CN113162463B - 一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子及其激励方法，包含压电陶瓷片，压电陶瓷片分为第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，还包含弹性板和两个弹性悬臂梁；与弹性板厚度方向的侧面垂直且相对的其中两个侧面上分别固定有第一压电陶瓷片，与弹性板厚度方向的侧面垂直且相对的另外两个侧面分别连接有弹性悬臂梁，两个弹性悬臂梁对称布置，每个弹性悬臂梁上相对的两个表面分别固定有第二压电陶瓷片，第一压电陶瓷片与第二压电陶瓷片平行布置，在弹性板的对称轴线处开有安装孔，弹性悬臂梁的端面设置有摩擦材料层。本发明振子结构紧凑，具有双向驱动的特点，可应用到空间尺寸要求严格的使用环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声电机振子及其激励方法，具体涉及一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子及其激励方法。
背景技术
超声波电机(Ultrasonic Motor，简称USM)是一种能将外界输入的电能通过压电材料的逆压电效应转换为电机定子的振动能，再通过定、动子之间的摩擦力将定子的振动能转换为动子的机械能的新型电机。可以分为行波和驻波两种类型。其中驻波超声波电机具有结构灵活，转换效率高，易于小型化等优点。但是这种驻波电机振子通常是利用两种相同或不同的振动模态组合实现驱动足的椭圆振动，这两种不同的振动模态节点不易重合或者存在转动，固定困难。此外，一些驻波电机振子为了保持两种模态频率的一致性，设计的宽度和厚度尺寸较大，结构较复杂，难以实现微型化，不利于在空间尺寸要求比较严格的窄薄领域应用。
发明内容
本发明是为克服现有技术不足，提供一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子及其激励方法。
本发明的技术方案是：
一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，包含压电陶瓷片，压电陶瓷片分为第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，还包含弹性板和弹性悬臂梁；与弹性板厚度方向的侧面垂直且相对的其中两个侧面上分别固定有第一压电陶瓷片，与弹性板厚度方向的侧面垂直且相对的另外两个侧面中的一个侧面固接有弹性悬臂梁，弹性悬臂梁上相对的两个表面分别固定有第二压电陶瓷片，第一压电陶瓷片与第二压电陶瓷片平行布置，弹性悬臂梁的端面设置有摩擦材料层。
一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，包含压电陶瓷片，压电陶瓷片分为第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，还包含弹性板和两个弹性悬臂梁；与弹性板厚度方向的侧面垂直且相对的其中两个侧面上分别固定有第一压电陶瓷片，与弹性板厚度方向的侧面垂直且相对的另外两个侧面分别连接有弹性悬臂梁，两个弹性悬臂梁对称布置，每个弹性悬臂梁上相对的两个表面分别固定有第二压电陶瓷片，第一压电陶瓷片与第二压电陶瓷片平行布置，弹性板的对称轴线处开有安装孔，弹性悬臂梁的端面设置有摩擦材料层。
本发明相比现有技术的有益效果是：
板悬臂梁的组合结构使得悬臂梁面内弯曲刚度较小，而弹性板的面内弯曲刚度较大，导致整个压电振子结构在面内三阶弯曲振动退化为悬臂梁处的局部二阶弯振。通过整体一阶纵振实现悬臂梁端面在长度方向的来回往复振动；通过悬臂梁处的局部二阶弯振实现其端面在竖向方向的来回往复振动；将该压电振子分别沿长度方向和竖向方向的往复振动进行叠加，实现悬臂梁端面上的质点在面内的椭圆运动。
本发明的振子为厚度很薄，长度适中的特殊结构，具有结构简单、固定可靠、驱动力大、成本低、双向驱动等优点。超声波电机应用到空间尺寸要求严格的使用环境中，例如，在手机摄像头中，在宽度和厚度方向上结构尺寸要求严格，但在长度方向上要求相对宽松。利用本发明的振子制作的超声波电机应用到空间尺寸要求严格的使用环境中。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1是单悬臂梁的振子示意图；
