CN101626206B

CN101626206B - 纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子

Info

Publication number: CN101626206B
Application number: CN2009100727000A
Authority: CN
Inventors: 陈维山; 刘英想; 刘军考; 石胜君
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: CN101626206A

Abstract

纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。它是为了解决目前的超声电机振子采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，使超声电机的机械输出能力受到制约，以及采用多个换能器同时驱动时存在的难以保证多个换能器完全一致而导致的振子表面质点振动轨迹的畸变，降低超声电机的机械输出能力和可控性的问题。本发明包括纵弯复合夹心换能器和两个圆筒，纵弯复合夹心换能器的一个前端盖的小端面分别与一个圆筒制成一体，前端盖的大端面分别连接一个螺柱的一端，纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片分别与电极片间隔套接在螺柱上，并且螺柱另一端分别与法兰连接。本发明用于超声电机的制作领域。

Description

纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子

技术领域

本发明涉及一种纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

超声电机是一种利用超声振动能量，通过摩擦耦合作用来产生驱动力的电机。它利用压电陶瓷的逆压电效压，在弹性体中激励出超声频段内的振动，然后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，再通过定子、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。超声电机由于具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点，作为一种压电驱动器有着十分广泛的应用。

出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前压电超声电机振子大多采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，这种激励方式采用压电陶瓷的d₃₁振动模式，d₃₁振动模式是陶瓷片沿长度方向伸缩振动的模式，由于这种振动模式材料抗拉强度低并且实现能量转换的机电耦合效率低，同时受粘贴胶层的强度和疲劳寿命的限制，使超声电机的机械输出能力受到严重制约；对于采用多个换能器式振子驱动的压电超声电机，由于每个振子在加工、粘贴以及装配等过程中很难保证完全一致，使振动特性存在差异，进而引起振子表面质点振动轨迹的畸变，同样降低超声电机的机械输出能力和可控性。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的超声电机振子采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，使超声电机的机械输出能力受到制约，以及采用多个换能器同时驱动时存在的难以保证多个换能器完全一致而导致的振子表面质点振动轨迹的畸变，降低超声电机的机械输出能力和可控性的问题，提供了一种纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子。

本发明包括纵弯复合夹心换能器和两个圆筒，所述圆筒的内壁沿圆周向均匀分布多个梳状驱动齿，多个梳状驱动齿沿圆筒的轴向与中心轴线平行；

所述纵弯复合夹心换能器由两个前端盖、两片第一弯振压电陶瓷片、两片第二弯振压电陶瓷片、两片第一纵振压电陶瓷片、两片第二纵振压电陶瓷片、两片第一电极片、两片第二电极片、两片第三电极片、两片第四电极片、法兰、两个螺柱和两个绝缘套组成；

前端盖由长方体和六面体两部分制成一体，前端盖的厚度与圆筒的高度相等，六面体的大端面与长方体的一面重合，六面体的小端面与圆筒的外表面制成一体，六面体由大端面至小端面的截面为逐渐变细的矩形；前端盖的长方体一侧的端面中心处具有带内螺纹的盲孔；

法兰中心的两侧分别连接一个螺柱，每个螺柱上从与法兰相连接端起依次套接一片第一纵振压电陶瓷片、一片第一电极片、一片第二纵振压电陶瓷片、一片第二电极片、一片第一弯振压电陶瓷片、一片第三电极片、一片第二弯振压电陶瓷片、一片第四电极片，每个螺柱的另一端分别通过一个带内螺纹的盲孔与一个前端盖固定连接；每个螺柱与第一纵振压电陶瓷片、第一电极片、第二纵振压电陶瓷片、第二电极片、第一弯振压电陶瓷片、第三电极片、第二弯振压电陶瓷片和第四电极片之间套有一个绝缘套；

所述两片第一纵振压电陶瓷片、两片第二纵振压电陶瓷片、两片第一弯振压电陶瓷片和两片第二弯振压电陶瓷片分别沿厚度方向极化，所述每个螺柱上的第一纵振压电陶瓷片和第二纵振压电陶瓷片的极化方向相反，每个螺柱上的第一弯振压电陶瓷片和第二弯振压电陶瓷片的极化方向相反，每片第一弯振压电陶瓷片和第二弯振压电陶瓷片的对称切分的左半片和右半片的极化方向相反。

本发明的优点是：

本发明中的压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷元件高机电耦合效率的d₃₃振动模式工作，d₃₃振动模式是陶瓷片沿厚度方向伸缩振动的模式，解决了粘贴压电陶瓷片式压电超声电机机电耦合效率低、机械输出能力差的问

