CN104022678B - 分区激励式三自由度超声电机振子 - Google Patents

Abstract

分区激励式三自由度超声电机振子，涉及压电超声电机技术领域。它是为了解决现有三自由度超声电机的陶瓷材料利用不充分，造成材料浪费的问题。本发明的分区激励式三自由度超声电机振子中的压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作，有效提高振子机电耦合效率、改善机械输出能力。薄壁梁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。本发明的分区激励式三自由度超声电机振子仅采用两对压电陶瓷片，实现了结构的简化，节省了陶瓷材料的使用；在球体的三种驱动模式中，充分激励振子中所有的压电陶瓷，实现了压电陶瓷的最大化利用。本发明适用于压电超声电机技术领域。

Description

分区激励式三自由度超声电机振子

技术领域

本发明涉及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。

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。但是，传统的压电金属复合梁纵弯复合振动激励必须采用纵振陶瓷和弯振陶瓷两部分陶瓷，例如公开日为2003年1月1日、公开号为CN1388637A、发明名称为“单定子三自由度超声电机”的专利申请，它提出了一种单定子三自由度超声电机，其结构相对简单，可精确实现三自由度运动；但是，该电机依旧采用纵振陶瓷和弯振陶瓷两部分陶瓷来分别激励纵向振动和弯曲振动，两部分陶瓷的共同存在既增大了电机振子的质量，又增长了电机振子的长度；且在电机仅利用单向弯曲振动时，部分弯振陶瓷未被激励而闲置，造成陶瓷材料的浪费。

发明内容

本发明是为了解决现有三自由度超声电机的陶瓷材料利用不充分，造成材料浪费的问题，从而提供了一种分区激励式三自由度超声电机振子。

分区激励式三自由度超声电机振子，它包括两个端盖1、四片压电陶瓷片2、法兰3、两个薄壁梁4、两个安装座5、两个绝缘套6和十个电极片7；

端盖1是一端为螺纹孔，、另一端为沉孔的块体，所述沉孔上边缘为球体驱动边界，该边界为圆形；所述法兰3的两个端面上分别设置有一个螺柱3-1，每个螺柱3-1上均套有一对压电陶瓷片2，位于上方的端盖1与法兰3之间压紧有一对压电陶瓷片2，位于下方的端盖1与法兰3之间压紧有一对压电陶瓷片2；在法兰3和压电陶瓷片2之间、两片压电陶瓷片2之间分别固定有电极片7，两片压电陶瓷片2之间的电极片7为四个相同的小型电极片，且所述同一平面内的四个电极片之间留有间隙；螺柱3-1与压电陶瓷片2、电极片7之间设置有绝缘套6，所述两个薄壁梁4对称设置于法兰3的两个侧面上，两个安装座5分别设置于两个薄壁梁4的外侧。

本发明的有益效果是：本发明的分区激励式三自由度超声电机振子中的压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作，可以有效提高振子机电耦合效率、改善机械输出能力。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。本发明的分区激励式三自由度超声电机振子仅采用两对压电陶瓷片，实现了结构的简化，节省了陶瓷材料的使用；并且在球体的三种驱动模式中，充分激励振子中所有的压电陶瓷，实现了压电陶瓷的最大化利用，利用率同比提高了20％。特别是在驱动球体绕竖直轴旋转时，通过改进陶瓷的激励方式，有效提高了振子的驱动性能。

本发明的分区激励式三自由度超声电机振子具有结构简单、设计灵活、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为分区激励式三自由度超声电机振子的剖视图；

图2为图1振子的立体结构示意图；

图3为图1中四片压电陶瓷片2的极化方向示意图；

图4为图1中十个电极片7的立体布局示意图；

图5为图1所示振子的一阶纵振模态振型示意图；

图6为图1所示振子的二阶弯振模态振型示意图；

图7为图1所示振子的另一个二阶弯振模态振型示意图；

图8为驱动球体的三种旋转模式示意图，双向箭头代表球体可旋转方向。

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，本实施方式所述的分区激励式三自由度超声电机振子，它包括两个端盖1、四片压电陶瓷片2、法兰3、两个薄壁梁4、两个安装座5、两个绝缘套6和十个电极片7；