图2是本发明弹性板和弹性悬臂梁的结构图；
图3是弹性板和双悬臂梁结构复合的振子示意图；
图4是一阶纵振收缩极限位置有限元仿真图；
图5是一阶纵振伸长极限位置有限元仿真图；
图6是二阶弯振向上弯曲极限位置有限元仿真图；
图7是二阶弯振向下弯曲极限位置有限元仿真图。
具体实施方式
如图1所示，一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，包含压电陶瓷片，压电陶瓷片分为第一压电陶瓷片2-1和第二压电陶瓷片2-2，还包含弹性板1-1和弹性悬臂梁1-2；与弹性板1-1厚度方向的侧面垂直且相对的其中两个侧面上分别固定有第一压电陶瓷片2-1，与弹性板1-1厚度方向的侧面垂直且相对的另外两个侧面中的一个侧面固接有弹性悬臂梁1-2，弹性悬臂梁1-2上相对的两个表面分别固定有第二压电陶瓷片2-2，第一压电陶瓷片2-1与第二压电陶瓷片2-2平行布置，弹性悬臂梁1-2的端面1-2-1设置有摩擦材料层4。
上述单悬臂梁和板复合结构使得振子整体一阶纵振和弹性悬臂梁处的局部二阶弯振耦合成悬臂梁端面的椭圆运动，进而驱动动子作往复直线运动。这种单悬臂梁的超声波电机压电振子具有结构简单，易于微型化的特点。
通常，如图2所示，弹性板1-1的厚度较薄，弹性悬臂梁1-2为平板，厚度较薄，为便于说明，如图3所示建立XYZ坐标系，定义X轴方向为弹性板1-1的厚度方向及弹性悬臂梁1-2的宽度方向，Y轴方向为弹性板1-1的长度方向和弹性悬臂梁1-2的长度方向，Z轴方向为弹性板1-1的宽度方向及弹性悬臂梁1-2的厚度方向，弹性悬臂梁1-2的厚度要远小于弹性板1-1的宽度，大约为弹性板1-1宽度的十分之一以上，弹性悬臂梁1-2厚度方向(Z方向)的侧面与弹性板1-1厚度方向(X方向)的侧面垂直设置，弹性悬臂梁1-2的宽度(X方向为宽度)小于弹性板1-1的厚度(X方向为厚度)。这样的板和悬臂梁特殊组合结构使得弹性悬臂梁1-2的Y-Z面内弯曲刚度较小，而弹性板1-1的Y-Z面内弯曲刚度较大，导致整个压电振子结构在Y-Z面内三阶弯曲振动退化为弹性悬臂梁1-2处的局部二阶弯振。
进一步地，所述弹性悬臂梁1-2的宽度等于弹性板1-1的厚度。如此设置，加工工艺好，加工简便，整个压电振子结构规则。
如图3所示，另一个实施方式中，还提供一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，包含压电陶瓷片，压电陶瓷片分为第一压电陶瓷片2-1和第二压电陶瓷片2-2，还包含弹性板1-1和两个弹性悬臂梁1-2；与弹性板1-1厚度方向的侧面垂直且相对的其中两个侧面上分别固定有第一压电陶瓷片2-1，与弹性板1-1厚度方向的侧面垂直且相对的另外两个侧面分别连接有弹性悬臂梁1-2，两个弹性悬臂梁1-2对称布置，每个弹性悬臂梁1-2上相对的两个表面分别固定有第二压电陶瓷片2-2，第一压电陶瓷片2-1与第二压电陶瓷片2-2平行布置，在弹性板1-1的对称轴线处开有安装孔3，弹性悬臂梁1-2的端面1-2-1设置有摩擦材料层4。
安装孔3可以为1个或者2个，其形状可以为圆形或者三角形，或者方形，或者其它非圆形结构。使用圆形孔时数量为2个，布置在布置在弹性板1-1的X方向的侧面对称轴线上；使用三角形或方形或其他非圆形孔时，数量为1个，布置在弹性板1-1的X方向的侧面的两条对角线中心。
结合有限元仿真软件，利用模态分析找出该结构振动位移较小的区域，由于其结构的对称性，在弹性板1-1中间对称轴线、整个压电振子的一阶纵振动的声学节面处开有安装孔3，安装孔作为压电振子与超声波电机基座相连接的部位，可以采用适当的连接结构连接到基座上。上述组合双悬臂梁和板复合结构使得振子整体一阶纵振和弹性悬臂梁处的局部二阶弯振耦合成悬臂梁端面的椭圆运动，进而驱动动子作往复直线运动，该压电振子相比于其它形式的压电振子的优势在于，其具有固定可靠、驱动力大、结构简单、易于微型化。
