[发明专利]弯振模态梁式旋转超声电机振子

说明书

技术领域

本发明涉及到一种弯振模态梁式旋转超声电机振子，属于压电超声电机领域。

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。

出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前压电超声电机大多采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，由于受压电陶瓷的d₃₁模式(压电陶瓷沿长度方向伸缩)机电耦合效率和陶瓷材料抗拉强度低，以及胶层的强度和疲劳寿命等的限制，这样的激励方式使得超声电机的机械输出能力受到严重制约。

发明内容

本发明的目的是提供一种弯振模态梁式旋转超声电机振子，以解决现有技术因陶瓷材料抗拉强度低和机电耦合效率低造成的超声电机的机械输出能力受到制约的问题。

它由四个弯振复合换能器10、八个薄壁梁3和四个安装座4组成，每个弯振复合换能器10由驱动足1-1、前端盖1、绝缘套6、四片压电陶瓷片2、螺柱5、四个电极片8和后端盖7组成；前端盖1是截面为方形并从首端到末端逐渐变细的四棱柱体，所述驱动足1-1位于前端盖1末端，螺柱5的一端旋合在前端盖1的首端端面的中心处；螺柱5的另一端旋合在后端盖7一端端面的中心处，四片压电陶瓷片2套在前端盖1与后端盖7之间的螺柱5上；后端盖7与压电陶瓷片2之间和每两个压电陶瓷片2之间分别固定有一个电极片8；在压电陶瓷片2和电极片8与螺柱5之间设置有绝缘套6；四个弯振复合换能器10呈“十字”对称排列在一个平面内且驱动足1-1位于外侧，四个安装座4分别设 置于每相邻的两个弯振复合换能器10之间且安装座4以四个弯振复合换能器10的对称中心相对称排布；每个安装座4通过两个薄壁梁3分别固定在与其相邻的两个后端盖7之间，“片”状的薄壁梁3的板面垂直于其所固定的弯振复合换能器10的轴心线；每个弯振复合换能器10中的四片压电陶瓷片2沿厚度方向极化，每片压电陶瓷片由切分后重新组合的、形状对称的两个半片压电陶瓷片2-1组成，两个半片压电陶瓷片2-1之间极化方向相反，与前端盖1相邻的的一对压电陶瓷片2之间的极化方向相反，与后端盖7相邻的一对压电陶瓷片2之间的极化方向相反，且该两对压电陶瓷片2的切分线之间相互垂直。

本发明的弯振模态梁式旋转超声电机振子中的压电陶瓷片采用幅值相等、频率为换能器自身谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励，利用压电陶瓷片的厚度方向的振动在每个弯振复合换能器中激励出两个正交的弯曲振动模态(单个弯振换能器的两个弯曲振动模态如图5和6所示)，两个弯曲振动模态叠加在驱动足表面质点产生椭圆运动轨迹，进而通过驱动足和转子之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出，四个驱动足同时参与驱动，可以成倍的提高电机的机械输出能力。如果调整两路激励信号的相位差为-90°，可以实现转子反向运动。本发明的弯振模态梁式旋转超声电机振子中的压电陶瓷元件采用了夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d₃₃模式(压电陶瓷沿厚度方向伸缩)工作，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四片压电陶瓷片实现换能器的两个正交的弯曲振动模态的激励，由于采用同型模态，不存在模态间的频率简并问题；前端盖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；薄壁梁可以实现弹性支撑和振动隔离，使安装座与其它构件的联接对振子的弯曲振动模态的影响程度降到最低。

本发明的弯振模态梁式旋转超声电机振子具有结构简单、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是本发明的弯振模态梁式旋转超声电机振子的剖视图，图2是图1所示的弯振模态梁式旋转超声电机振子的立体结构示意图，图3是图1中两对压电陶瓷片2的极化方向示意图，图4是施加在振子上的驱动信号示意图，图5是单个换能器的一个基本弯曲振动模态振型示意图，图6是单个换能器的另一 个基本弯曲振动模态振型示意图。

具体实施方式