CN104539189A - 十字形截面梁式贴片双足超声电机振子 - Google Patents

Abstract

十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。它解决了已有的正交弯振夹心式超声电机中存在的加工装配较为复杂、加工精度要求较高和实现微型化较困难等问题，使加工装配简单，且便于实现微型化。本发明的振子包括中间梁、两个变幅杆、四个凸台、八片压电陶瓷片和两个驱动足；两个变幅杆首端至末端截面逐渐变小；所述八片陶瓷片依次固定在中间梁的八个侧面上，所有陶瓷均沿厚度方向极化。本发明适用于超声电机制作领域。

Description

十字形截面梁式贴片双足超声电机振子

技术领域

本发明涉及到一种十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

压电超声电机利用压电陶瓷的逆压电效用将电能转换为机械能，压电陶瓷在定子弹性体中激励出微幅机械振动，在驱动区域内形成具有驱动作用的轨迹(一般为椭圆运动轨迹或者斜线运动轨迹)，进而通过定子和转子之间的摩擦作用实现转子的宏观运动输出。超声电机具有低速大扭矩、无电磁干扰、响应速度快、断电自锁、可不使用轴承和润滑等优点。

现有的超声电机振子一般使用复合异型振动模态，需要进行模态简并，这增加了结构复杂性、限制了超声电机振子的产业化；而现有的采用正交弯振复合的夹心式超声电机振子虽然通过采用对称结构避免了复杂的模态简并问题，但是由于其采用夹心结构，使得加工装配复杂，并且难于实现微型化。

发明内容

本发明是为了解决现有的正交弯振夹心式超声电机中存在的加工装配较为复杂、加工精度要求较高和实现微型化较困难等问题，本发明提供了十字形截面梁式贴片双足超声电机振子。

本发明的十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，它包括十字形截面形的中间梁、两个变幅杆、四个凸台、八片压电陶瓷片和两个驱动足；两个十字形截面变幅杆首端至末端截面逐渐变小；所述八片陶瓷片依次固定在中间梁的八个侧面上，八片压电陶瓷片均沿厚度方向极化；激励方式不同，极化方向不同，本发明提出两种激励方式；四个凸台的设计防止相邻的两片陶瓷互相干涉。

本发明采用沿厚度方向极化的八片压电陶瓷片实现振子两个正交同型奇数阶弯曲振动的激励；因为采用同型弯曲振动模态，只要使振子截面是对称的就可以保证两个弯振模态的谐振频率是一致的，避免了使用复合异型振动模态，振子模态频率简并的问题，使得结构设计具有很大的灵活性。

八片压电陶瓷片依次固定于十字形截面梁的八个侧面，对应位于振子奇数阶弯曲振动的波腹位置。

本发明中压电陶瓷的极化方式共有两种设置方式：

第一种激励方式：如图4所示，图中箭头方向表示极化方向。八片压电陶瓷片均沿厚度方向极化；中间梁的竖梁上侧两片压电陶瓷片极化方向相反，竖梁下侧两片压电陶瓷片极化方向相反，竖梁左侧两片压电陶瓷片极化方向相反，竖梁右侧两片压电陶瓷片极化方向相反；中间梁横梁左侧两片压电陶瓷片极化方向相反，横梁右侧两片压电陶瓷片极化方向相反，横梁上侧两片压电陶瓷片极化方向相反，横梁下侧两片压电陶瓷片极化方向相反。

在工作时，横梁方向的四片陶瓷片采用同相交流电压进行激励，电压的频率为定子弯振谐振频率；竖梁方向的四片压电陶瓷片采用与横梁方向电压相位差为+90°的同相交流电压信号进行激励，中间梁接电源公共端。十字形截面形的中间梁中的横梁上固定的四片压电陶瓷片交替地伸缩振动会激励出振子XOZ平面内的弯曲振动，对应引起驱动足质点水平方向即OX轴方向的位移，如图6所示；十字形截面形的中间梁中的竖梁上固定的四片压电陶瓷片交替地伸缩振动会激励出振子XOZ平面内的弯曲振动，对应引起驱动足质点竖直方向即OY轴方向的位移，如图7所示；两个弯曲振动叠加会在两个驱动足能产生同向的椭圆运动轨迹，通过驱动足和动子之间的摩擦作用实现动子6的宏观运动。调整两相激励电压信号的相位差为-90°，可以实现动子反向运动。如图8所示。

