CN105429505B - 纵弯陶瓷复位型超声电机振子 - Google Patents
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Abstract
纵弯陶瓷复位型超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。本发明解决了现有纵弯复合型超声电机振子中存在的由纵振陶瓷和弯振陶瓷独立设置而带来的能量转换效率较低、难于实现最佳布置的问题。本发明纵弯陶瓷复位型超声电机振子，采用的是整组的压电陶瓷实现纵弯复合振动的激励，中间位置的纵振陶瓷用于激励纵向振动，两侧的弯振陶瓷用于激励弯曲振动，纵振陶瓷和弯振陶瓷不再是单独设置，他们在轴向方向的位置是重合的，属于一种复位的设置方式。本发明适用于超声电机振子制作领域。
Description
技术领域
本发明涉及到一种纵弯陶瓷复位型超声电机振子，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，具有结构简单、设计灵活、低速大转矩/推力、功率/力矩密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰且不受电磁干扰等优点。
压电超声驱动技术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的技术。压电超声驱动器具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。
纵弯复合超声电机振子采用振子弹性体纵向振动和弯曲振动的复合实现驱动，在传统的纵弯复合超声电机振子中，激励纵向振动和弯曲振动的压电陶瓷元件一般单独进行设置，也就是纵振陶瓷用于激励纵向振动，弯振陶瓷用于激励弯曲振动；例如公开号为CN101022256，发明名称为“带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机”的专利申请，它提出了一种带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机，解决了现有的夹心式纵弯复合直线超声电机存在电机效率低下、噪声大、磨损严重、难于系列化等不足，具有效率高、出力大、可系列化生产的优点。但是，该超声电机振子采用纵振陶瓷和弯振陶瓷分别来激励纵向振动和弯曲振动，两种陶瓷在振子轴线方向上位于不同位置；而对于纵弯复合型超声电机振子而言，纵振陶瓷和弯振陶瓷的最佳设置位置很多时候是重叠的；因此，这种独立设置压电元件的方法限制了其能量转换效率的提高，不利于实现压电陶瓷的最佳布置。
发明内容
本发明为了解决现有纵弯复合型超声电机振子中存在的由纵振陶瓷和弯振陶瓷独立设置而带来的能量转换效率较低、难于实现最佳布置的问题，本发明提供了一种纵弯陶瓷复位型超声电机振子。
纵弯陶瓷复位型超声电机振子，它包括隔板1、四组压电陶瓷片2、两个端盖3、两个驱动足4、两个接地电极片5、两个纵振电极片6和四个弯振电极片7；
隔板1左右两侧对称设置有两个螺柱1-1，两个螺柱1-1均垂直于所述隔板1；四组压电陶瓷片2对称套装在两个螺柱1-1上；
隔板1同一侧中紧挨隔板1的一组压电陶瓷片2称为第一组压电陶瓷片，紧挨第一组压电陶瓷片的另一组压电陶瓷片2称为第二组压电陶瓷片；两个端盖3分别旋合在两个螺柱1-1的末端，用于夹紧压电陶瓷片2；
所述两个驱动足4分别固定在两个端盖3上侧面的末端位置；
每组压电陶瓷片2包含一个纵振压电陶瓷片2-1和两个弯振压电陶瓷片2-2；纵振压电陶瓷片2-1套装在螺柱1-1上，两个弯振压电陶瓷片2-2对称分布在纵振压电陶瓷片2-1的上下两侧；
所述四组压电陶瓷片2均沿厚度方向极化，同一组压电陶瓷片2中的两个弯振压电陶瓷片2-2极化方向相反；
