CN102437783B - 贴片式工字型四足直线超声电机振子 - Google Patents

Abstract

贴片式工字型四足直线超声电机振子，涉及压电超声电机技术领域。它解决了现有矩形四足直线超声电机振子存在的耦生弯振所带来的各种不利影响。它的竖直梁两个端面各设置有一个变幅杆且二者结合位置为变幅杆的大端面，水平梁两个端面各设置有一个变幅杆且二者结合位置为变幅杆的大端面，竖直梁通过其两端的两个变幅杆的小端面分别与两个水平梁的内侧壁中间位置固定连接；每个水平梁的外侧壁、上侧壁和下侧壁各设置有一片压电陶瓷片，每个水平梁的内侧壁在变幅杆两侧各设置有一片压电陶瓷片，竖直梁的上侧壁和下侧壁各设置有一片压电陶瓷片，竖直梁的内侧壁、外侧壁在薄壁梁两侧对称设置有两片压电陶瓷片。本发明可以应用到超声电机制作领域。

Description

贴片式工字型四足直线超声电机振子

技术领域

本发明涉及到一种贴片式工字型四足直线超声电机振子，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。

公开日为2010年1月13日、公开号为CN101626205A、发明名称为“矩形四足直线超声电机振子”的专利申请，它首次提出了一种封闭结构的夹心式直线型超声电机新构型，通过四个按照矩形布置的纵振换能器实现四个驱动足处椭圆轨迹振动的激励；但是，该超声电机振子中的换能器间存在明显的振动耦合问题，换能器的实际振动状态并不是单一的纵振，而是一种纵振和弯振叠加的复合振动；其中，纵振是通过压电陶瓷片的主动激励产生的，而弯振则是有相邻换能器之间的耦合引起的；这种耦生弯振的存在会使得振子模态特征频率偏离单个换能器谐振频率，并会降低振子的机电转换效率，限制振子机械输出特性的提高。此外，这种耦生弯振的存在使得四个驱动足处的振动轨迹存在明显的不一致性，也不利于其输出特性的改善。此外，采用螺柱预紧使得该振子结构较为复杂、难于实现微型化，并且该振子对装配精度和各个零部件加工精度要求极高，在加工和装配精度无法达到要求时会导致振子内部存在较大内应力、压电陶瓷预压力施加不均匀等问题的存在，从而导致振子无法正常工作。

发明内容

为了解决现有矩形四足直线超声电机振子中存在的耦生振动、构型复杂、难于实现微型化、对加工和装配精度要求苛刻的问题，本发明提供了一种贴片式工字型四足直线超声电机振子。

贴片式工字型四足直线超声电机振子，包括工字型金属基体和压电陶瓷片；工字型金属基体包括两个水平梁、一个竖直梁、六个变幅杆、两个薄壁梁和两个安装座，所述水平梁和竖直梁均是截面为矩形的四棱柱体，所述每个变幅杆均是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，竖直梁的两个端面各设置有一个变幅杆，且所述竖直梁和每个变幅杆结合的端面均为该变幅杆的大端面，每个水平梁的两个端面各设置有一个变幅杆，且该水平梁与每个变幅杆结合的端面均为该变幅杆的大端面，所述竖直梁通过设置在该竖直梁两端的两个变幅杆的小端面分别与两个水平梁的一个侧壁的中间位置固定连接，所述两个水平梁均与所述竖直梁垂直且位于同一平面内；所述竖直梁的左右两个侧壁中心位置对称设置有两个薄壁梁，每个薄壁梁的外侧均设置有一个安装座；水平梁和竖直梁的侧壁上设置有压电陶瓷片。

每个水平梁的外侧壁、上侧壁和下侧壁上均居中设置有一片压电陶瓷片，每个水平梁与变幅杆相连接的侧壁上设置有两片压电陶瓷片，并且所述两片压电陶瓷片对称位于该水平梁与变幅杆的连接处的左右两侧，竖直梁的上侧壁和下侧壁上均居中设置有一片压电陶瓷片，竖直梁的内侧壁、外侧壁上均设置有两片压电陶瓷片，所述两片压电陶瓷片对称设置在所在侧壁上的薄壁梁的两侧。