上述两种实施方式中，通常，第一压电陶瓷片2-1和第二压电陶瓷片2-2分别与弹性板1-1和弹性悬臂梁1-2之间通过环氧树脂系胶结剂粘接。该压电振子通过在弹性悬臂梁1-2的端面1-2-1设置摩擦材料层4与超声波电机的动子接触，从而实现定子、动子之间的动力传递。所述摩擦材料层4的材质为陶瓷材料(Al2O3，ZrO2)，摩擦材料层4的厚度为3μm-50μm。
通常，如图2所示，弹性板1-1的厚度较薄，弹性悬臂梁1-2为平板，厚度较薄，为便于说明，如图3所示建立XYZ坐标系，定义X轴方向为弹性板1-1的厚度方向及弹性悬臂梁1-2的宽度方向，Y轴方向为弹性板1-1的长度方向和弹性悬臂梁1-2的长度方向，Z轴方向为弹性板1-1的宽度方向及弹性悬臂梁1-2的厚度方向，弹性悬臂梁1-2的厚度要远小于弹性板1-1的宽度，大约为弹性板1-1宽度的十分之一以上，弹性悬臂梁1-2厚度方向(Z方向)的侧面与弹性板1-1厚度方向(X方向)的侧面垂直设置，弹性悬臂梁1-2的宽度(X方向为宽度)小于弹性板1-1的厚度(X方向为厚度)。这样的板和悬臂梁特殊组合结构使得弹性悬臂梁1-2的Y-Z面内弯曲刚度较小，而弹性板1-1的Y-Z面内弯曲刚度较大，导致整个压电振子结构在Y-Z面内三阶弯曲振动退化为弹性悬臂梁1-2处的局部二阶弯振。
进一步地，所述弹性悬臂梁1-2的宽度等于弹性板1-1的厚度。如此设置，加工工艺好，加工简便，整个压电振子结构规则。
图4显示的是双悬臂梁和弹性板复合结构振子中一阶纵振收缩极限位置有限元仿真图；
图5显示的是双悬臂梁和弹性板复合结构振子中一阶纵振伸长极限位置有限元仿真图；图6显示的是双悬臂梁和弹性板复合结构振子中二阶弯振向上弯曲极限位置有限元仿真图；图7显示的是双悬臂梁和弹性板复合结构振子中二阶弯振向下弯曲极限位置有限元仿真图，由上可知，振子整体一阶纵振和弹性悬臂梁处的局部二阶弯振耦合成悬臂梁端面的椭圆运动。
为了提高加工制作的可靠和安装的便捷性，如图1-图3所示，所述弹性板1-1与弹性悬臂梁1-2一体制成。将弹性板1-1和弹性悬臂梁1-2做成一体结构，且二者材质相同，可均为铝合金、铜合金、不锈钢、钛合金或者陶瓷材料。如此设置，更有利于形成一阶纵振和二阶弯振的合成。
上述两种实施方式所用的压电陶瓷片为PZT4压电陶瓷片，为长方形板状结构。一种具体的尺寸是，激发纵振动的第一压电陶瓷片2-1的尺寸(长×宽×高)为4×1×0.3mm，激发弯振动的第二压电陶瓷片2-2的尺寸(长×宽×高)为2.3×1×0.3mm。弹性板1-1可做成长度为4mm，宽度为2.4mm，厚度为1.0mm，两个安装孔中心距离为1.6mm的长方体，弹性悬臂梁1-2可做成长度为2.9mm，宽度为1.0mm，厚度为0.2mm的长方体。第一压电陶瓷片2-1粘贴在弹性板1-1宽度与厚度形成的侧面上，第二压电陶瓷片2-2粘贴在弹性悬臂梁1-2的长度与宽度形成的底面上。
贴片时，弹性悬臂梁1-2上的第二压电陶瓷片2-2的外侧端面距弹性悬臂梁1-2的端面1-2-1的距离为0.4mm。如上组合结构经模态分析仿真计算得出该结构压电振子一阶纵振的固有频率为184.2kHz，悬臂梁的局部二阶弯振的固有频率为185.7kHz，频率十分接近，可视为已简并。
基于双悬臂梁和板复合结构的振子，还提供一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子激励方法，两个第一压电陶瓷片2-1和四个第二压电陶瓷片2-2分为两组，两个压电陶瓷片组施加相位差90度的交流电信号，利用振子的整体一阶纵振和悬臂梁处的局部二阶弯振合成两个弹性悬臂梁端面的椭圆运动来驱动动子，如果改变施加到两个压电陶瓷片组上的激励信号的相位差，可改变驱动端椭圆运动的转动方向，实现振子的双向驱动。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (9)
1.一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，包含压电陶瓷片，压电陶瓷片分为第一压电陶瓷片（2-1）和第二压电陶瓷片（2-2），其特征在于：还包含弹性板（1-1）和弹性悬臂梁（1-2），所述弹性板（1-1）和弹性悬臂梁（1-2）均为长方体结构；