隔板1左侧左右相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2极化方向相反，隔板1右侧左右相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2极化方向相反，隔板1左侧第一组压电陶瓷片中的弯振压电陶瓷片2-2与隔板1右侧第一组压电陶瓷片中的弯振压电陶瓷片2-2极化方向相同，隔板1同一侧相邻的第一组压电陶瓷片中的纵振压电陶瓷片2-1与第二组压电陶瓷片中的纵振压电陶瓷片2-1极化方向相反；
隔板1左侧第二组压电陶瓷片和左侧端盖3之间设置有接地电极片5，隔板1右侧第二组压电陶瓷片和右侧端盖3之间设置有接地电极片5；
隔板1左侧相邻的两个纵振压电陶瓷片2-1之间设置有纵振电极片6，隔板1左侧相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2之间设置有弯振电极片7，设置在同一平面内的弯振电极片7和纵振电极片6之间留有间隙；
隔板1右侧相邻的两个纵振压电陶瓷片2-1之间设置有纵振电极片6，隔板1右侧相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2之间设置有弯振电极片7，设置在同一平面内的弯振电极片7和纵振电极片6之间留有间隙。
所述所有接地电极片5与激励信号公共端连接，两个纵振电极片6与第一相驱动信号连接，四个弯振电极片7与第二相驱动信号连接；所有驱动信号均为交流激励信号，信号波形是方波、正弦波、梯形波或者三角波；第一相驱动信号与第二相驱动信号之间在时间上具有90度相位差。
所述端盖3的横截面大于或者等于压电陶瓷片2的横截面。
所述隔板1的横截面大于压电陶瓷片2的横截面。
本发明的纵弯陶瓷复位型超声电机振子，利用复合梁的奇数阶纵向振动和偶数阶弯曲振动的复合实现双足的直线致动；位于中间的四片纵振陶瓷片通过纵振电极片施加同样的交流激励信号，产生同步的伸缩变形，进而激励出振子的纵向振动；位于两侧的8片弯振陶瓷片通过弯振电极片施加另外一相激励信号，压电陶瓷的上侧和下侧会产生交替的伸缩，进而激励出振子的弯曲振动；当超声电机振子的奇数阶纵向振动和偶数阶弯曲振动的谐振频率十分接近时，且纵向振动和弯曲振动在时间上具有90度相位差，则可以通过纵振和弯振的复合在两个驱动足处激发椭圆轨迹的振动，两个驱动足振动轨迹的旋向一致，从而保证振子可以实现直线致动(见图9，其中8为动子)；调整纵向振动和弯曲振动的相位差为-90度，则可以实现反向驱动。
本发明的纵弯陶瓷复位型超声电机振子，采用的是整组的压电陶瓷实现纵弯复合振动的激励，中间位置的纵振陶瓷用于激励纵向振动，两侧的弯振陶瓷用于激励弯曲振动，纵振陶瓷和弯振陶瓷不再是单独设置，他们在轴向方向的位置是重合的，属于一种复位的设置方式，这种全新的设置方式可以解决早期纵弯复合型超声电机振子中存在的由纵振陶瓷和弯振陶瓷独立设置而带来的能量转换效率较低、难于实现压电元件最佳布置的问题。
本发明的纵弯陶瓷复位型超声电机振子能量转换效率高、易于实现压电陶瓷的最佳布置，加工装配十分简便，便于实现系列化和商品化。
本发明适用于超声电机振子制作领域。
附图说明
图1是本发明所述的纵弯陶瓷复位型超声电机振子的立体结构示意图；
图2是图1所示的纵弯陶瓷复位型超声电机振子的剖视图；
图3是图1所示中隔板左侧或右侧的两组压电陶瓷2的极化方向示意图；
图4是图1所示中隔板右侧或左侧的两组压电陶瓷2的极化方向示意图；
图5是纵弯陶瓷复位型超声电机振子拆除左侧端盖3之后的立体图；
图6是图1所示纵弯陶瓷复位型超声电机振子拆除端盖3和两组压电陶瓷2之后的立体图；
图7是图1所示纵弯陶瓷复位型超声电机振子纵向振动模态振型图；
图8是图1所示纵弯陶瓷复位型超声电机振子弯曲振动模态振型图；
