[發明專利]彎振模態梁式旋轉超聲電機振子

無效

• 申請號: 200910072701.5
• 申請日: 2009-08-19
• 公開（公告）號: CN101626207A
• 公開（公告）日: 2010-01-13
• 發明（設計）人: 陳維山;劉英想;石勝君;劉軍考
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H02N2/12
• 分類號: H02N2/12
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及到一種彎振模態梁式旋轉超聲電機振子，屬于壓電超聲電機領域。

背景技術

壓電超聲電機是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應，在彈性體中激勵出超聲頻段內的振動，在彈性體表面特定點或特定區域形成具有特定軌跡的質點運動，進而通過定子、轉子之間的摩擦耦合將質點的微觀運動轉換成轉子的宏觀運動，具有低速大轉矩、無需變速機構、無電磁干擾、響應速度快和斷電自鎖等優點，作為一種壓電驅動器有著十分廣泛的應用。

出于激勵原理的簡單性和理論分析方法的簡便性，目前壓電超聲電機大多采用金屬彈性體粘貼壓電陶瓷薄片的方式進行激勵，由于受壓電陶瓷的d₃₁模式(壓電陶瓷沿長度方向伸縮)機電耦合效率和陶瓷材料抗拉強度低，以及膠層的強度和疲勞壽命等的限制，這樣的激勵方式使得超聲電機的機械輸出能力受到嚴重制約。

發明內容

本發明的目的是提供一種彎振模態梁式旋轉超聲電機振子，以解決現有技術因陶瓷材料抗拉強度低和機電耦合效率低造成的超聲電機的機械輸出能力受到制約的問題。

它由四個彎振復合換能器10、八個薄壁梁3和四個安裝座4組成，每個彎振復合換能器10由驅動足1-1、前端蓋1、絕緣套6、四片壓電陶瓷片2、螺柱5、四個電極片8和后端蓋7組成；前端蓋1是截面為方形并從首端到末端逐漸變細的四棱柱體，所述驅動足1-1位于前端蓋1末端，螺柱5的一端旋合在前端蓋1的首端端面的中心處；螺柱5的另一端旋合在后端蓋7一端端面的中心處，四片壓電陶瓷片2套在前端蓋1與后端蓋7之間的螺柱5上；后端蓋7與壓電陶瓷片2之間和每兩個壓電陶瓷片2之間分別固定有一個電極片8；在壓電陶瓷片2和電極片8與螺柱5之間設置有絕緣套6；四個彎振復合換能器10呈“十字”對稱排列在一個平面內且驅動足1-1位于外側，四個安裝座4分別設?置于每相鄰的兩個彎振復合換能器10之間且安裝座4以四個彎振復合換能器10的對稱中心相對稱排布；每個安裝座4通過兩個薄壁梁3分別固定在與其相鄰的兩個后端蓋7之間，“片”狀的薄壁梁3的板面垂直于其所固定的彎振復合換能器10的軸心線；每個彎振復合換能器10中的四片壓電陶瓷片2沿厚度方向極化，每片壓電陶瓷片由切分后重新組合的、形狀對稱的兩個半片壓電陶瓷片2-1組成，兩個半片壓電陶瓷片2-1之間極化方向相反，與前端蓋1相鄰的的一對壓電陶瓷片2之間的極化方向相反，與后端蓋7相鄰的一對壓電陶瓷片2之間的極化方向相反，且該兩對壓電陶瓷片2的切分線之間相互垂直。

本發明的彎振模態梁式旋轉超聲電機振子中的壓電陶瓷片采用幅值相等、頻率為換能器自身諧振頻率、相位差為+90°的交流電壓信號激勵，利用壓電陶瓷片的厚度方向的振動在每個彎振復合換能器中激勵出兩個正交的彎曲振動模態(單個彎振換能器的兩個彎曲振動模態如圖5和6所示)，兩個彎曲振動模態疊加在驅動足表面質點產生橢圓運動軌跡，進而通過驅動足和轉子之間的摩擦耦合實現轉子的宏觀運動輸出，四個驅動足同時參與驅動，可以成倍的提高電機的機械輸出能力。如果調整兩路激勵信號的相位差為-90°，可以實現轉子反向運動。本發明的彎振模態梁式旋轉超聲電機振子中的壓電陶瓷元件采用了夾心結構，采用壓電陶瓷高機電耦合效率的d₃₃模式(壓電陶瓷沿厚度方向伸縮)工作，解決了粘貼壓電陶瓷片式壓電超聲電機機電耦合效率低、機械輸出能力差的問題。本發明采用沿厚度方向極化的四片壓電陶瓷片實現換能器的兩個正交的彎曲振動模態的激勵，由于采用同型模態，不存在模態間的頻率簡并問題；前端蓋采用變截面設計起到振動能量的聚斂作用，可提高驅動足表面質點的振幅和振速，使得電機性能得到提高；薄壁梁可以實現彈性支撐和振動隔離，使安裝座與其它構件的聯接對振子的彎曲振動模態的影響程度降到最低。

本發明的彎振模態梁式旋轉超聲電機振子具有結構簡單、設計靈活、機電耦合效率高、可實現大力矩輸出、性能穩定、易于控制、可系列化生產的優點。

附圖說明

圖1是本發明的彎振模態梁式旋轉超聲電機振子的剖視圖，圖2是圖1所示的彎振模態梁式旋轉超聲電機振子的立體結構示意圖，圖3是圖1中兩對壓電陶瓷片2的極化方向示意圖，圖4是施加在振子上的驅動信號示意圖，圖5是單個換能器的一個基本彎曲振動模態振型示意圖，圖6是單個換能器的另一?個基本彎曲振動模態振型示意圖。

具體實施方式