專利名稱：帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子，屬于壓電超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電超聲電機(jī)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在彈性體中激勵出超聲頻段內(nèi)的振動，在彈性體表面特定點或特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點運(yùn)動，進(jìn)而通過定子、動子之間的摩擦耦合將質(zhì)點的微觀運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動，具有低速大轉(zhuǎn)矩、無需變速機(jī)構(gòu)、無電磁干擾、響應(yīng)速度快和斷電自鎖等優(yōu)點，作為一種新型驅(qū)動器有著十分廣泛的應(yīng)用。出于激勵原理的簡單性和理論分析方法的簡便性，目前壓電超聲電機(jī)大多采用金屬彈性體粘貼壓電陶瓷薄片的方式進(jìn)行激勵，由于受壓電陶瓷的d31模式機(jī)電耦合效率和陶瓷材料抗拉強(qiáng)度低，以及膠層的強(qiáng)度和疲勞壽命等的限制，這樣的激勵方式使得超聲電機(jī)的機(jī)械輸出能力受到嚴(yán)重制約。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有采用金屬彈性體粘貼壓電陶瓷薄片的方式進(jìn)行激勵的超聲電機(jī)的振子存在的振動能量利用不充分、機(jī)械輸出能力受制約的問題，本發(fā)明提供了一種帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子。本發(fā)明的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子為左右對稱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述超聲電機(jī)振子包括兩個變幅桿、兩對彎振壓電陶瓷片、兩對縱振壓電陶瓷片、中性板、兩個安裝座、兩個薄壁梁、兩個絕緣套、八個電極片和兩個摩擦片；所述變幅桿是截面逐漸變細(xì)的塊體，變幅桿的小端面為驅(qū)動足，每個驅(qū)動足上固定有一個摩擦片； 變幅桿的大端面的中心有一個帶內(nèi)螺紋的盲孔；所述中性板中心的兩端均固定有螺柱，每個螺柱上套有一對彎振壓電陶瓷片和一對縱振壓電陶瓷片，且螺柱與套在其上的彎振壓電陶瓷片和縱振壓電陶瓷片之間設(shè)置有絕緣套，兩個變幅桿通過其大端面的螺紋孔分別旋合于兩個螺柱的端部從而把彎振壓電陶瓷片和縱振壓電陶瓷片壓緊固定在變幅桿與中性板之間；所述縱振壓電陶瓷片設(shè)置于靠近中性板一側(cè)，所述彎振壓電陶瓷片設(shè)置于靠近變幅桿一側(cè)，在中性板和縱振壓電陶瓷片之間、兩個縱振壓電陶瓷片之間、兩個彎振壓電陶瓷片之間、彎振壓電陶瓷片與縱振壓電陶瓷片之間分別固定有電極片；所述兩個薄壁梁對稱設(shè)置在中性板兩側(cè)，且位于所述中性板的中間，所述薄壁梁用于連接安裝座和中性板。本發(fā)明所述的彎振壓電陶瓷片和縱振壓電陶瓷片的橫截面為矩形或圓形。本發(fā)明所述的中性板、螺柱、薄壁梁和安裝座為一體件。本發(fā)明所述的所有壓電陶瓷片均沿厚度方向極化，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片的極化方向相反，每片彎振壓電陶瓷片由兩塊形狀相同的半片壓電陶瓷片組成，所述兩塊半片壓電陶瓷片的極化方向相反；相鄰兩片彎振壓電陶瓷片中位置對應(yīng)的兩塊半片壓電陶瓷片的極化方向相反。本發(fā)明所述的變幅桿的小端面有一矩形通槽，摩擦片通過改矩形通槽固定在變幅桿的小端面上。本發(fā)明的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子中的壓電陶瓷元件采用夾心結(jié)構(gòu)，采用壓電陶瓷高機(jī)電耦合效率的^3模式工作，解決了粘貼壓電陶瓷片式壓電超聲電機(jī)機(jī)電耦合效率低、機(jī)械輸出能力差的問題。本發(fā)明采用兩對縱振壓電陶瓷片實現(xiàn)振子縱振模態(tài)的激勵，采用兩對彎振壓電陶瓷片實現(xiàn)振子彎振模態(tài)的激勵，通過構(gòu)型參數(shù)調(diào)整，可以實現(xiàn)振子縱振和彎振模態(tài)特征頻率之間的簡并；變幅桿采用變截面設(shè)計起到振動能量的聚斂作用，可提高縱振和彎振模態(tài)下變幅桿末端質(zhì)點的振速和振幅，使得電機(jī)性能得到提高；薄壁梁可以實現(xiàn)彈性支撐和振動隔離，將安裝座與其它構(gòu)件的聯(lián)接對振子的縱振和彎振模態(tài)的影響程度降到最低。