题；本发明采用沿厚度方向极化的弯振压电陶瓷片实现换能器的弯曲振动的激励，采用沿厚度方向极化的纵振压电陶瓷片实现换能器的纵向振动的激励；通过调整结构参数实现换能器纵振固有频率、换能器弯振固有频率和圆筒弯振固有频率之间的简并；前端盖采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高振子驱动齿表面质点的振幅和振速，使得采用本发明振子的超声电机性能得到提高；采用单个换能器在圆筒振子中激励出行波，避免采用多个换能器时存在的振动不一致问题，提高超声电机的机械输出能力和可控性。

本发明具有结构简单、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是本发明的剖视结构示意图；图2是本发明的立体结构示意图；图3是图1所示的两片第一弯振压电陶瓷片、两片第二弯振压电陶瓷片、两片第一纵振压电陶瓷片、两片第二纵振压电陶瓷片的极化方向示意图；图4是本发明与驱动电源连接的示意图；图5～图8是本发明振子在一个完整振动周期内的振型变化周向展开图，为圆筒六阶弯振模态的振型变化示意图，其中图5是本发明振子在一个完整振动周期内的第一四分之一周期的振型变化周向展开图，图6是本发明振子在一个完整振动周期内的第二四分之一周期的振型变化周向展开图，图7是本发明振子在一个完整振动周期内的第三四分之一周期的振型变化周向展开图，图8是本发明振子在一个完整振动周期内的第四四分之一周期的振型变化周向展开图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式包括纵弯复合夹心换能器1和两个圆筒2，所述圆筒2的内壁沿圆周向均匀分布多个梳状驱动齿2-1，多个梳状驱动齿2-1沿圆筒2的轴向与中心轴线平行；

所述纵弯复合夹心换能器1由两个前端盖1-1、两片第一弯振压电陶瓷片1-21、两片第二弯振压电陶瓷片1-22、两片第一纵振压电陶瓷片1-31、两片第二纵振压电陶瓷片1-32、两片第一电极片1-41、两片第二电极片1-42、两片第三电极片1-43、两片第四电极片1-44、法兰1-5、两个螺柱1-6和两个绝缘套1-7组成；

前端盖1-1由长方体和六面体两部分制成一体，前端盖1-1的厚度与圆筒2的高度相等，六面体的大端面与长方体的一面重合，六面体的小端面与圆筒2的外表面制成一体，六面体由大端面至小端面的截面为逐渐变细的矩形；前端盖1-1的长方体一侧的端面中心处具有带内螺纹的盲孔；

法兰1-5中心的两侧分别连接一个螺柱1-6，每个螺柱1-6上从与法兰相连接端起依次套接一片第一纵振压电陶瓷片1-31、一片第一电极片1-41、一片第二纵振压电陶瓷片1-32、一片第二电极片1-42、一片第一弯振压电陶瓷片1-21、一片第三电极片1-43、一片第二弯振压电陶瓷片1-22、一片第四电极片1-44，每个螺柱1-6的另一端分别通过一个带内螺纹的盲孔与一个前端盖1-1固定连接；每个螺柱1-6与第一纵振压电陶瓷片1-31、第一电极片1-41、第二纵振压电陶瓷片1-32、第二电极片1-42、第一弯振压电陶瓷片1-21、第三电极片1-43、第二弯振压电陶瓷片1-22和第四电极片1-44之间分别套有一个绝缘套1-7；

所述两片第一纵振压电陶瓷片1-31、两片第二纵振压电陶瓷片1-32、两片第一弯振压电陶瓷片1-21和两片第二弯振压电陶瓷片1-22分别沿厚度方向极化，所述每个螺柱1-6上的第一纵振压电陶瓷片1-31和第二纵振压电陶瓷片1-32的极化方向相反，每个螺柱1-6上的第一弯振压电陶瓷片1-21和第二弯振压电陶瓷片1-22的极化方向相反，每片第一弯振压电陶瓷片1-21和第二弯振压电陶瓷片1-22的对称切分的左半片和右半片的极化方向相反。

工作原理：第一纵振压电陶瓷片1-31和第二纵振压电陶瓷片1-32极化方向相反，可在施加纵向谐振频率电压时同步膨胀或收缩，激发纵向振动；第一弯振压电陶瓷片1-21和第二弯振压电陶瓷片1-22的极化方向相反，同时每片弯振压电陶瓷片的对称切分的左半片和右半片的极化方向相反，在施加弯曲谐振频率电压时，使相邻两片弯振压电陶瓷片分别膨胀和收缩，激发弯曲振动。本发明的弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励时，利用纵振压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动和弯振压电陶瓷片的弯曲振动，进而实现在每个圆筒上激励出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的弯振模态响应，两个弯振模态响应叠加在圆筒上形成行波，圆筒振型周向展开图如图5～图8所示，驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过振子和转子之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出。如果调整两路激励信号的相位差为-90°，可以改变行波的方向，最终实现电机转子反向运动。两个圆筒上行波方向相同，使得两个转子的旋转方向相同，当两个转子采用履带连接时，该纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子组成的超声电机可以作为轮式机器人的驱动轮使用，可以实现直接驱动，使得机器人结构得到极大的简化。

