CN102931869A - 一种贴片式超声波电机振子及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种贴片式超声波电机振子及其驱动方法，涉及具有将多个压电组件对称配置在振动体双面形成超声波电机振子。本发明解决了现有压电振子微型化时小尺寸的陶瓷组件切割精度和装配精度不易保证，整体结构不紧凑的问题。该电机振子包括振动体和四对压电陶瓷单元，所述振动体由两对弯梁和两对V型梁组成，同一对V型梁中的两个V型梁相对设置，同一对弯梁中的两个弯梁位置相对，两对V型梁的尖点构成4个驱动足，四对压电陶瓷单元对称粘接在两对弯梁上，压电陶瓷片均沿厚度方向极化；对电机振子施加具有π/2的相位差的两相激励电流。本发明特别适合于空间小、力矩大的场合所应用的超声波电机上。

Description

一种贴片式超声波电机振子及其驱动方法

技术领域

本发明涉及贴片式超声波电机振子，更详细而言，涉及具有将多个压电组件对称配置在振动体双面形成超声波电机振子。

背景技术

超声电机是利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声波电机定子的振动能，在通过摩擦转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由电机振子、转子及预压力机构等功能部件组成。

圆环状的压电振子上粘贴圆环状的弹性体，从而形成定子以及与该圆环状弹性体接触的转子的超声波电机。圆环状的压电振子在由压电陶瓷形成的圆环状的压电体的两面形成多个电极。多个电极包括第一及第二相的电极组。通过对第一相的电极组和第二相的电极组施加在时间上相位不同的高频电压，来产生两个驻波。通过合成这两个驻波，在环状的弹性体和压电振子的表面产生行波。

V型电机采用两根梁的复合振动形成超声波电机。图6为V型电机振子结构示意图一种V型超声波电机结构原理图，其中两直梁合成一个V型梁5，在每根直梁的表面粘贴压电陶瓷单元6、7、8、9，两个直梁表面粘贴的压电陶瓷单元分别施加时间相位相差π/2的电压激励信号Vsinωt和Vcosωt，可以激励出沿直梁的各自长度方向产生纵向位移，两个方向的位移合成在V型梁尖点产生椭圆运动，通过摩擦力驱动与V型梁驱动足尖点相接触的运动部件，从而产生直线或旋转运动。改变贴片方式，也可以利用两根直梁的弯曲位移合成椭圆运动。空心十字型电机以V型电机为基础。十字型电机将4个V型电机连接成中空的十字形状封闭结构，图7为十字电机振子结构示意图，在连接梁上或原V型电机直梁上粘贴压电陶瓷单元，在4个V型梁尖点构成4个驱动足，中间放置转子，由4个驱动足与转子产生摩擦力带动转子旋转。空心十字型超声波电机将压电振子粘贴在弹性体的激振梁上，利用V型驱动梁的尖点作为驱动足，形成相同旋转方向的椭圆运动驱动转子转动。多个电极包括第一相及第二相的电极组。通过对第一相的电极组和第二相的电极组施加在时间上相位不同的高频电压，来产生两个驻波，通过合成这两个驻波，在弹性体和压电振子的表面质点上产生椭圆运动及行波。

微型化是电机发展的一个重要方向。圆环状的压电振子在微型化时有一些困难，主要表现为小尺寸的陶瓷组件切割精度和装配精度不易保证。十字型压电振子的固定以及压电陶瓷单元数量相对较少，但整体结构不如圆环型压电振子结构紧凑，其整体尺寸精度及驱动足直梁尺寸对振动效率影响较大。

发明内容

本发明为了解决现有压电振子微型化时小尺寸的陶瓷组件切割精度和装配精度不易保证，整体结构不紧凑的问题，提出了一种贴片式超声波电机振子及其驱动方法。

一种贴片式超声波电机振子，它包括振动体和四对压电陶瓷单元，

所述振动体为中心对称结构，该振动体由两对弯梁和两对V型梁组成，属于同一对V型梁中的两个V型梁相对设置，属于同一对弯梁中的两个弯梁位置相对，所述两对弯梁和两对V型梁构成空心十字型振动体，两对V型梁的尖点构成4个驱动足，

每对压电陶瓷单元由两片压电陶瓷片组成，每片压电陶瓷片均为半环状薄板，所述半环状薄板的曲率半径与弯梁的曲率半径相同，每对压电陶瓷单元中的两片压电陶瓷片对称粘接在一个弯梁的上下表面，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。

驱动所述一种贴片式超声波电机振子的驱动方法为：对电机振子施加具有π/2的相位差的两相激励电流，其中的一相激励电流施加位于同一对弯梁上的两对压电陶瓷单元上，另一相激励电流施加在另外一对弯梁上的两对压电陶瓷单元上。

本发明提出的一种贴片式超声波电机振子为双面贴片式超声波电机振子，此种结构的振动体由两对弯梁和两对V型梁组成，通过协调两对弯梁和两对V型梁的相对大小比例可以实现在相同振动体积下，达到整体结构紧凑，可以粘接相对较大尺寸的压电陶瓷片的效果，这样便可以提高陶瓷片切割精度和装配精度。