本發(fā)明的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子中的縱振和彎振壓電陶瓷片分別采用幅值相等、頻率為振子自身諧振頻率、相位差為+90°的交流電壓信號激勵，利用縱振壓電陶瓷片的伸縮振動在振子中激勵縱振模態(tài)，利用彎振壓電陶瓷片的伸縮振動在振子中激勵出彎振模態(tài)，縱振和彎振模態(tài)疊加在兩個驅(qū)動足表面質(zhì)點產(chǎn)生旋向相同的橢圓軌跡振動，進(jìn)而通過驅(qū)動足和圓筒型動子內(nèi)表面的摩擦耦合實現(xiàn)動子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動輸出，充分利用縱振和彎振能量實現(xiàn)了兩個驅(qū)動足同時致動，可以成倍的提高電機(jī)的機(jī)械輸出能力。如果調(diào)整兩路激勵信號的相位差為-90°，可以實現(xiàn)反向驅(qū)動。本發(fā)明的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子具有縱彎振動能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)電耦合效率高、可實現(xiàn)大力矩輸出、性能穩(wěn)定、易于控制、可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子的剖視圖，圖2是圖1所示振子的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是圖1中兩對彎振壓電陶瓷片2和兩對縱振壓電陶瓷片3的極化方向示意圖，圖4是圖1所示振子的縱振模態(tài)振型示意圖，圖 5是圖1所示振子的彎振模態(tài)振型示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子為左右對稱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述超聲電機(jī)振子包括兩個變幅桿1、兩對彎振壓電陶瓷片2、兩對縱振壓電陶瓷片3、中性板4、兩個安裝座5、兩個薄壁梁6、兩個絕緣套7、八個電極片8和兩個摩擦片9 ；所述變幅桿1是截面逐漸變細(xì)的塊體，變幅桿1的小端面為驅(qū)動足，每個驅(qū)動足上固定有一個摩擦片9 ；變幅桿1的大端面的中心有一個帶內(nèi)螺紋的盲孔；所述中性板4中心的兩端均固定有螺柱4-1，每個螺柱4-1上套有一對彎振壓電陶瓷片2和一對縱振壓電陶瓷片3，且螺柱4-1與套在其上的彎振壓電陶瓷片2和縱振壓電陶瓷片3之間設(shè)置有絕緣套7，兩個變幅桿1通過其大端面的螺紋孔分別旋合于兩個螺柱4-1的端部從而把彎振壓電陶瓷片2和縱振壓電陶瓷片3壓緊固定在變幅桿1與中性板4之間；所述縱振壓電陶瓷片3設(shè)置于靠近中性板4 一側(cè)，所述彎振壓電陶瓷片2設(shè)置于靠近變幅桿1 一側(cè)，在中性板4和縱振壓電陶瓷片3之間、兩個縱振壓電陶瓷片3之間、兩個彎振壓電陶瓷片2之間、彎振壓電陶瓷片2與縱振壓電陶瓷片3之間分別固定有電極片8 ；所述兩個薄壁梁6對稱設(shè)置在中性板4兩側(cè)，且位于所述中性板4的中間，所述薄壁梁6用于連接安裝座5和中性板4。本實施方式的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子在應(yīng)用的時候，位于中性板4和縱振壓電陶瓷片3之間的兩個電極片8、縱振壓電陶瓷片3和彎振壓電陶瓷片2之間的兩個電極片8均與驅(qū)動電源的公共端連接，位于彎振壓電陶瓷片2之間的兩個電極片8與驅(qū)動電源的一相驅(qū)動信號連接，位于縱振壓電陶瓷片3之間的兩個電極片8與驅(qū)動電源的另外一相驅(qū)動信號連接。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子的區(qū)別在于，所述彎振壓電陶瓷片2和縱振壓電陶瓷片3 的橫截面為矩形或圓形。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子的區(qū)別在于，所述中性板4、螺柱4-1、薄壁梁6和安裝座5 為一體件。由于本發(fā)明所述的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子為左右對稱結(jié)構(gòu)，即以中性板4的對稱面左右對稱，所述薄壁梁6位于對稱面上，所述薄壁梁6可以實現(xiàn)彈性支撐和振動隔離的效果， 能夠?qū)⒄褡优c其它構(gòu)件的聯(lián)接對振子的彎曲振動模態(tài)的影響程度降到最低。
具體實施方式
四參見圖3說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式