第二种激励方式：如图5所示，图中箭头方向表示极化方向。八片压电陶瓷片均沿厚度方向极化；竖梁上四片压电陶瓷片极化方向都相同，横梁上四片压电陶瓷片极化方向也都相同。

在工作时，横梁上的四片陶瓷片采用同相交流电压进行激励，电压的频率为振子弯曲谐振频率；竖梁上的四片压电陶瓷片采用与横梁方向电压相位差为+90°的同相交流电压信号进行激励；中间梁接电源公共端。十字形截面形的中间梁中的横梁上固定的四片压电陶瓷片的交替伸缩振动会激励出振子YOZ平面内的弯曲振动，对应引起驱动足质点竖直方向(即OY轴方向)的位移，如图7所示；十字形截面形的中间梁中的竖梁上固定的四片压电陶瓷片的交替伸缩振动会激励出振子XOZ平面内的弯曲振动，对应引起驱动足质点水平方向(即OX轴方向)的位移，如图6所示；两个弯曲振动叠加会在两个驱动足处产生同向的椭圆运动轨迹，通过驱动足和动子之间的摩擦作用实现动子6的宏观运动。调整两相激励电压信号的相位差为-90°，可以实现动子反向运动。如图8所示。

本发明的十字形截面梁式贴片双足超声电机的振子采用贴片结构，加工装配方便，加工精度要求较低，并且容易实现微型化；对称的十字形梁结构使得正交方向的同阶弯振频率相等，结构设计灵活。本发明提出的第两种激励方式均可以实现驱动足处椭圆轨迹振动的高效激励。

附图说明

图1是本发明所述的十字形截面梁式贴片双足超声电机振子的立体结构示意图；

图2为图1中沿轴线方向的中间梁和八片压电陶瓷片的位置关系示意图；

图3是图1所示振子中由中间梁、变幅杆、凸台和驱动足组成的一体件的立体结构示意图；

图4是图1中八片压电陶瓷片4的第一种激励方式下的极化方向示意图，箭头代表极化方向；

图5是八片压电陶瓷片4的第二种激励方式下的极化方向示意图，箭头代表极化方向；

图6是驱动足水平方向弯曲振动振型示意图；

图7是驱动足竖直方向弯曲振动振型示意图；

图8是图1所示的振子工作时驱动动子运动的示意图，图中，图中箭头表示动子运动方向；

其中，图1、图6和图7中的X表示水平方向，Y表示竖直方向，Z表示轴向方向。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1、图2和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，它包括中间梁1、两个变幅杆2、两个驱动足3和八片压电陶瓷片4；

所述中间梁1的横截面为十字形，变幅杆2的横截面也为十字形，且变幅杆2首端至末端截面逐渐变小，两个变幅杆2分别固定在所述中间梁1的两端；驱动足3设置在变幅杆2的小端顶部；所述中间梁1、两个变幅杆2和两个驱动足3为一体件；

所述八片压电陶瓷片4依次固定在中间梁1的八个侧面上；八片压电陶瓷片4均沿厚度方向极化；中间梁1由竖梁1-1和横梁1-2构成，竖梁1-1由横梁1-2分为上侧竖梁和下侧竖梁；上侧竖梁左侧的压电陶瓷片4和右侧的压电陶瓷片4极化方向相反，下侧竖梁左侧的压电陶瓷片4和右侧的压电陶瓷片4极化方向相反，竖梁1-1左侧面的两片压电陶瓷片4极化方向相反，竖梁1-1右侧面的两片压电陶瓷片4极化方向相反；