本发明的贴片式工字型四足直线超声电机振子中的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°的两相交流电压信号激励(水平复合梁和竖直复合梁上的压电陶瓷片分别采用两相电压激励)，利用压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个振动模态(振子的两个振动模态如图4和图5所示)；其中图4所示振动模态为两个水平复合梁纵振所激励的模态，对应引起水平变幅杆末端质点沿水平方向的振动；图5所示振动模态为竖直复合梁纵振所激励的模态，对应引起水平变幅杆末端质点沿竖直方向的振动)，两个振动模态叠加在四个驱动足(水平变幅杆末端为驱动足)表面质点产生椭圆运动轨迹，当四个驱动足和两侧动子在一定预压力下接触时，通过驱动足和动子之间的摩擦耦合实现动子的宏观运动输出。如果调整两路激励信号的相位差为-90°，可以实现反向驱动。变幅杆采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高驱动足表面质点的振幅和振速，使得电机性能得到提高。四个驱动足同时参与驱动，可以成倍提高电机的机械输出能力，并且该振子充分利用了振动产生了能量，可有效提高输出效率。

本发明的贴片式工字型四足直线超声电机振子舍弃了发明名称为“矩形四足直线超声电机振子”的专利申请中所提出的封闭结构，采用一体化的工字型金属基体与压电陶瓷粘结的方式进行激励，由于舍弃了螺柱预紧方式，使得结构得到极大简化，便于实现振子的微型化，也极大程度的简化了加工和装配工艺；金属基体的一体化结构避免了螺柱预紧方式中振子内部存在内应力的问题，金属基体与压电陶瓷之间所采用的粘结方式则避免了压电陶瓷预压力施加不均匀的问题；竖直复合梁和水平复合梁结合位置位于水平复合梁纵振模态振型的节面处，使得水平复合梁在纵振时不会对竖直复合梁产生振动耦合，从而有效的降低了振子中存在的振动耦合问题，保证竖直复合梁的振动状态为单一的纵向振动，可有效提高四个水平变幅杆末端驱动区域质点振动轨迹的一致性。因此，本发明的贴片式矩形四足直线超声电机振子成功的克服了矩形四足直线超声电机振子构型复杂、存在耦生振动、难于实现微型化、对加工和装配精度要求苛刻等问题。

本发明的贴片式工字型四足直线超声电机振子具有结构简单、设计灵活、加工和装配简单、可系列化生产的优点。

附图说明

图1是本发明所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子的俯视图；图2是图1所示的振子的立体结构示意图；图3是图1所示的振子中的工字型金属基体的立体结构示意图；图4和图5是图1所示的振子的两个基本振动模态振型示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子，包括工字型金属基体1和压电陶瓷片2；工字型金属基体1包括两个水平梁1-1、一个竖直梁1-2、六个变幅杆1-3、两个薄壁梁1-4和两个安装座1-5，所述水平梁1-1和竖直梁1-2均是截面为矩形的四棱柱体，所述每个变幅杆1-3均是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，竖直梁1-2的两个端面各设置有一个变幅杆1-3，且所述竖直梁1-2和每个变幅杆1-3结合的端面均为该变幅杆1-3的大端面，每个水平梁1-1的两个端面各设置有一个变幅杆1-3，且该水平梁1-1与每个变幅杆1-3结合的端面均为该变幅杆1-3的大端面，所述竖直梁1-2通过设置在该竖直梁1-2两端的两个变幅杆1-3的小端面分别与两个水平梁1-1的一个侧壁的中间位置固定连接，所述两个水平梁1-1均与所述竖直梁1-2垂直且位于同一平面内；所述竖直梁1-2的左右两个侧壁中心位置对称设置有两个薄壁梁1-4，每个薄壁梁1-4的外侧均设置有一个安装座1-5；水平梁1-1和竖直梁1-2的侧壁上设置有压电陶瓷片2。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子的区别在于，每个水平梁1-1的外侧壁、上侧壁和下侧壁上均居中设置有一片压电陶瓷片2，每个水平梁1-1与变幅杆1-3相连接的侧壁上设置有两片压电陶瓷片2，并且所述两片压电陶瓷片2对称位于该水平梁1-1与变幅杆1-3的连接处的左右两侧，竖直梁1-2的上侧壁和下侧壁上均居中设置有一片压电陶瓷片2，竖直梁1-5的内侧壁、外侧壁上均设置有两片压电陶瓷片2，所述两片压电陶瓷片2对称设置在所在侧壁上的薄壁梁1-4的两侧。

