CN101651431A - 悬臂纵弯复合换能器式圆筒形行波超声电机振子 - Google Patents

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Abstract

悬臂纵弯复合换能器式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电机机械输出能力受制约，以及采用多个换能器同时驱动使超声电机的机械输出能力和可控性都降低的问题。它由圆筒和悬臂纵弯复合夹心换能器组成，圆筒和悬臂纵弯复合夹心换能器通过两个悬臂连为一体，紧固螺钉穿过前端盖和两个悬臂的中心通孔与后端盖旋合固定，四片纵振压电陶瓷片安装在两个悬臂之间，前端盖和第一悬臂之间以及后端盖和第二悬臂之间均安装有一对弯振压电陶瓷片，相邻的弯振压电陶瓷片和相邻的纵振压电陶瓷片的极化方向相反。本发明用于超声电机的制作领域。

Description

悬臂纵弯复合换能器式圆筒形行波超声电机振子
技术领域
本发明涉及一种悬臂纵弯复合换能器式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应，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驱动的压电超声电机，由于每个换能器在加工、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电机机械输出能力受制约，以及采用多个换能器同时驱动使超声电机的机械输出能力和可控性都降低的问题，提供了一种悬臂纵弯复合换能器式圆筒形行波超声电机振子。
本发明包括圆筒，它还包括悬臂纵弯复合夹心换能器，悬臂纵弯复合夹心换能器由第一悬臂、第二悬臂、紧固螺钉、四片纵振压电陶瓷片、四片弯振压电陶瓷片、三个绝缘套、七个电极片、前端盖和后端盖组成，
紧固螺钉穿过前端盖、第一悬臂和第二悬臂的中心通孔与后端盖旋合固定，第一悬臂与前端盖之间和第二悬臂与后端盖之间的紧固螺钉上分别套有两片弯振压电陶瓷片，第一悬臂和第二悬臂之间的紧固螺钉上套有四片纵振压电陶瓷片，每相邻的两片弯振压电陶瓷片之间、第一悬臂与相邻的弯振压电陶瓷片之间、第二悬臂与相邻的弯振压电陶瓷片之间和每相邻的两片纵振压电陶瓷片之间分别设有一个电极片，弯振压电陶瓷片和电极片与紧固螺钉之间、纵振压电陶瓷片和电极片与紧固螺钉之间分别设置有绝缘套；
第一悬臂、第二悬臂与圆筒的外表面制成一体，圆筒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；
每片纵振压电陶瓷片和每片弯振压电陶瓷片分别沿厚度方向极化，每相邻的两片纵振压电陶瓷片的极化方向相反，每相邻的两片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，每片弯振压电陶瓷片的对称切分并重新组合的左半片和右半片的极化方向相反，分别与第一悬臂和第二悬臂相邻的两片弯振压电陶瓷片的极化方向相同。
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能够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；采用单个换能器在圆筒定子中激励出行波，避免了采用多个换能器时存在的振动不一致而导致的振子表面质点振动轨迹的畸变，提高了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是本发明的立体结构示意图；图2是图1的俯视剖视图；图3是图2所示的悬臂弯振夹心换能器中弯振压电陶瓷片和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，即为圆筒五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，该振型对应的振动模态采用换能器的纵向振动激励圆筒弯曲振动模态，此时换能器振动状态为收缩；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，该振型对应的振动模态采用换能器的弯曲振动激励圆筒弯曲振动模态；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，该振型对应的振动模态采用换能器的纵向振动激励圆筒弯曲振动模态，此时，换能器振动状态为伸长；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，该振型对应的振动模态和图6同样是采用换能器的弯曲振动激励圆筒弯曲振动模态，换能器的弯曲振动状态和图6相反。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式包括圆筒1，它还包括悬臂纵弯复合夹心换能器2，悬臂纵弯复合夹心换能器2由第一悬臂2-11、第二悬臂2-12、紧固螺钉2-2、四片纵振压电陶瓷片2-3、四片弯振压电陶瓷片2-4、三个绝缘套2-5、七个电极片2-6、前端盖2-7和后端盖2-8组成，
紧固螺钉2-2穿过前端盖2-7、第一悬臂2-11和第二悬臂2-12的中心通孔与后端盖2-8旋合固定，第一悬臂2-11与前端盖2-7之间和第二悬臂2-12与后端盖2-8之间的紧固螺钉2-2上分别套有两片弯振压电陶瓷片2-4，第一悬臂2-11和第二悬臂2-12之间的紧固螺钉2-2上套有四片纵振压电陶瓷片2-3，每相邻的两片弯振压电陶瓷片2-4之间、第一悬臂2-11与相邻的弯振压电陶瓷片2-4之间、第二悬臂2-12与相邻的弯振压电陶瓷片2-4之间和每相邻的两片纵振压电陶瓷片2-3之间分别设有一个电极片2-6，弯振压电陶瓷片2-4和电极片2-6与紧固螺钉2-2之间、纵振压电陶瓷片2-3和电极片2-6与紧固螺钉2-2之间分别设置有绝缘套2-5；
第一悬臂2-11、第二悬臂2-12与圆筒1的外表面制成一体，圆筒1内壁沿圆周向均匀分布多个梳状驱动齿1-1，多个梳状驱动齿1-1与圆筒1为一体件，多个梳状驱动齿1-1沿圆筒1的轴向与中心轴线平行；
每片纵振压电陶瓷片2-3和每片弯振压电陶瓷片2-4分别沿厚度方向极化，每相邻的两片纵振压电陶瓷片2-3的极化方向相反，每相邻的两片弯振压电陶瓷片2-4的极化方向相反，每片弯振压电陶瓷片2-4的对称切分并重新组合的左半片和右半片的极化方向相反，分别与第一悬臂2-11和第二悬臂2-12相邻的两片弯振压电陶瓷片2-4的极化方向相同。
本实施方式中圆筒1的高度和悬臂纵弯复合夹心换能器2的厚度相同，可以使在实际加工的过程中工艺更加简单。
工作原理：本发明中的弯振压电陶瓷片2-4和纵振压电陶瓷片2-3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曲振动，进而通过两个连接悬臂纵弯复合夹心换能器2和圆筒1的悬臂实现在圆筒1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1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，通过驱动齿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。
本实施方式的悬臂纵弯复合换能器式圆筒形行波超声电机振子在应用的时候，参见图4所示，位于四片纵振压电陶瓷片2-3中心以及弯振压电陶瓷片2-4和悬臂之间的电极片2-6与驱动电源的公共端V0连接，位于相邻纵振压电陶瓷片2-3之间的另外两个电极片2-6与驱动信号V1连接，位于相邻两片弯振压电陶瓷片2-4之间的两个电极片2-6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纵振压电陶瓷片2-3和弯振压电陶瓷片2-4的截面为矩形。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