本发明采用上述结构，通过压电陶瓷单元及振动体构造贴片式超声波电机振子。利用压电陶瓷的d₃₁模式，通过两组相对的半环形陶瓷沿径向的收缩和扩张激励振动体上两根对称弯梁的一阶弯曲振动，另外两组陶瓷同时做被动弯曲振动，循环往复，定子就能够驱动预期相接处的运动部件产生某一方向的周期运动。采用另外两组相对的半环形陶瓷激励与前述运动方向垂直的振动，两方向运动在时间上相差1/4周期。

本发明提供了一种压电陶瓷片电极面的有效面积大，振动效率高的贴片式超声波电机振子，并且容易制造，能保持结构的简化，而且驱动转子的限制较少。运用本发明所述的贴片式超声波电机振子的超声波电机轴向尺寸小，输出力矩大，对转子结构限制小，特别适合于空间小、力矩大的应用场合，并将在国防科技、微机械、医疗等方面有广阔的应用前景。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的贴片式超声波电机振子的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图2的D-D剖视图；

图4是图中四对压电陶瓷单元的表面极性示意图；

图5是图1中的振动体的振动模态示意图；

图6是现有一种V型电机振子结构示意图；

图7是现有一种十字电机振子结构示意图，⊙代表极化方向向上，

代表极化方向向下。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种贴片式超声波电机振子，它包括振动体1和四对压电陶瓷单元2，

所述振动体1为中心对称结构，该振动体1由两对弯梁1-1和两对V型梁1-2组成，属于同一对V型梁1-2中的两个V型梁相对设置，属于同一对弯梁1-1中的两个弯梁位置相对，所述两对弯梁1-1和两对V型梁1-2构成空心十字型振动体，两对V型梁1-2的尖点构成4个驱动足，

每对压电陶瓷单元2由两片压电陶瓷片组成，每片压电陶瓷片均为半环状薄板，所述半环状薄板的曲率半径与弯梁1-1的曲率半径相同，每对压电陶瓷单元2中的两片压电陶瓷片对称粘接在一个弯梁1-1的上下表面，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。

所述四对压电陶瓷单元2由锆钛酸铅类压电陶瓷形成，但不限于锆钛酸铅类压电陶瓷，也可以是聚偏氟乙烯、氮化铝的其它压电材料形成的压电体，且表面有Al、Cu、Ag、Ag-Pd合金等适当的金属材料涂层。

所述的四对压电陶瓷单元2配置对称于所述振动体1的双面的中心，呈点对称。

振动体1的弯梁1-1弧度不一定要保证180°，小于180°的扇形结构亦可，且V型梁1-2也可用带有一定弧度的弯梁和变截面梁替代；外部圆环片结构用于端面夹紧固定，但是夹紧固定部分不一定必须保持圆环结构，能实现夹紧固定功能的任意形状均可。振动体在本实施方式中由紫铜形成。但是振动体并非必须由紫铜形成，其它可实现弹性振动的金属材料亦可。上述振动体通过电火花线切割加工或冲孔加工等加工方式，能容易的形成正确形状。

振动体为中心对称结构，各V型梁宽度、夹角和长度相应一致，可作微小幅度调整。

四对压电陶瓷单元2具有半环形平面形状。因此能够廉价且高效地进行制造。但是，该四对压电陶瓷单元2也可以采用如扇形等平面形状，或多块扇形、矩形陶瓷拼接等构成形式。

本实施方式中，振动体的内部中空十字型结构是对于中心呈点对称的形状。图5为振动体结构细分示意图，振动体存在一个振动模态为相对的两根弯梁交替反向弯曲收缩和弯曲扩张，同样，振动体的另外一对弯梁也存在一个振动模态为两根梁交替反向弯曲收缩和弯曲扩张，两个振动模态正交，频率相近，取两频率之间的某一频率为激振频率，在各个陶瓷组电极面上施加电场，激发陶瓷振动带动振动体振动，图5中，相邻的两根弯梁振动可带动V型梁弯曲振动，带动该V型梁驱动足形成周期性椭圆形位移运动。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种贴片式超声波电机振子的不同点在于，位于同一对压电陶瓷单元2中的两片压电陶瓷片的极化方向相反，位于同一对弯梁1-1同侧的两片压电陶瓷片的极化方向相反，每片压电陶瓷片与其沿圆周方向相邻的两片压电陶瓷片中的任意一片压电陶瓷片的极化方向相同、并且与另一片压电陶瓷片的极化方向相反。

在四对压电陶瓷单元中，第一对压电陶瓷单元和第三对压电陶瓷单元是用于构成A相驱动部的压电单元，第二对压电陶瓷单元和第四对压电陶瓷单元是用于构成B相驱动部的压电单元。

关于A相驱动部，对压电组件标注A+或A-表示，关于B相驱动部，标注B+或B-。所谓A+和A-是指压电体在厚度方向上沿相反方向进行极化。对于B相驱动部，也采用相同的结构，参见图2。

