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机压电振子
技术领域
本发明涉及一种纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机压电振子，可以实现精密驱动与定位功能，属于超声波电机制造的技术领域。
技术背景
超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为电机定子的振动，然后通过电机定子和转子之间的摩擦耦合驱动电机转子作旋转(或直线)运动。超声波电机具有结构紧凑、低速大力矩、响应速度快、控制特性好、不受电磁干扰、定位精度高、噪声小、可直接驱动负载等优点，广泛应用于国防、军事、工业、医疗以及国民生产生活等各个领域。
国内外有较多的专利申请涉及压电超声波电机及压电振子，典型的压电超声波电机振子结构主要是环行、纵扭复合型等机构，这些压电振子结构复杂，加工工艺烦琐，如环行行波型超声波的压电振子表面加工了几十个齿状结构，纵扭复合型超声波电机通过设计结构复杂的压电振子以便调谐纵振模态和扭振模态的频率一致性。另外，该电机的纵振动模态和扭转振动模态难以独立控制，造成电机驱动控制器的设计烦琐复杂。复杂结构的压电振子使得上述超声波电机难以微型化，不利于在空间尺寸要求比较严格的领域(如微驱动技术)的应用。
发明内容
本发明提出一种纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机压电振子，该振子结构简单，便于加工制作；且振子的纵振动模态和弯曲／扭转振动模态可以分别独立控制。
本发明采用的实施方案是：该超声波电机振子由双压电晶片悬臂梁(1)、双压电晶片悬臂梁(2)、压电叠堆-金属复合弹性梁(3)、质量块(4)、环行接触体(5)和基座(6)组成。双压电晶片悬臂梁(1)由两片极化方向相反的压电陶瓷(101、103)通过环氧树脂胶粘接在金属基体(102)的上、下表面，形成夹心结构。双压电晶片悬臂梁(2)由两片极化方向相反的压电陶瓷(201、203)通过环氧树脂胶粘接在金属基体(202)的上、下表面，形成夹心结构。悬臂梁(1)的左端与基座(6)固定，右端与质量块(4)相连。悬臂梁(2)的右端与基座(6)固定，左端与质量块(4)相连。压电叠堆-金属复合弹性梁(3)由压电叠堆(301)通过环氧树脂胶与金属弹性体(302)相连成一体，压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的上端与质量块(4)相连，下端固定在基座(6)上。悬臂梁(1)、悬臂梁(2)和压电叠堆-金属复合弹性梁(3)与质量块(4)在空间上构成T型结构。当给叠堆式压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的压电叠堆(301)施加超声频域的正弦交流电压V1时，压电叠堆(301)产生沿其轴线的上下伸缩振动，该振动通过金属弹性体(302)的放大作用后，推动质量块(4)和环行接触体(5)一起作上、下往复振动。当环行接触体(5)作向上的振动时，迫使环行接触体(5)与转子压紧接触。当给双压电晶片悬臂梁(1)和(2)的压电陶瓷施加一个与V1同频率、同幅值的余弦电压V2时，悬臂梁(1)和(2)同时作等幅、反向的弯曲振动。悬臂梁(1)和(2)的反向弯曲振动作用在质量块(4)上，形成一个扭转力矩，该扭转力矩驱动质量块(4)和环行接触体(5)产生绕其中心轴的扭转运动。环行接触体(5)同时作上下往复纵振动和绕其中心轴的扭转运动，两者合成后，在环行接触体(5)的表面质点产生椭圆运动轨迹，该轨迹推动转子作旋转运动。
本发明采用的实施方案是：超声波电机振子模态选择压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的一阶纵振动模态、悬臂梁(1)和(2)的一阶弯曲振动模态，该电机是一种多模态复合型电机。
本发明采用的实施方案是：电机振子的工作频率为18880Hz。
附图说明
图1是本发明的总体结构剖面示意图和俯视图；
图2是本发明的三维实体有限元网格视图；
图3是压电振子的两个振动模态图。图3(a)是当压电叠堆(301)受到正弦电压激励时，压电叠堆-金属复合弹性梁(3)产生上下振动的模态图；图3(b)是悬臂梁(1)和(2)的压电陶瓷受正弦电压激励时，悬臂梁(1)和(2)产生弯曲振动，质量块(4)和环行接触体(5)产生轴心的扭转振动模态图；
图4是压电振子环行接触体(5)表面质点的椭圆运动轨迹。
具体实施方式
如图1、2所示，超声波电机振子由双压电晶片悬臂梁(1)、双压电晶片悬臂梁(2)、压电叠堆-金属复合弹性梁(3)、质量块(4)、环行接触体(5)和基座(6)组成。双压电晶片悬臂梁(1)由两片极化方向相反的压电陶瓷(101、103)通过环氧树脂胶粘接在金属基体(102)的上、下表面，形成夹心结构。双压电晶片悬臂梁(2)由两片极化方向相反的压电陶瓷(201、203)通过环氧树脂胶粘接在金属基体(202)的上、下表面，形成夹心结构。悬臂梁(1)的左端与基座(6)固定，右端与质量块(4)相连。悬臂梁(2)的右端与基座(6)固定，左端与质量块(4)相连。压电叠堆-金属复合弹性梁(3)由压电叠堆(301)通过环氧树脂胶与金属弹性体(302)相连成一体，压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的上端与质量块(4)相连，下端固定在基座(6)上。悬臂梁(1)、悬臂梁(2)和压电叠堆-金属复合弹性梁(3)与质量块(4)在空间上构成T型结构。