图9是图1所示纵弯陶瓷复位型超声电机振子工作时推动动子运动的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1至图9具体说明本实施方式，本实施方式所述的纵弯陶瓷复位型超声电机振子，它包括隔板1、四组压电陶瓷片2、两个端盖3、两个驱动足4、两个接地电极片5、两个纵振电极片6和四个弯振电极片7；
隔板1左右两侧对称设置有两个螺柱1-1，两个螺柱1-1均垂直于所述隔板1；四组压电陶瓷片2对称套装在两个螺柱1-1上；
隔板1同一侧中紧挨隔板1的一组压电陶瓷片2称为第一组压电陶瓷片，紧挨第一组压电陶瓷片的另一组压电陶瓷片2称为第二组压电陶瓷片；两个端盖3分别旋合在两个螺柱1-1的末端，用于夹紧压电陶瓷片2；
所述两个驱动足4分别固定在两个端盖3上侧面的末端位置；
每组压电陶瓷片2包含一个纵振压电陶瓷片2-1和两个弯振压电陶瓷片2-2；纵振压电陶瓷片2-1套装在螺柱1-1上，两个弯振压电陶瓷片2-2对称分布在纵振压电陶瓷片2-1的上下两侧；
所述四组压电陶瓷片2均沿厚度方向极化，同一组压电陶瓷片2中的两个弯振压电陶瓷片2-2极化方向相反；
隔板1左侧相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2极化方向相反，隔板1右侧相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2极化方向相反，隔板1左侧第一组压电陶瓷片中的弯振压电陶瓷片2-2与隔板1右侧第一组压电陶瓷片中的弯振压电陶瓷片2-2极化方向相同，隔板1同一侧相邻的第一组压电陶瓷片中的纵振压电陶瓷片2-1与第二组压电陶瓷片中的纵振压电陶瓷片2-1极化方向相反；
隔板1左侧第二组压电陶瓷片和左侧端盖3之间设置有接地电极片5，隔板1右侧第二组压电陶瓷片和右侧端盖3之间设置有接地电极片5；
隔板1左侧相邻的两个纵振压电陶瓷片2-1之间设置有纵振电极片6，隔板1左侧相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2之间设置有弯振电极片7，设置在同一平面内的弯振电极片7和纵振电极片6之间留有间隙；
隔板1右侧相邻的两个纵振压电陶瓷片2-1之间设置有纵振电极片6，隔板1右侧相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2之间设置有弯振电极片7，设置在同一平面内的弯振电极片7和纵振电极片6之间留有间隙。
本实施方式中，四组压电陶瓷片2对称套装在两个螺柱1-1上，即两组压电陶瓷片2套装在隔板1左侧的螺柱1-1上，另外两组压电陶瓷片2套装在隔板1右侧的螺柱1-1上。
隔板1左侧相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2极化方向相反，隔板1右侧相邻的两个弯振压电陶瓷片2-2极化方向相反，即隔板1同一侧相邻的第一组压电陶瓷片中的一个弯振压电陶瓷片2-2和第二组压电陶瓷片中的一个弯振压电陶瓷片2-2的极化方向相反。
隔板1同一侧相邻的第一组压电陶瓷片中的纵振压电陶瓷片2-1与第二组压电陶瓷片中的纵振压电陶瓷片2-1极化方向相反，即相邻的两个纵振压电陶瓷片2-1极化方向相反。
具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的纵弯陶瓷复位型超声电机振子的区别在于，所述所有接地电极片5与激励信号公共端连接，两个纵振电极片6与第一相驱动信号连接，四个弯振电极片7与第二相驱动信号连接；所有驱动信号均为交流激励信号，信号波形可以是方波、正弦波、梯形波或者三角波；第一相驱动信号与第二相驱动信号之间在时间上具有90度相位差。
本实施方式的纵弯陶瓷复位型超声电机振子在应用的时候，所有接地电极片5与激励信号公共端连接，两片纵振电极片6与第一相驱动信号连接，四片弯振电极片7与第二相驱动信号连接；所有驱动信号均为交流激励信号，信号波形可以是方波、正弦波、梯形波或者三角波；第一相驱动信号与第二相驱动信号之间在时间上具有90度相位差。