弹性板（1-1）的长度和厚度构成的相对的两个表面上分别固定有第一压电陶瓷片（2-1），弹性板（1-1）的宽度和厚度构成的相对的两个表面中的一个表面与弹性悬臂梁（1-2）的宽度和厚度构成的一个表面固接，弹性悬臂梁（1-2）的长度和宽度构成的相对的两个表面上分别固定有第二压电陶瓷片（2-2），第一压电陶瓷片（2-1）与第二压电陶瓷片（2-2）平行布置，弹性悬臂梁（1-2）的宽度和厚度构成的另一个表面设置有摩擦材料层（4），所述弹性悬臂梁（1-2）为平板，平板的宽度小于弹性板（1-1）的厚度，弹性悬臂梁（1-2）的厚度远小于弹性板（1-1）的宽度，为弹性板（1-1）宽度的十分之一以上，使得弹性悬臂（1-2）的长度和厚度面内的弯曲刚度较小，而弹性板（1-1）的长度和宽度面内的弯曲刚度较大。
2.根据权利要求1所述一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，其特征在于：摩擦材料层（4）的厚度为3-50μm，材质为陶瓷材料。
3.根据权利要求1或2所述一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，其特征在于：所述弹性板（1-1）与弹性悬臂梁（1-2）一体制成。
4.根据权利要求3所述一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，其特征在于：所述弹性板（1-1）和弹性悬臂梁（1-2）材质相同，均为铝合金、铜合金、不锈钢、钛合金或者陶瓷材料。
5.一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，包含压电陶瓷片，压电陶瓷片分为第一压电陶瓷片（2-1）和第二压电陶瓷片（2-2），其特征在于：还包含弹性板（1-1）和两个弹性悬臂梁（1-2），所述弹性板（1-1）和弹性悬臂梁（1-2）均为长方体结构；
弹性板（1-1）的长度和厚度构成的相对的两个表面上分别固定有第一压电陶瓷片（2-1），
弹性板（1-1）的宽度和厚度构成的相对的两个表面分别与一个弹性悬臂梁（1-2）的宽度和厚度构成的一个表面固接；两个弹性悬臂梁（1-2）对称布置，每个弹性悬臂梁（1-2）的长度和宽度构成的相对的两个表面上分别固定有第二压电陶瓷片（2-2），第一压电陶瓷片（2-1）与第二压电陶瓷片（2-2）平行布置，在弹性板（1-1）的对称轴线处开有安装孔（3），弹性悬臂梁（1-2）的宽度和厚度构成的另一个表面设置有摩擦材料层（4），所述弹性悬臂梁（1-2）为平板，平板的宽度小于等于弹性板（1-1）的厚度，弹性悬臂梁（1-2）的厚度远小于弹性板（1-1）的宽度，为弹性板（1-1）宽度的十分之一以上，使得弹性悬臂梁（1-2）的长度和厚度面内的弯曲刚度较小，而弹性板（1-1）的长度和宽度面内的弯曲刚度较大。
6.根据权利要求5所述一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，其特征在于：摩擦材料层（4）的厚度为3-50μm，材质为陶瓷材料。
7.根据权利要求 6所述一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，其特征在于：所述弹性板（1-1）与两个弹性悬臂梁（1-2）一体制成。
8.根据权利要求5或6所述一种板悬臂梁组合结构的超声波电机振子，其特征在于：所述弹性板（1-1）和弹性悬臂梁（1-2）材质相同，均为铝合金、铜合金、不锈钢、钛合金或者陶瓷材料。
9.一种根据权利要求5至8任一项所述板悬臂梁组合结构的超声波电机振子的激励方法，其特征在于：两个第一压电陶瓷片（2-1）和四个第二压电陶瓷片（2-2）分为两组，两个压电陶瓷片组施加相位差90度的交流电信号，利用振子的整体一阶纵振和悬臂梁处的局部二阶弯振合成两个弹性悬臂梁端面的椭圆运动来驱动动子，如果改变施加到两个压电陶瓷片组上的激励信号的相位差，可改变驱动端椭圆运动的转动方向，实现振子的双向驱动。
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