[發(fā)明專利]貼片式方形超聲波電機振子及其驅(qū)動方法

無效

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• 申請日: 2012-11-22
• 公開（公告）號: CN102931875A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳維山;周詳宇;劉軍考;劉英想;石勝軍
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)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 23109
• 代理人: 張果瑞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種方形貼片式超聲波電機振子，更詳細而言，涉及具有將多個壓電組件對稱配置在振動體雙面形成超聲波電機振子。

背景技術(shù)

超聲電機是近三十年來出現(xiàn)的全新概念的驅(qū)動裝置，和傳統(tǒng)的電磁電機相比，具有慣性小，不受磁場影響、運轉(zhuǎn)安靜、低速大扭矩、可直接帶動負載、斷電自鎖、運動形式靈活多樣等特點。超聲波電機利用壓電材料的逆壓電效應，把電能轉(zhuǎn)化為超聲波電機定子的振動能，在通過摩擦轉(zhuǎn)化為運動部件的旋轉(zhuǎn)或者直線運動。它一般主要由定子、轉(zhuǎn)子及預壓力機構(gòu)等功能部件組成。

常見的圓環(huán)狀的壓電振子上粘貼圓環(huán)狀的彈性體，從而形成定子以及與該圓環(huán)狀彈性體接觸的轉(zhuǎn)子的超聲波電機。圓環(huán)狀的壓電振子在由壓電陶瓷形成的圓環(huán)狀的壓電體的兩面形成多個電極。多個電極包括第一及第二相的電極組。通過對第一相的電極組和第二相的電極組施加在時間上相位不同的高頻電壓，來產(chǎn)生兩個駐波。通過合成這兩個駐波，在環(huán)狀的彈性體和壓電振子的表面產(chǎn)生行波。

常見的V型電機采用兩根梁的復合振動形成超聲波電機。圖6為一種V型超聲波電機結(jié)構(gòu)原理圖，其中兩直梁合成一個V型梁7，在每根直梁的表面粘貼壓電陶瓷元件8、9、10、11，兩個直梁表面粘貼的壓電陶瓷元件分別施加時間相位相差π/2的電壓激勵信號Vsinωt和Vcosωt，可以激勵出沿直梁的各自長度方向產(chǎn)生縱向位移，兩個方向的位移合成在V型梁尖點產(chǎn)生橢圓運動，通過摩擦驅(qū)動與驅(qū)動足尖點相接觸的運動部件產(chǎn)生直線或旋轉(zhuǎn)運動。改變貼片方式，也可以利用兩根直梁的彎曲位移合成橢圓運動。

空心十字型電機以V型電機為基礎(chǔ)。十字型電機將4個V型電機連接成中空的十字形狀封閉結(jié)構(gòu)，圖7為一種V型超聲波電機結(jié)構(gòu)原理圖，在連接梁上或原V型電機直梁上粘貼壓電陶瓷元件，在4個V型梁尖點構(gòu)成4個驅(qū)動足，中間放置轉(zhuǎn)子。多個電極包括第一相及第二相的電極組。通過對第一相的電極組和第二相的電極組施加在時間上相位不同的高頻電壓，來產(chǎn)生兩個駐波，通過合成這兩個駐波，在彈性體4個驅(qū)動足點形成相同旋轉(zhuǎn)方向的橢圓運動，通過與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

現(xiàn)有的空心十字型電機適合于作為外定子，轉(zhuǎn)子安置于內(nèi)部的運動形式。

微型化是電機發(fā)展的一個重要方向。由于超聲波電機的尺寸不受限制，在小型電機領(lǐng)域內(nèi)更有發(fā)展前景，這使得研制小尺寸超聲波電機成為一種必然。

圓環(huán)狀的壓電振子在微型化時有一些困難，主要表現(xiàn)為小尺寸的陶瓷組件切割精度和裝配精度不易保證。單個V型電機施力不平衡，使轉(zhuǎn)子運動時承受額外的彎曲力矩。微型化的超聲波電機的發(fā)展方向必須在保證電機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、壓電陶瓷組件尺寸規(guī)整、組件數(shù)量盡可能精簡的情況下，增大電機輸出扭矩、提高電機輸出效率。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有的超聲波電機振子電極面的有效面積小、整體結(jié)構(gòu)復雜的問題，而提出貼片式方形超聲波電機振子及其驅(qū)動方法。

貼片式方形超聲波電機振子，它包括振動體和四組壓電陶瓷元件。

振動體為中心對稱結(jié)構(gòu)，所述該振動體由兩對半環(huán)形彎梁和四個V型梁組成，屬于同一對彎梁中的兩個彎梁位置相對，每個V型梁位于每兩個彎梁之間，所述兩對彎梁和四個V型梁構(gòu)成方型薄片型十字振動體，四個V型梁的尖點構(gòu)成4個驅(qū)動足，每對彎梁的外弧相對設(shè)置；

每組壓電陶瓷元件均由兩片壓電陶瓷單元組成，每片壓電陶瓷單元均為半環(huán)狀薄板，所述半環(huán)狀薄板的曲率半徑與彎梁的曲率半徑相同，每組壓電陶瓷元件中的兩片壓電陶瓷單元對稱粘接在一個彎梁的上表面和下表面，所有壓電陶瓷單元均沿厚度方向極化。

驅(qū)動貼片式方形超聲波電機振子的驅(qū)動方法為：對電機振子施加具有π/2的相位差的兩相電壓激勵信號，其中的一相電壓激勵信號用于驅(qū)動位于一對彎梁上的兩組壓電陶瓷元件，另一相電壓激勵信號用于驅(qū)動另外兩組壓電陶瓷元件。

本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)，通過壓電陶瓷單元及振動體構(gòu)造貼片式超聲波電機振子。利用壓電陶瓷的d31模式，通過兩組相對的半環(huán)形陶瓷沿徑向的收縮和擴張激勵振動體上兩根對稱彎梁的一階彎曲振動，另外兩組陶瓷同時做被動彎曲振動，循環(huán)往復，定子就能夠驅(qū)動預期相接處的運動部件產(chǎn)生某一方向的周期運動。采用另外兩組相對的半環(huán)形陶瓷激勵與前述運動方向垂直的振動，時間間隔為1/4周期。

本發(fā)明所述的貼片式方形超聲波電機振子包括振動體和四對壓電陶瓷單元，此電機振子組成結(jié)構(gòu)簡單，另外，四對壓電陶瓷單元的上表面和下表面均設(shè)有電極，使電極面的有效面積大。本發(fā)明可用于國防科技、微機械、醫(yī)療等方面。

附圖說明