[发明专利]带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子

说明书

技术领域

本发明涉及到一种带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子，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、动 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，作为一种新型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

为了解决现有采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励的超声电机的振子 存在的振动能量利用不充分、机械输出能力受制约的问题，本发明提供了一种带弹性支撑 的纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子。

本发明的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子为左右对称结构， 其特征在于所述超声电机振子包括两个变幅杆、两对弯振压电陶瓷片、两对纵振压电陶瓷 片、中性板、两个安装座、两个薄壁梁、两个绝缘套、八个电极片和两个摩擦片；所述变 幅杆是截面逐渐变细的块体，变幅杆的小端面为驱动足，每个驱动足上固定有一个摩擦片； 变幅杆的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔；所述中性板中心的两端均固定有螺柱，每 个螺柱上套有一对弯振压电陶瓷片和一对纵振压电陶瓷片，且螺柱与套在其上的弯振压电 陶瓷片和纵振压电陶瓷片之间设置有绝缘套，两个变幅杆通过其大端面的螺纹孔分别旋合 于两个螺柱的端部从而把弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片压紧固定在变幅杆与中性板 之间；所述纵振压电陶瓷片设置于靠近中性板一侧，所述弯振压电陶瓷片设置于靠近变幅 杆一侧，在中性板和纵振压电陶瓷片之间、两个纵振压电陶瓷片之间、两个弯振压电陶瓷 片之间、弯振压电陶瓷片与纵振压电陶瓷片之间分别固定有电极片；所述两个薄壁梁对称 设置在中性板两侧，且位于所述中性板的中间，所述薄壁梁用于连接安装座和中性板。

本发明所述的弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片的横截面为矩形或圆形。

本发明所述的中性板、螺柱、薄壁梁和安装座为一体件。

本发明所述的所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化，相邻两片纵振压电陶瓷片的极化方 向相反，每片弯振压电陶瓷片由两块形状相同的半片压电陶瓷片组成，所述两块半片压电 陶瓷片的极化方向相反；相邻两片弯振压电陶瓷片中位置对应的两块半片压电陶瓷片的极 化方向相反。

本发明所述的变幅杆的小端面有一矩形通槽，摩擦片通过改矩形通槽固定在变幅杆的 小端面上。

本发明的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子中的压电陶瓷元 件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d₃₃模式工作，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。本发明采用两对纵振压电陶瓷 片实现振子纵振模态的激励，采用两对弯振压电陶瓷片实现振子弯振模态的激励，通过构 型参数调整，可以实现振子纵振和弯振模态特征频率之间的简并；变幅杆采用变截面设计 起到振动能量的聚敛作用，可提高纵振和弯振模态下变幅杆末端质点的振速和振幅，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，将安装座与其它构件的联接对 振子的纵振和弯振模态的影响程度降到最低。

本发明的带弹性支撑的纵弯复合模态夹心式双足旋转超声电机振子中的纵振和弯振 压电陶瓷片分别采用幅值相等、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，利用纵振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励纵振模态，利用弯振压电陶瓷片的 伸缩振动在振子中激励出弯振模态，纵振和弯振模态叠加在两个驱动足表面质点产生旋向 相同的椭圆轨迹振动，进而通过驱动足和圆筒型动子内表面的摩擦耦合实现动子的旋转运 动输出，充分利用纵振和弯振能量实现了两个驱动足同时致动，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°，可以实现反向驱动。