一所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子的區(qū)別在于，所述的所有壓電陶瓷片均沿厚度方向極化，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片3的極化方向相反，每片彎振壓電陶瓷片2由兩塊形狀相同的半片壓電陶瓷片2-1組成，所述兩塊半片壓電陶瓷片2-1的極化方向相反；相鄰兩片彎振壓電陶瓷片中位置對應(yīng)的兩塊半片壓電陶瓷片2-1的極化方向相反。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子的區(qū)別在于，所述變幅桿1的小端面有一矩形通槽，摩擦片9通過改矩形通槽固定在變幅桿1的小端面上。本實施方式在變幅桿1的小端面加工有一矩形通槽，使得摩擦片9通過機(jī)械連接方式固定于變幅桿1末端的矩形通槽內(nèi)，避免在大力矩輸出情況下摩擦片從驅(qū)動足上脫落情況的發(fā)生。參見圖4和圖5所示，是本發(fā)明所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子的兩種振動模態(tài)的振型示意圖，其中，圖4是縱振模態(tài)振型示意圖，圖5是彎振模態(tài)振型示意圖。
權(quán)利要求
1.帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子，所述旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子為左右對稱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述超聲電機(jī)振子包括兩個變幅桿(1)、兩對彎振壓電陶瓷片 O)、兩對縱振壓電陶瓷片(3)、中性板G)、兩個安裝座(5)、兩個薄壁梁(6)、兩個絕緣套 (7)、八個電極片(8)和兩個摩擦片(9)；所述變幅桿(1)是截面逐漸變細(xì)的塊體，變幅桿 (1)的小端面為驅(qū)動足，每個驅(qū)動足上固定有一個摩擦片(9)；變幅桿(1)的大端面的中心有一個帶內(nèi)螺紋的盲孔；所述中性板中心的兩端均固定有螺柱G-1)，每個螺柱(4-1) 上套有一對彎振壓電陶瓷片( 和一對縱振壓電陶瓷片(3)，且螺柱(4-1)與套在其上的彎振壓電陶瓷片( 和縱振壓電陶瓷片C3)之間設(shè)置有絕緣套(7)，兩個變幅桿(1)通過其大端面的螺紋孔分別旋合于兩個螺柱G-i)的端部從而把彎振壓電陶瓷片( 和縱振壓電陶瓷片( 壓緊固定在變幅桿(1)與中性板(4)之間；所述縱振壓電陶瓷片( 設(shè)置于靠近中性板⑷一側(cè)，所述彎振壓電陶瓷片⑵設(shè)置于靠近變幅桿⑴一側(cè)，在中性板⑷和縱振壓電陶瓷片C3)之間、兩個縱振壓電陶瓷片( 之間、兩個彎振壓電陶瓷片( 之間、彎振壓電陶瓷片(2)與縱振壓電陶瓷片(3)之間分別固定有電極片(8)；所述兩個薄壁梁(6) 對稱設(shè)置在中性板(4)兩側(cè)，且位于所述中性板(4)的中間，所述薄壁梁(6)用于連接安裝座(5)和中性板⑷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子， 其特征在于所述彎振壓電陶瓷片( 和縱振壓電陶瓷片( 的橫截面為矩形或圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子， 其特征在于所述中性板、螺柱G-1)、薄壁梁(6)和安裝座(5)為一體件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子， 其特征在于所述的所有壓電陶瓷片均沿厚度方向極化，相鄰兩片縱振壓電陶瓷片(3)的極化方向相反，每片彎振壓電陶瓷片O)由兩塊形狀相同的半片壓電陶瓷片(2-1)組成，所述兩塊半片壓電陶瓷片的極化方向相反；相鄰兩片彎振壓電陶瓷片中位置對應(yīng)的兩塊半片壓電陶瓷片的極化方向相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子， 其特征在于所述變幅桿(1)的小端面有一矩形通槽，摩擦片(9)通過該矩形通槽固定在變幅桿(1)的小端面上。
全文摘要
帶彈性支撐的縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式雙足旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)振子，涉及壓電超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有超聲電機(jī)振子存在的振動能量利用不充分、機(jī)械輸出能力受制約的問題。本發(fā)明的超聲電機(jī)振子包括兩個變幅桿、兩對彎振壓電陶瓷片、兩對縱振壓電陶瓷片、中性板、兩個安裝座、兩個薄壁梁、兩個絕緣套、八個電極片和兩個摩擦片，變幅桿是截面為矩形并逐漸變細(xì)的塊體，變幅桿小端面為驅(qū)動足，摩擦片固定于變幅桿小端面的通槽內(nèi)，中性板兩端帶有螺柱，變幅桿通過其大端面的螺紋孔分別旋合于螺柱的端部從而把彎振壓電陶瓷片和縱振壓電陶瓷片壓緊在變幅桿與中性板之間。本發(fā)明所述振子適用于現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)。
文檔編號H02N2/12GK102361414SQ20111031872
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者劉軍考, 劉英想, 石勝君, 陳維山 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)