中间梁1的横梁1-2由竖梁1-1分为左侧横梁和右侧横梁，左侧横梁的上侧的压电陶瓷片4和下侧的压电陶瓷片极化方向相反，右侧横梁的上侧的压电陶瓷片4和下侧的压电陶瓷片4极化方向相反，横梁1-2上侧面的两片压电陶瓷片4极化方向相反，横梁1-2下侧面的两片压电陶瓷片4极化方向相反；

竖梁1-1上的四片压电陶瓷片4的外电极面接一相电压，横梁1-2上的四片压电陶瓷片4的外电极面接另一相电压，中间梁1接电源公共端。

在工作时，横梁方向的四片陶瓷片采用同相交流电压进行激励，电压的频率为定子弯振谐振频率；竖梁方向的四片压电陶瓷片采用与横梁方向电压相位差为+90°的同相交流电压信号进行激励，中间梁接电源公共端。十字形截面梁中横梁上固定的四片压电陶瓷片交替地伸缩振动会激励出振子XOZ平面内的弯曲振动，对应引起驱动足质点水平方向(即OX轴方向)的位移；十字形截面梁中竖梁上固定的四片压电陶瓷片交替地伸缩振动会激励出振子XOZ平面内的弯曲振动，对应引起驱动足质点竖直方向(即OY轴方向)的位移；两个弯曲振动叠加会在两个驱动足能产生同向的椭圆运动轨迹，通过驱动足和动子之间的摩擦作用实现动子(6)的宏观运动。调整两相激励电压信号的相位差为-90°，可以实现动子反向运动。如图8所示。

具体实施方式二、参照图1、图2和图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，它包括中间梁1、两个变幅杆2、两个驱动足3和八片压电陶瓷片4；

所述中间梁1的横截面为十字形，变幅杆2的横截面也为十字形，且变幅杆2首端至末端截面逐渐变小，两个变幅杆2分别固定在所述中间梁1的两端；驱动足3设置在变幅杆2的小端顶部；所述中间梁1、两个变幅杆2和两个驱动足3为一体件；

所述八片压电陶瓷片4依次固定在中间梁1的八个侧面上；八片压电陶瓷片4均沿厚度方向极化；竖梁1-1上的四片压电陶瓷片4极化方向都相同，横梁1-2上四片压电陶瓷片4极化方向也都相同，竖梁1-1上的四片压电陶瓷片4的外电极面接一相电压，横梁1-2上四片压电陶瓷片4的外电极面接另一相电压，中间梁1接电源公共端。

在工作时，横梁上的四片陶瓷片采用同相交流电压进行激励，电压的频率为振子弯曲谐振频率；竖梁上的四片压电陶瓷片采用与横梁方向电压相位差为+90°的同相交流电压信号进行激励；中间梁接电源公共端。中间梁为十字形截面梁，十字形截面梁的横梁上固定的四片压电陶瓷片的交替伸缩振动会激励出振子YOZ平面内的弯曲振动，对应引起驱动足质点竖直方向即OY轴方向的位移；十字形截面梁的竖梁上固定的四片压电陶瓷片的交替伸缩振动会激励出振子XOZ平面内的弯曲振动，对应引起驱动足质点水平方向即OX轴方向的位移；两个弯曲振动叠加会在两个驱动足处产生同向的椭圆运动轨迹，通过驱动足和动子之间的摩擦作用实现动子6的宏观运动。调整两相激励电压信号的相位差为-90°，可以实现动子反向运动。如图8所示。

具体实施方式三、参照图1图2和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的十字形截面梁式贴片双足超声电机振子的进一步说明，本实施方式中，它还包括四个凸台5，所述四个凸台5依次固定在中间梁1的四个夹角处，且凸台5的厚度大于压电陶瓷片4的厚度，所述中间梁1、两个变幅杆2、两个驱动足3和凸台5为一体件。