相邻的两组压电陶瓷单元沿圆周方向间隔开π/2的中心角。

四对压电陶瓷单元2，第一对压电陶瓷单元的压电体与在其圆周方向的一侧相邻的第二对压电陶瓷单元的压电体在厚度方向上沿同一方向进行极化，在其圆周方向的另一侧相邻的第四对压电陶瓷单元的压电体在厚度方向上沿相反方向进行极化。

所述“圆周方向”，是指在振子中，以本结构所对称的十字中心线的中心为原点做圆，在圆周上的切线方向即为“圆周方向”。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种贴片式超声波电机振子的不同点在于，每片压电陶瓷片均由压电体和一对电极片组成，组成一对电极片的两个电极片分别位于压电体的上表面和下表面。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的一种贴片式超声波电机振子的不同点在于，它还包括外部圆环3，振动体1的中心点与外部圆环3的中心点重合，且振动体1位于外部圆环3的内部，所述外部圆环3与振动体1由四根短梁4连接，外部圆环3的内壁与振动体1的每根弯梁1-1的外壁之间均设置有一根短梁4。

具体实施方式五：驱动具体实施方式一所述的一种贴片式超声波电机振子的驱动方法为：对电机振子施加具有π/2的相位差的两相激励电流，其中的一相激励电流施加位于同一对弯梁上的两对压电陶瓷单元上，另一相激励电流施加在另外一对弯梁上的两对压电陶瓷单元上。

本实施方式中，图4所示第一对压电陶瓷单元的两片压电陶瓷片在图1中对应的电极表面为2-1、2-2；图4所示第二对压电陶瓷单元的两片压电陶瓷片在图1中对应的电极表面为2-3、2-4；图4所示第三对压电陶瓷单元的两片压电陶瓷片在图1中对应的电极表面为2-5、2-6；图4所示第四对压电陶瓷元件的两片压电陶瓷片在图1中对应的电极表面为2-7、2-8；图1所示的振动体1，在图1中对应的电极表面为1-3。

在第一对压电陶瓷单元和第三对压电陶瓷单元的电极表面2-1、2-2、2-5、2-6施加Asin(ωt)激励信号，同时在第二对压电陶瓷单元和第四对压电陶瓷单元的电极表面2-3、2-4、2-7、2-8施加Acos(ωt)激励信号，将振动体表面接地，即为电极面1-3保持零电压，由上述加电方式保证相邻的压电陶瓷片的激励电场相位相差π/2。若施加的激励信号的频率在振动体的两项正交一阶弯曲共振模态频率范围之间，则图5的振动体上驱动足点a，b，c，d上激励出相同旋转方向椭圆运动。因四对压电陶单元的极化方向的不同以及施加两项电场相位相差π/2，最终在4个驱动足点a，b，c，d上激励出椭圆运动时间相位也相差π/2，可以稳定的驱动转子转动。

Claims (5)

1.一种贴片式超声波电机振子，它包括振动体(1)和四对压电陶瓷单元(2)，其特征在于，

所述振动体(1)为中心对称结构，该振动体(1)由两对弯梁(1-1)和两对V型梁(1-2)组成，属于同一对V型梁(1-2)中的两个V型梁相对设置，属于同一对弯梁(1-1)中的两个弯梁位置相对，所述两对弯梁(1-1)和两对V型梁(1-2)构成空心十字型振动体，两对V型梁(1-2)的尖点构成4个驱动足，

每对压电陶瓷单元(2)由两片压电陶瓷片组成，每片压电陶瓷片均为半环状薄板，所述半环状薄板的曲率半径与弯梁(1-1)的曲率半径相同，每对压电陶瓷单元(2)中的两片压电陶瓷片对称粘接在一个弯梁(1-1)的上下表面，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。

2.根据权利要求1所述的一种贴片式超声波电机振子，其特征在于，位于同一对压电陶瓷单元(2)中的两片压电陶瓷片的极化方向相反，位于同一对弯梁(1-1)同侧的两片压电陶瓷片的极化方向相反，每片压电陶瓷片与其沿圆周方向相邻的两片压电陶瓷片中的任意一片压电陶瓷片的极化方向相同，并且与另一片压电陶瓷片的极化方向相反。

3.根据权利要求1所述的一种贴片式超声波电机振子，其特征在于，每片压电陶瓷片均由压电体和一对电极片组成，组成一对电极片的两个电极片分别位于压电体的上表面和下表面。

4.根据权利要求1所述的一种贴片式超声波电机振子，其特征在于，它还包括外部圆环(3)，振动体(1)的中心点与外部圆环(3)的中心点重合，且振动体(1)位于外部圆环(3)的内部，所述外部圆环(3)与振动体(1)由四根短梁(4)连接，外部圆环(3)的内壁与振动体(1)的每根弯梁(1-1)的外壁之间均设置有一根短梁(4)。

5.驱动权利要求1所述的一种贴片式超声波电机振子的驱动方法为：对电机振子施加具有π/2的相位差的两相激励电流，其中的一相激励电流施加位于同一对弯梁上的两对压电陶瓷单元上，另一相激励电流施加在另外一对弯梁上的两对压电陶瓷单元上。

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