具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的纵弯陶瓷复位型超声电机振子的区别在于，所述端盖3的横截面大于或者等于压电陶瓷片2的横截面，这样可以极大的简化超声电机振子制作工艺。
具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的纵弯陶瓷复位型超声电机振子的区别在于，所述隔板1的横截面大于压电陶瓷片2的横截面，这样可以采用隔板实现振子与外部构件的连接。
Claims (4)
1.纵弯陶瓷复位型超声电机振子，它包括隔板(1)、四组压电陶瓷片(2)、两个端盖(3)、两个驱动足(4)、两个接地电极片(5)、两个纵振电极片(6)和四个弯振电极片(7)；
其特征在于，隔板(1)左右两侧对称设置有两个螺柱(1-1)，两个螺柱(1-1)均垂直于所述隔板(1)；四组压电陶瓷片(2)对称套装在两个螺柱(1-1)上；
隔板(1)同一侧中紧挨隔板(1)的一组压电陶瓷片(2)称为第一组压电陶瓷片，紧挨第一组压电陶瓷片的另一组压电陶瓷片(2)称为第二组压电陶瓷片；两个端盖(3)分别旋合在两个螺柱(1-1)的末端，用于夹紧压电陶瓷片(2)；
所述两个驱动足(4)分别固定在两个端盖(3)上侧面的末端位置；
每组压电陶瓷片(2)包含一个纵振压电陶瓷片(2-1)和两个弯振压电陶瓷片(2-2)；纵振压电陶瓷片(2-1)套装在螺柱(1-1)上，两个弯振压电陶瓷片(2-2)对称分布在纵振压电陶瓷片(2-1)的上下两侧；
所述四组压电陶瓷片(2)均沿厚度方向极化，同一组压电陶瓷片(2)中的两个弯振压电陶瓷片(2-2)极化方向相反；
隔板(1)左侧左右相邻的两个弯振压电陶瓷片(2-2)极化方向相反，隔板(1)右侧左右相邻的两个弯振压电陶瓷片(2-2)极化方向相反，隔板(1)左侧第一组压电陶瓷片中的弯振压电陶瓷片(2-2)与隔板(1)右侧第一组压电陶瓷片中的弯振压电陶瓷片(2-2)极化方向相同，隔板(1)同一侧相邻的第一组压电陶瓷片中的纵振压电陶瓷片(2-1)与第二组压电陶瓷片中的纵振压电陶瓷片(2-1)极化方向相反；
隔板(1)左侧第二组压电陶瓷片和左侧端盖(3)之间设置有接地电极片(5)，隔板(1)右侧第二组压电陶瓷片和右侧端盖(3)之间设置有接地电极片(5)；
隔板(1)左侧相邻的两个纵振压电陶瓷片(2-1)之间设置有纵振电极片(6)，隔板(1)左侧相邻的两个弯振压电陶瓷片(2-2)之间设置有弯振电极片(7)，设置在同一平面内的弯振电极片(7)和纵振电极片(6)之间留有间隙；
隔板(1)右侧相邻的两个纵振压电陶瓷片(2-1)之间设置有纵振电极片(6)，隔板(1)右侧相邻的两个弯振压电陶瓷片(2-2)之间设置有弯振电极片(7)，设置在同一平面内的弯振电极片(7)和纵振电极片(6)之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的纵弯陶瓷复位型超声电机振子，其特征在于，所述所有接地电极片(5)与激励信号公共端连接，两个纵振电极片(6)与第一相驱动信号连接，四个弯振电极片(7)与第二相驱动信号连接；所有驱动信号均为交流激励信号，信号波形是方波、正弦波、梯形波或者三角波；第一相驱动信号与第二相驱动信号之间在时间上具有90度相位差。
3.根据权利要求1所述的纵弯陶瓷复位型超声电机振子，其特征在于，所述端盖(3)的横截面大于或者等于压电陶瓷片(2)的横截面。
4.根据权利要求1所述的纵弯陶瓷复位型超声电机振子，其特征在于，所述隔板(1)的横截面大于压电陶瓷片(2)的横截面。
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