本发明实施方式中，当给压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的压电叠堆(301)施加超声频域的正弦交流电压V1时，压电叠堆(301)产生沿其轴线的上下伸缩振动，该振动通过金属弹性体(302)的放大作用后，推动质量块(4)和环行接触体(5)一起作上、下往复振动。同时，悬臂梁(1)和悬臂梁(2)产生大小相同、方向相同的上下弯曲振动。如图3(a)所示。当环行接触体(5)作向上的振动时，迫使环行接触体(5)与转子压紧接触。当给双压电晶片悬臂梁(1)和(2)的压电陶瓷施加一个与V1同频率、同幅值的余弦电压V2时，悬臂梁(1)和(2)同时作等幅、反向的弯曲振动。悬臂梁(1)和(2)的反向弯曲振动作用在质量块(4)上，形成一个扭转力矩，该扭转力矩驱动质量块(4)和环行接触体(5)产生绕其中心轴的扭转运动，如图3(b)所示。当同时给悬臂梁(1)和(2)的压电陶瓷、压电叠堆-金属复合弹性体(3)的压电叠堆(301)分别施加两个幅值、频率一致但相位差为90°的正弦交流信号时，环行接触体(5)同时作上下往复纵振动和绕其中心轴的扭转运动，两者合成后，在环行接触体(5)的表面质点产生椭圆运动轨迹，该轨迹推动转子作旋转运动。
本发明实施方式中，为了调节如图3(a)的纵振模态频率与如图3(b)的弯曲／扭转振动模态频率的一致性，分别减小压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的长度和增长悬臂梁(1)和(2)的长度。减小压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的长度，可以增加压电振子的纵向刚度，进而提高压电振子的纵向振动模态的频率；增长悬臂梁(1)和(2)的长度，可以减小悬臂梁(1)和(2)的弯曲刚度，进而减小悬臂梁的弯曲振动频率。经过上述优化设计，研制的一种纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机压电振子的工作频率为18880Hz。图4是压电振子环行接触体(5)表面质点的椭圆运动轨迹。

Claims (3)

1.一种纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机振子，其特征在于：该超声波电机振子由双压电晶片悬臂梁(1)、双压电晶片悬臂梁(2)、压电叠堆-金属复合弹性梁(3)、质量块(4)、环行接触体(5)和基座(6)组成。双压电晶片悬臂梁(1)由两片极化方向相反的压电陶瓷(101、103)通过环氧树脂胶粘接在金属基体(102)的上、下表面，形成夹心结构。双压电晶片悬臂梁(2)由两片极化方向相反的压电陶瓷(201、203)通过环氧树脂胶粘接在金属基体(202)的上、下表面，形成夹心结构。悬臂梁(1)的左端与基座(6)固定，右端与质量块(4)相连。悬臂梁(2)的右端与基座(6)固定，左端与质量块(4)相连。压电叠堆-金属复合弹性梁(3)由压电叠堆(301)通过环氧树脂胶与金属弹性体(302)相连成一体，压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的上端与质量块(4)相连，下端固定在基座(6)上。悬臂梁(1)、悬臂梁(2)和压电叠堆-金属复合弹性梁(3)与质量块(4)在空间上构成T型结构。当给叠堆式压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的压电叠堆(301)施加超声频域的正弦交流电压V1时，压电叠堆(301)产生沿其轴线的上下伸缩振动，该振动通过金属弹性体(302)的放大作用后，推动质量块(4)和环行接触体(5)一起作上、下往复振动。当环行接触体(5)作向上的振动时，迫使环行接触体(5)与转子压紧接触。当给双压电晶片悬臂梁(1)和(2)的压电陶瓷施加一个与V1同频率、同幅值的余弦电压V2时，悬臂梁(1)和(2)同时作等幅、反向的弯曲振动。悬臂梁(1)和(2)的反向弯曲振动作用在质量块(4)上，形成一个扭转力矩，该扭转力矩驱动质量块(4)和环行接触体(5)产生绕其中心轴的扭转运动。环行接触体(5)同时作上下往复纵振动和绕其中心轴的扭转运动，两者合成后，在环行接触体(5)的表面质点产生椭圆运动轨迹，该轨迹推动转子作旋转运动。
2.根据权利要求1所述的纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机振子，其特征在于：电机振子模态选择压电叠堆-金属复合弹性梁(3)的一阶纵振动模态、悬臂梁(1)和(2)的一阶弯曲振动模态，该电机是一种多模态复合型电机。
3.根据权利要求1所述的纵-弯-扭转复合型旋转式超声波电机振子，其特征在于：电机振子的工作频率为18880Hz。
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