本实施方式的贴片式工字型四足直线超声电机振子在应用的时候，工字型金属基体1与驱动电源的公共端连接，两个水平梁1-1上所固定的十片压电陶瓷片2的外侧电极面均与一相驱动信号连接，竖直金属梁1-2上所固定的六片压电陶瓷片2的外侧电极面均与另外一相驱动信号连接。

本实施方式的贴片式工字型四足直线超声电机振子在应用的时候，薄壁梁1-4设置在竖直复合梁纵振模态振型的波节位置，可起到弹性支承和振动隔离的作用；安装座1-5可用于振子的安装和固定，其与外部构件的固定对振子自身振动特性影响十分微弱。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子的区别在于，工字型金属基体1为一体件，可简化加工和装配工艺、保证加工精度。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子的区别在于，它还包括四片摩擦片3，两个水平梁1-1末端的变幅杆1-3的小端面上均开有一矩形凹槽，该凹槽贯穿所在小端面；摩擦片3通过所述凹槽固定在变幅杆1-2的末端。摩擦片3的设置可起到增大摩擦系数、提高耐磨性的作用。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式四所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子的区别在于，摩擦片3完全覆盖变幅杆1-3的小端面。

具体实施方式六、本实施方式与具体实施方式一所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子的区别在于，压电陶瓷片2通过粘结方式与水平梁1-1或竖直梁1-2的侧壁固定连接，所有压电陶瓷片2沿厚度方向极化。

Claims (5)

1.贴片式工字型四足直线超声电机振子，包括工字型金属基体(1)和压电陶瓷片(2)；其特征是：工字型金属基体(1)包括两个水平梁(1-1)、一个竖直梁(1-2)、六个变幅杆(1-3)、两个薄壁梁(1-4)和两个安装座(1-5)，所述水平梁(1-1)和竖直梁(1-2)均是截面为矩形的四棱柱体，所述每个变幅杆(1-3)均是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，竖直梁(1-2)的两个端面各设置有一个变幅杆(1-3)，且所述竖直梁(1-2)和每个变幅杆(1-3)结合的端面均为该变幅杆(1-3)的大端面，每个水平梁(1-1)的两个端面各设置有一个变幅杆(1-3)，且该水平梁(1-1)与每个变幅杆(1-3)结合的端面均为该变幅杆(1-3)的大端面，所述竖直梁(1-2)通过设置在该竖直梁(1-2)两端的两个变幅杆(1-3)的小端面分别与两个水平梁(1-1)的一个侧壁的中间位置固定连接，所述两个水平梁(1-1)均与所述竖直梁(1-2)垂直且位于同一平面内；所述竖直梁(1-2)的左右两个侧壁中心位置对称设置有两个薄壁梁(1-4)，每个薄壁梁(1-4)的外侧均设置有一个安装座(1-5)；水平梁(1-1)和竖直梁(1-2)的侧壁上设置有压电陶瓷片(2)；

工字型金属基体(1)为一体件。

2.根据权利要求1所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子，其特征在于每个水平梁(1-1)的外侧壁、上侧壁和下侧壁上均居中设置有一片压电陶瓷片(2)，每个水平梁(1-1)与变幅杆(1-3)相连接的侧壁上设置有两片压电陶瓷片(2)，并且所述两片压电陶瓷片(2)对称位于该水平梁(1-1)与变幅杆(1-3)的连接处的左右两侧，竖直梁(1-2)的上侧壁和下侧壁上均居中设置有一片压电陶瓷片(2)，竖直梁(1-2)的左右两个侧壁上均设置有两片压电陶瓷片(2)，所述两片压电陶瓷片(2)对称设置在所在侧壁上的薄壁梁(1-4)的两侧。

3.根据权利要求1所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子，其特征在于它还包括四片摩擦片(3)，两个水平梁(1-1)末端的变幅杆(1-3)的小端面上均开有一矩形凹槽，该凹槽贯穿所在小端面；摩擦片(3)通过所述凹槽固定在变幅杆(1-2)的末端。

4.根据权利要求3所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子，其特征在于摩擦片(3)完全覆盖变幅杆(1-3)的小端面。

5.根据权利要求1所述的贴片式工字型四足直线超声电机振子，其特征在于压电陶瓷片(2)通过粘结方式与水平梁(1-1)或竖直梁(1-2)的侧壁固定连接，所有压电陶瓷片(2)沿厚度方向极化。