CN105827146B - 用于输送及定位的纵弯型行波压电振子及激励方式 - Google Patents

用于输送及定位的纵弯型行波压电振子及激励方式 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于输送及定位的纵弯型行波压电振子及激励方式，包括圆环形驱动板，圆环形驱动板的下方均匀分布有四个夹心式纵振换能器，各夹心式纵振换能器的上端均与圆环形驱动板固定连接；所述的四个夹心式纵振换能器中，处于一条对角线上的两个夹心式纵振换能器为一组，记为第一纵向振动子，而处于另一条对角线上的两个夹心式纵振换能器也为一组，记为第二纵向振动子；第一纵向振动子、第二纵向振动子均与正弦激励信号连接，且施加于第一纵向振动子的正弦激励信号与施加于第二纵向振动子的正弦激励信号频率相同，幅值不同，空间相位差为90°，时间相位差为φ（0<φ<180°）；由此可知，本发明具有性能稳定，结构紧凑，对陶瓷片的要求较单一，加工和装配要求较低，适合于极端环境运行的特点。

Description

用于输送及定位的纵弯型行波压电振子及激励方式
技术领域
本发明公开了一种用于输送及定位的纵弯型行波压电振子及激励方式，是一种纵弯复合模态的行波型压电振子及其激励方式，该器件可用于物料输送及角度定位。
背景技术
精密物料输送、定位在大规模集成电路的制造与检测、生物芯片制造、通讯装备的微开关和光纤对接、微电子产品制造、精密操作及测量等许多领域中具有广泛的应用前景。精密致动技术主要分为两大类：一类为电磁式，另一类为非电磁式。电磁致动技术由于它的推重比低，需要减速装置，致使系统庞大、结构复杂，运动精度难以继续提高。最近20年来，在非电磁致动技术方面，世界各国主要发展了基于各种功能材料（如压电陶瓷、记忆合金、电致伸缩和磁致伸缩等）的非电磁类致动技术。
发明内容
本发明针对现有贴片式行波压电振子存在的不足，提出一种新型的夹心式行波型压电振子结构，利用压电陶瓷的d33效应工作，能够一定程度上提高作动器的转换效率，并提供足够大的预紧力，提供一种能够实现正反向旋转运动的压电振子。压电振子本体具有性能稳定，结构紧凑，对陶瓷片的要求较单一，加工和装配要求较低，适合于极端环境运行的特点。
为实现以上的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：
一种用于输送及定位的纵弯型行波压电振子，包括圆环形驱动板，所述圆环形驱动板的下方均匀分布有四个夹心式纵振换能器，各夹心式纵振换能器的上端均与圆环形驱动板固定连接；所述的四个夹心式纵振换能器中，处于一条对角线上的两个夹心式纵振换能器为一组，记为第一纵向振动子，而处于另一条对角线上的两个夹心式纵振换能器也为一组，记为第二纵向振动子；第一纵向振动子、第二纵向振动子均与正弦激励信号连接，且施加于第一纵向振动子的正弦激励信号与施加于第二纵向振动子的正弦激励信号频率相同，幅值不同，空间相位差为90°，时间相位差为φ（0<φ<180°）。
本发明的另一技术目的是提供一种上述用于输送及定位的纵弯型行波压电振子的激励方式，同时在第一纵向振动子的电极片上施加正弦激励信号E 1 =V 1 sin(ωt)、第二纵向振动子的电极片上施加正弦激励信号E 2 =V 2 sin(ωt+φ)，使得第一纵向振动子激励出的工作模态与第二纵向振动子激励出的工作模态空间相位差为90°，时间相位差为φ（0<φ<180°），具体是：第一纵向振动子在正弦激励信号E 1 的激励下，产生纵向振动，促使圆环形驱动板上形成弯曲驻波M，进而带动第二纵向振动子产生耦合弯曲振动；第二纵向振动子在正弦激励信号E 2 的激励下，产生纵向振动，促使圆环形驱动板上形成弯曲驻波N，进而带动第一纵向振动子产生耦合弯曲振动；圆环形驱动板上的弯曲驻波M与弯曲驻波N将叠加形成行波，使得圆环形驱动板上的表面质点形成椭圆运动，通过摩擦力推动物体运动。
根据上述的技术方案，本发明具有如下的有益效果：
1. 采用夹心式换能器作为激振源，激发出圆环板上弯曲行波，利用压电陶瓷的d33效应，能够提高作动器的机电耦合效率。
2. 采用螺栓预紧，相比贴片式压电陶瓷安装方式，螺栓预紧能够提供足够大的预紧力，保证连接的可靠性，提高了作动器的输出性能。