端盖1是一端为螺纹孔，、另一端为沉孔的块体，所述沉孔上边缘为球体驱动边界，该边界为圆形；所述法兰3的两个端面上分别设置有一个螺柱3-1，每个螺柱3-1上均套有一对压电陶瓷片2，位于上方的端盖1与法兰3之间压紧有一对压电陶瓷片2，位于下方的端盖1与法兰3之间压紧有一对压电陶瓷片2；在法兰3和压电陶瓷片2之间、两片压电陶瓷片2之间分别固定有电极片7，两片压电陶瓷片2之间的电极片7为四个相同的小型电极片，且所述同一平面内的四个电极片之间留有间隙；螺柱3-1与压电陶瓷片2、电极片7之间设置有绝缘套6，所述两个薄壁梁4对称设置于法兰3的两个侧面上，两个安装座5分别设置于两个薄壁梁4的外侧。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的分区激励式三自由度超声电机振子作进一步限定，本实施方式中，所述压电陶瓷片2的横截面为方形或圆形。

本实施方式中，这样可以简化加工和装配工艺，并保证振子两个弯振模态特征频率一致。

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的分区激励式三自由度超声电机振子作进一步限定，本实施方式中，所述法兰3、螺柱3-1、两个薄壁梁5和两个安装座4为一体结构。

本实施方式中，这样可以简化加工和装配工艺，薄壁梁可以实现弹性支撑和振动隔离，从而保证外部安装对超声电机振子自身振动影响十分微弱。

具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的分区激励式三自由度超声电机振子作进一步限定，本实施方式中，所述压电陶瓷片2均沿厚度方向极化，每对相邻的压电陶瓷片2的极化方向相反。

具体实施方式五：本实施方式对具体实施方式一所述的分区激励式三自由度超声电机振子作进一步限定，本实施方式中，上部两片压电陶瓷片2之间四个电极片中位于左前侧的电极片7-1和位于左后侧的电极片7-4，以及下部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片中，位于右前侧的电极片7-6和位于右后侧的电极片7-7作为一组电极片；

上部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片中位于右前侧的电极片7-2和位于右后侧的电极片7-3，以及下部两片压电陶瓷片2之间四个电极片7中位于左前侧的电极片7-5和位于左后侧的电极片7-8作为另一组电极片；

该两组电极片分别连接两相交流电压信号，压电陶瓷片2与法兰3之间的电极片7与驱动信号公共端相连。

本实施方式可以实现振子一阶纵振和二阶弯振(XOZ平面)模态的复合激励，进而可以驱动球体实现绕Y轴在XOZ平面内的转动。

具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对具体实施方式一所述的分区激励式三自由度超声电机振子作进一步限定，本实施方式中，上部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片中位于左前侧的电极片7-1和位于右前侧的电极片7-2，以及下部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片中位于左后侧的电极片7-8和位于右后侧的电极片7-7为一组电极片；

上部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片中位于左后侧的电极片7-4和位于右后侧的电极片7-3，以及下部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7中位于左前侧的电极片7-5和位于右前侧的电极片7-6为另一组电极片；

该两组电极片分别连接两相交流电压信号，压电陶瓷片2与法兰3之间的电极片7则与驱动信号公共端相连。

本实施方式可以实现振子一阶纵振和二阶弯振(YOZ平面)模态的复合激励，进而可以驱动球体实现绕X轴在YOZ平面内的转动。

具体实施方式七：本实施方式对具体实施方式一所述的分区激励式三自由度超声电机振子作进一步限定，本实施方式中，上部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7中位于左前侧的电极片7-1、下部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7中位于右后侧的电极片7-7为第一组电极片；

上部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7位于右前侧的电极片7-2、下部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7位于左后侧的电极片7-8为第二组电极片；

上部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7中位于右后侧的电极片7-3、下部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7中位于左前侧的电极片7-5为第三组电极片；

上部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7中位于左后侧的电极片7-4、下部两片压电陶瓷片2之间的四个电极片7中位于右前侧的电极片7-6为第四组电极片；