本实施方式的纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子在应用的时候，参见图4所示，位于每个前端盖1-1和第二弯振压电陶瓷片1-22之间的第四电极片1-44以及每两片弯振压电陶瓷片与两片纵振压电陶瓷片之间的第二电极片1-42同时与驱动电源的公共端V₀连接；分别位于两片纵振压电陶瓷片之间的第一电极片1-41同时与驱动信号V₁连接；分别位于两片弯振压电陶瓷片之间的第三电极片1-43同时与驱动信号V₂连接。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述第一弯振压电陶瓷片1-21、第二弯振压电陶瓷片1-22、第一纵振压电陶瓷片1-31、第二纵振压电陶瓷片1-32和法兰1-5的横截面同时为矩形。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述第一弯振压电陶瓷片1-21、第二弯振压电陶瓷片1-22、第一纵振压电陶瓷片1-31、第二纵振压电陶瓷片1-32和法兰1-5的横截面同时为圆形。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

Claims

1.一种纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子，它包括纵弯复合夹心换能器(1)和两个圆筒(2)，其特征在于：

所述圆筒(2)的内壁沿圆周向均匀分布多个梳状驱动齿(2-1)，多个梳状驱动齿(2-1)沿圆筒(2)的轴向与中心轴线平行；

所述纵弯复合夹心换能器(1)由两个前端盖(1-1)、两片第一弯振压电陶瓷片(1-21)、两片第二弯振压电陶瓷片(1-22)、两片第一纵振压电陶瓷片(1-31)、两片第二纵振压电陶瓷片(1-32)、两片第一电极片(1-41)、两片第二电极片(1-42)、两片第三电极片(1-43)、两片第四电极片(1-44)、法兰(1-5)、两个螺柱(1-6)和两个绝缘套(1-7)组成；

前端盖(1-1)由长方体和六面体两部分制成一体，前端盖(1-1)的厚度与圆筒(2)的高度相等，六面体的大端面与长方体的一面重合，六面体的小端面与圆筒(2)的外表面制成一体，六面体由大端面至小端面的截面为逐渐变细的矩形；前端盖(1-1)的长方体一侧的端面中心处具有带内螺纹的盲孔；

法兰(1-5)中心的两侧分别连接一个螺柱(1-6)，每个螺柱(1-6)上从与法兰相连接端起依次套接一片第一纵振压电陶瓷片(1-31)、一片第一电极片(1-41)、一片第二纵振压电陶瓷片(1-32)、一片第二电极片(1-42)、一片第一弯振压电陶瓷片(1-21)、一片第三电极片(1-43)、一片第二弯振压电陶瓷片(1-22)、一片第四电极片(1-44)，每个螺柱(1-6)的另一端分别通过一个带内螺纹的盲孔与一个前端盖(1-1)固定连接；每个螺柱(1-6)与第一纵振压电陶瓷片(1-31)、第一电极片(1-41)、第二纵振压电陶瓷片(1-32)、第二电极片(1-42)、第一弯振压电陶瓷片(1-21)、第三电极片(1-43)、第二弯振压电陶瓷片(1-22)和第四电极片(1-44)之间套有一个绝缘套(1-7)；

所述两片第一纵振压电陶瓷片(1-31)、两片第二纵振压电陶瓷片(1-32)、两片第一弯振压电陶瓷片(1-21)和两片第二弯振压电陶瓷片(1-22)分别沿厚度方向极化，所述每个螺柱(1-6)上的第一纵振压电陶瓷片(1-31)和第二纵振压电陶瓷片(1-32)的极化方向相反，每个螺柱(1-6)上的第一弯振压电陶瓷片(1-21)和第二弯振压电陶瓷片(1-22)的极化方向相反，每片第一弯振压电陶瓷片(1-21)和第二弯振压电陶瓷片(1-22)的对称切分的左半片和右半片的极化方向相反。

2.根据权利要求1所述的纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子，其特征在于：所述第一弯振压电陶瓷片(1-21)、第二弯振压电陶瓷片(1-22)、第一纵振压电陶瓷片(1-31)、第二纵振压电陶瓷片(1-32)和法兰(1-5)的横截面同时为矩形。

3.根据权利要求1所述的纵弯复合换能器式双圆筒形行波超声电机振子，其特征在于：所述第一弯振压电陶瓷片(1-21)、第二弯振压电陶瓷片(1-22)、第一纵振压电陶瓷片(1-31)、第二纵振压电陶瓷片(1-32)和法兰(1-5)的横截面同时为圆形。