3. 圆环板上设有环形槽道，可以用于物料的输送，在槽的外边沿刻有刻度线，刻度线作为视觉检测的参考系，用来实现物料的精密输送及周向角度的定位，控制电激励的相位可以实现物料的正反向输送及定位。
4. 可以通过改变施加激励的幅值和相位差来实现不同的输送及定位的效果。
附图说明：
图1是本发明所述的纵弯型行波压电振子的立体结构示意图；
图2是本发明所述的纵弯型行波压电振子的中轴线剖视图；
图3是本发明所述的纵弯型行波压电振子的俯视图；
图4是本发明所述的纵弯型行波压电振子的分解图；
图5为单独施加激励E1、E2的示意图
图6为同时施加E1、E2时的示意图
图1至6中：圆环形驱动板1；通孔1-1；环形驱动槽1-2；环形连接筋板1-3；环形量角刻度盘1-4；夹心式纵振换能器2；连接螺钉2.1；前端盖2.2；压电陶瓷片2.3；电极片2.4；后端盖2.5；紧固螺栓2.6。
具体实施方案：
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
如图1-4所示，本发明所述的纵弯型行波压电振子，包括圆环形驱动板以及四个夹心式纵振换能器；所述的四个夹心式纵振换能器位于圆环形驱动板的下方，且各夹心式纵振换能器的上端均通过柔性连接的方式与圆环形驱动板固定，同时，前述的四个夹心式纵振换能器绕着圆环形驱动板的轴线均匀分布；另外，所述的四个夹心式纵振换能器中，处于一条对角线上的两个夹心式纵振换能器为一组，记为第一纵向振动子，而处于另一条对角线上的两个夹心式纵振换能器也为一组，记为第二纵向振动子；第一纵向振动子、第二纵向振动子均与正弦激励信号连接，且施加于第一纵向振动子的正弦激励信号与施加于第二纵向振动子的正弦激励信号频率相同，幅值不同，空间相位差为90°，时间相位差为φ（0<φ<180°）。
如图3所示，所述的环形驱动板，包括驱动板本体，该驱动板本体沿轴向开设通孔，并在板面上开设环形驱动槽，环形驱动槽内均布有4个安装孔，四个夹心式纵振换能器一一对应地采用柔性连接的方式安装在四个安装孔中；驱动板本体在紧靠着环形驱动槽设置环形量角刻度盘；附图中，所述的环形量角刻度盘位于环形驱动槽的外侧；另外，所述的驱动板本体在环形驱动槽与通孔之间的板面设置环形连接筋板，该环形连接筋板的厚度小于紧靠着通孔周围的驱动板本体的厚度，而紧靠着通孔周围的驱动板本体的厚度小于环形驱动槽的槽壁高度
所述的四个夹心式纵振换能器结构一致，均包括从上到下依次设置的前端盖、压电陶瓷组件、后端盖以及紧固螺栓；压电陶瓷组件包括压电陶瓷片、电极片，压电陶瓷片为偶数片，所述的偶数片压电陶瓷片中，每两片为一组，每组压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片之间设置一片电极片，且每组压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片极化方向相反；所述前端盖的下端为圆柱形结构，上端收敛而设置呈圆锥形变幅杆结构，且前端盖的上端沿轴线开设内螺纹盲孔，前端盖的下端沿轴线开设光孔；所述的后端盖为圆柱形结构，且后端盖沿轴线开设内螺纹通孔，紧固螺栓的螺杆端部依次穿过后端盖的内螺纹通孔、压电陶瓷组件后，置于前端盖下端的光孔中；环形驱动槽的四个安装孔中均分别配装有一根连接螺钉，每一根连接螺钉的螺杆部分与相应的夹心式纵振换能器的前端盖上端的内螺纹盲孔螺纹配合连接。附图中，所述的压电陶瓷片为两片。
上述用于输送及定位的纵弯型行波压电振子的激励方式，具体是：同时在第一纵向振动子的电极片上施加正弦激励信号E 1 =V 1 sin(ωt)、第二纵向振动子的电极片上施加正弦激励信号E 2 =V 2 sin(ωt+φ)，使得第一纵向振动子激励出的工作模态与第二纵向振动子激励出的工作模态空间相位差为90°，时间相位差为φ（0<φ<180°），具体是：第一纵向振动子在正弦激励信号E 1 的激励下，产生纵向振动，促使圆环形驱动板上形成弯曲驻波M，进而带动第二纵向振动子产生耦合弯曲振动；第二纵向振动子在正弦激励信号E 2 的激励下，产生纵向振动，促使圆环形驱动板上形成弯曲驻波N，进而带动第一纵向振动子产生耦合弯曲振动；圆环形驱动板上的弯曲驻波M与弯曲驻波N将叠加形成行波，使得圆环形驱动板上的表面质点形成椭圆运动，通过摩擦力推动物体运动。行波的前进方向可由两相正弦信号的相位差进行控制，控制电激励的相位可以实现物料的正反向输送及定位。