该四组电极片分别连接相位差互为90°的四相交流电压信号，压电陶瓷片2与法兰3之间的电极片7则与驱动信号公共端相连。

本实施方式可以实现振子两个正交二阶弯振(XOZ平面和YOZ平面)模态的复合激励，进而可以驱动球体实现绕Z轴在XOY平面内的转动。

本发明采用沿厚度方向极化的四片压电陶瓷片实现振子的两个同型正交二阶弯振模态和轴向一阶纵振模态的激励。本发明的分区激励式三自由度超声电机振子驱动球体绕水平轴旋转时，采用幅值相等、频率为振子谐振频率、相位差为+90°的两相交流电压信号激励，利用压电陶瓷片的交替伸缩振动在振子中激励出一阶纵振模态和二阶弯振XOZ平面或YOZ平面模态，两个振动模态叠加在端盖上的球体驱动边界产生在球体旋转平面内旋向一致的椭圆运动轨迹，进而通过边界与球体之间的摩擦耦合驱动球体实现绕特定水平轴的转动。如果调整两相激励信号的相位差为-90°，可以实现球体反向旋转。若振子驱动球体绕竖直轴旋转时，采用幅值相等、频率为振子二阶弯振特征频率、相位差互为+90°的A/B/C/D四相交流电压信号激励，利用压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个同型正交的二阶弯曲振动模态XOZ平面和YOZ平面，两个弯曲振动模态叠加在端盖上的球体驱动边界产生在球体旋转平面内旋向一致的椭圆运动轨迹，进而通过边界与球体之间的摩擦耦合驱动球体实现绕竖直轴的转动。如果将相位差互为+90°的四相交流电压信号的相序调整为B/A/D/C，可以实现球体反向旋转。

Claims (4)

1.分区激励式三自由度超声电机振子，其特征在于：它包括两个端盖(1)、四片压电陶瓷片(2)、法兰(3)、两个薄壁梁(4)、两个安装座(5)、两个绝缘套(6)和十个电极片(7)；

端盖(1)是一端为螺纹孔，另一端为沉孔的块体，所述沉孔上边缘为球体驱动边界，该边界为圆形；所述法兰(3)的两个端面上分别设置有一个螺柱(3-1)，每个螺柱(3-1)上均套有一对压电陶瓷片(2)，位于上方的端盖(1)与法兰(3)之间压紧有一对压电陶瓷片(2)，位于下方的端盖(1)与法兰(3)之间压紧有一对压电陶瓷片(2)；在法兰(3)和压电陶瓷片(2)之间、两片压电陶瓷片(2)之间分别固定有电极片(7)，两片压电陶瓷片(2)之间的电极片(7)为四个相同的小型电极片，所述四个相同的小型电极片位于同一平面内且互相之间留有间隙；螺柱(3-1)与压电陶瓷片(2)、电极片(7)之间设置有绝缘套(6)，所述两个薄壁梁(4)对称设置于法兰(3)的两个侧面上，两个安装座(5)分别设置于两个薄壁梁(4)的外侧；

上部两片压电陶瓷片(2)之间四个电极片中位于左前侧的电极片(7-1)和位于左后侧的电极片(7-4)，以及下部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片中，位于右前侧的电极片(7-6)和位于右后侧的电极片(7-7)作为一组电极片；

上部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片中位于右前侧的电极片(7-2)和位于右后侧的电极片(7-3)，以及下部两片压电陶瓷片(2)之间四个电极片(7)中位于左前侧的电极片(7-5)和位于左后侧的电极片(7-8)作为另一组电极片；

该两组电极片分别连接两相交流电压信号，压电陶瓷片(2)与法兰(3)之间的电极片(7)与驱动信号公共端相连；

上部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片中位于左前侧的电极片(7-1)和位于右前侧的电极片(7-2)，以及下部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片中位于左后侧的电极片(7-8)和位于右后侧的电极片(7-7)为一组电极片；

上部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片中位于左后侧的电极片(7-4)和位于右后侧的电极片(7-3)，以及下部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)中位于左前侧的电极片(7-5)和位于右前侧的电极片(7-6)为另一组电极片；

该两组电极片分别连接两相交流电压信号，压电陶瓷片(2)与法兰(3)之间的电极片(7)则与驱动信号公共端相连；

上部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)中位于左前侧的电极片(7-1)、下部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)中位于右后侧的电极片(7-7)为第一组电极片；

上部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)位于右前侧的电极片(7-2)、下部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)位于左后侧的电极片(7-8)为第二组电极片；

上部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)中位于右后侧的电极片(7-3)、下部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)中位于左前侧的电极片(7-5)为第三组电极片；

上部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)中位于左后侧的电极片(7-4)、下部两片压电陶瓷片(2)之间的四个电极片(7)中位于右前侧的电极片(7-6)为第四组电极片；

该四组电极片分别连接相位差互为90°的四相交流电压信号，压电陶瓷片(2)与法兰(3)之间的电极片(7)则与驱动信号公共端相连。

2.根据权利要求1所述的分区激励式三自由度超声电机振子，其特征在于：所述压电陶瓷片(2)的横截面为方形或圆形。

3.根据权利要求1所述的分区激励式三自由度超声电机振子，其特征在于：所述法兰(3)、螺柱(3-1)、两个薄壁梁(5)和两个安装座(4)为一体结构。

4.根据权利要求1所述的分区激励式三自由度超声电机振子，其特征在于：所述压电陶瓷片(2)均沿厚度方向极化，每对相邻的压电陶瓷片(2)的极化方向相反。