Claims (2)

1、一种悬臂纵弯复合换能器式圆筒形行波超声电机振子，它包括圆筒(1)，其特征在于：它还包括悬臂纵弯复合夹心换能器(2)，悬臂纵弯复合夹心换能器(2)由第一悬臂(2-11)、第二悬臂(2-12)、紧固螺钉(2-2)、四片纵振压电陶瓷片(2-3)、四片弯振压电陶瓷片(2-4)、三个绝缘套(2-5)、七个电极片(2-6)、前端盖(2-7)和后端盖(2-8)组成，
紧固螺钉(2-2)穿过前端盖(2-7)、第一悬臂(2-11)和第二悬臂(2-12)的中心通孔与后端盖(2-8)旋合固定，第一悬臂(2-11)与前端盖(2-7)之间和第二悬臂(2-12)与后端盖(2-8)之间的紧固螺钉(2-2)上分别套有两片弯振压电陶瓷片(2-4)，第一悬臂(2-11)和第二悬臂(2-12)之间的紧固螺钉(2-2)上套有四片纵振压电陶瓷片(2-3)，每相邻的两片弯振压电陶瓷片(2-4)之间、第一悬臂(2-11)与相邻的弯振压电陶瓷片(2-4)之间、第二悬臂(2-12)与相邻的弯振压电陶瓷片(2-4)之间和每相邻的两片纵振压电陶瓷片(2-3)之间分别设有一个电极片(2-6)，弯振压电陶瓷片(2-4)和电极片(2-6)与紧固螺钉(2-2)之间、纵振压电陶瓷片(2-3)和电极片(2-6)与紧固螺钉(2-2)之间分别设置有绝缘套(2-5)；
第一悬臂(2-11)、第二悬臂(2-12)与圆筒(1)的外表面制成一体，圆筒(1)内壁沿圆周向均匀分布多个梳状驱动齿(1-1)，多个梳状驱动齿(1-1)沿圆筒(1)的轴向与中心轴线平行；
每片纵振压电陶瓷片(2-3)和每片弯振压电陶瓷片(2-4)分别沿厚度方向极化，每相邻的两片纵振压电陶瓷片(2-3)的极化方向相反，每相邻的两片弯振压电陶瓷片(2-4)的极化方向相反，每片弯振压电陶瓷片(2-4)的对称切分并重新组合的左半片和右半片的极化方向相反，分别与第一悬臂(2-11)和第二悬臂(2-12)相邻的两片弯振压电陶瓷片(2-4)的极化方向相同。
2、根据权利要求1所述的悬臂纵弯复合换能器式圆筒形行波超声电机振子，其特征在于：所述纵振压电陶瓷片(2-3)和弯振压电陶瓷片(2-4)的截面为矩形。
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