四组陶瓷片用于激发圆环表面的两个空间相差90°的面外弯曲工作模态；用两路时间相位差为φ的正弦信号同时激励这两个具有一定相位差的工作模态，使圆环板表面质点形成椭圆运动，通过摩擦力推动物体运动。该压电振子的突出特点是：结构简单，采用夹心式换能器作为激振源，利用压电陶瓷的d33效应，机电耦合效率高，能量利用率高，可以直接作为驱动器，在圆环形驱动板开环形槽可以进行物料输送，也可以外加转子输出轴，运行可靠，速度和位置控制性能好、精度高。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种用于输送及定位的纵弯型行波压电振子，包括圆环形驱动板，其特征在于，所述圆环形驱动板的下方均匀分布有四个夹心式纵振换能器，各夹心式纵振换能器的上端均与圆环形驱动板固定连接；所述的四个夹心式纵振换能器中，处于一条对角线上的两个夹心式纵振换能器为一组，记为第一纵向振动子，而处于另一条对角线上的两个夹心式纵振换能器也为一组，记为第二纵向振动子；第一纵向振动子、第二纵向振动子均与正弦激励信号连接，且施加于第一纵向振动子的正弦激励信号与施加于第二纵向振动子的正弦激励信号频率相同，幅值不同，空间相位差为90°，时间相位差为φ,其中，0<φ<180°。
2.根据权利要求1所述的用于输送及定位的纵弯型行波压电振子，其特征在于，所述的圆环形驱动板，包括驱动板本体，该驱动板本体沿轴向开设通孔，并在板面上开设环形驱动槽，所述环形驱动槽均布有4个安装孔，四个夹心式纵振换能器一一对应地采用柔性连接的方式安装在四个安装孔中。
3.根据权利要求2所述的用于输送及定位的纵弯型行波压电振子，其特征在于，所述驱动板本体在紧靠着环形驱动槽设置环形量角刻度盘。
4.根据权利要求3所述的用于输送及定位的纵弯型行波压电振子，其特征在于，所述的环形量角刻度盘位于环形驱动槽的外侧。
5.根据权利要求3所述的用于输送及定位的纵弯型行波压电振子，其特征在于，所述的驱动板本体在环形驱动槽与通孔之间的板面设置环形连接筋板，该环形连接筋板的厚度小于紧靠着通孔周围的驱动板本体的厚度，而紧靠着通孔周围的驱动板本体的厚度小于环形驱动槽的槽壁高度。
6.根据权利要求2所述的用于输送及定位的纵弯型行波压电振子，其特征在于，所述的四个夹心式纵振换能器结构一致，均包括依次设置的前端盖、压电陶瓷组件、后端盖以及紧固螺栓；压电陶瓷组件包括压电陶瓷片、电极片，压电陶瓷片为偶数片，所述的偶数片压电陶瓷片中，每两片为一组，每组压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片之间设置一片电极片，且每组压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片极化方向相反；所述前端盖的下端为圆柱形结构，上端收敛而设置呈圆锥形变幅杆结构，且前端盖的上端沿轴线开设内螺纹盲孔，前端盖的下端沿轴线开设光孔；所述的后端盖为圆柱形结构，且后端盖沿轴线开设内螺纹通孔，紧固螺栓的螺杆端部依次穿过后端盖的内螺纹通孔、压电陶瓷组件后，置于前端盖下端的光孔中；环形驱动槽的四个安装孔中均分别配装有一根连接螺钉，每一根连接螺钉的螺杆部分与相应的夹心式纵振换能器的前端盖上端的内螺纹盲孔螺纹配合连接。
7.根据权利要求6所述的用于输送及定位的纵弯型行波压电振子，其特征在于，所述的压电陶瓷片为两片。
8.一种权利要求1所述的用于输送及定位的纵弯型行波压电振子的激励方式，其特征在于，同时在第一纵向振动子的电极片上施加正弦激励信号E1=V1sin(ωt)、第二纵向振动子的电极片上施加正弦激励信号E2=V2sin(ωt+φ)，使得第一纵向振动子激励出的工作模态与第二纵向振动子激励出的工作模态空间相位差为90°，时间相位差为φ，其中，0<φ<180°，具体是：第一纵向振动子在正弦激励信号E1的激励下，产生纵向振动，促使圆环形驱动板上形成弯曲驻波M，进而带动第二纵向振动子产生耦合弯曲振动；第二纵向振动子在正弦激励信号E2的激励下，产生纵向振动，促使圆环形驱动板上形成弯曲驻波N，进而带动第一纵向振动子产生耦合弯曲振动；圆环形驱动板上的弯曲驻波M与弯曲驻波N将叠加形成行波，使得圆环形驱动板上的表面质点形成椭圆运动，通过摩擦力推动物体运动。
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