四个凸台可以防止相邻两片压电陶瓷片的相互干涉；一体化的机构设计也可以方便振子的加工装配。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的十字形截面梁式贴片双足超声电机振子的进一步说明，本实施方式中，所述驱动足3的截面是方形或者圆形。

可根据具体应用对象灵活地选择驱动足截面形状。

Claims (4)

1.十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，它包括中间梁(1)、两个变幅杆(2)、两个驱动足(3)和八片压电陶瓷片(4)；其特征在于，所述中间梁(1)的横截面为十字形，变幅杆(2)的横截面也为十字形，且变幅杆(2)首端至末端截面逐渐变小，两个变幅杆(2)分别固定在所述中间梁(1)的两端；驱动足(3)设置在变幅杆(2)的小端顶部；所述中间梁(1)、两个变幅杆(2)和两个驱动足(3)为一体件；

所述八片压电陶瓷片(4)依次固定在中间梁(1)的八个侧面上；八片压电陶瓷片(4)均沿厚度方向极化；中间梁(1)由竖梁(1-1)和横梁(1-2)构成，竖梁(1-1)由横梁(1-2)分为上侧竖梁和下侧竖梁；上侧竖梁左侧的压电陶瓷片(4)和右侧的压电陶瓷片(4)极化方向相反，下侧竖梁左侧的压电陶瓷片(4)和右侧的压电陶瓷片(4)极化方向相反，竖梁(1-1)左侧面的两片压电陶瓷片(4)极化方向相反，竖梁(1-1)右侧面的两片压电陶瓷片(4)极化方向相反；

中间梁(1)的横梁(1-2)由竖梁(1-1)分为左侧横梁和右侧横梁，左侧横梁的上侧的压电陶瓷片(4)和下侧的压电陶瓷片极化方向相反，右侧横梁的上侧的压电陶瓷片(4)和下侧的压电陶瓷片(4)极化方向相反，横梁(1-2)上侧面的两片压电陶瓷片(4)极化方向相反，横梁(1-2)下侧面的两片压电陶瓷片(4)极化方向相反；

竖梁(1-1)上的四片压电陶瓷片(4)的外电极面接一相电压，横梁(1-2)上的四片压电陶瓷片(4)的外电极面接另一相电压，中间梁(1)接电源公共端。

2.十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，它包括中间梁(1)、两个变幅杆(2)、两个驱动足(3)和八片压电陶瓷片(4)；其特征在于，所述中间梁(1)的横截面为十字形，变幅杆(2)的横截面也为十字形，且变幅杆(2)首端至末端截面逐渐变小，两个变幅杆(2)分别固定在所述中间梁(1)的两端；驱动足(3)设置在变幅杆(2)的小端顶部；所述中间梁(1)、两个变幅杆(2)和两个驱动足(3)为一体件；

所述八片压电陶瓷片(4)依次固定在中间梁(1)的八个侧面上；八片压电陶瓷片(4)均沿厚度方向极化；竖梁(1-1)上的四片压电陶瓷片(4)极化方向都相同，横梁(1-2)上四片压电陶瓷片(4)极化方向也都相同，竖梁(1-1)上的四片压电陶瓷片(4)的外电极面接一相电压，横梁(1-2)上四片压电陶瓷片(4)的外电极面接另一相电压，中间梁(1)接电源公共端。

3.根据权利要求1或2所述的十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，其特征在于，它还包括四个凸台(5)，所述四个凸台(5)依次固定在中间梁(1)的四个夹角处，且凸台(5)的厚度大于压电陶瓷片(4)的厚度，所述中间梁(1)、两个变幅杆(2)、两个驱动足(3)和凸台(5)为一体件。

4.根据权利要求1或2所述的十字形截面梁式贴片双足超声电机振子，其特征在于，所述驱动足(3)的截面是方形或者圆形。