一種縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機壓電振子的製作方法

2023-06-01 07:17:36 1

一種縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機壓電振子的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機振子，屬於超聲波電機製造【技術領域】。該振子由雙壓電晶片懸臂梁(1、2)、壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)、質量塊(4)、環行接觸體(5)和基座(6)組成。雙壓電晶片懸臂梁(1、2)分別布置在質量塊(4)的左、右兩側。壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)布置在質量塊(4)的下端並與基座(6)相連。雙壓電晶片懸臂梁(1、2)和壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)及質量塊(4)在空間上構成T型結構。利用雙壓電晶片懸臂梁(1、2)的反向彎曲振動及壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的上、下縱向振動，使環行接觸體(5)的表面質點產生橢圓運動軌跡，實現對轉子的扭轉驅動。
【專利說明】一種縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機壓電振子
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機壓電振子，可以實現精密驅動與定位功能，屬於超聲波電機製造的【技術領域】。
技術背景
[0002]超聲波電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉化為電機定子的振動，然後通過電機定子和轉子之間的摩擦耦合驅動電機轉子作旋轉(或直線)運動。超聲波電機具有結構緊湊、低速大力矩、響應速度快、控制特性好、不受電磁幹擾、定位精度高、噪聲小、可直接驅動負載等優點，廣泛應用於國防、軍事、工業、醫療以及國民生產生活等各個領域。
[0003]國內外有較多的專利申請涉及壓電超聲波電機及壓電振子，典型的壓電超聲波電機振子結構主要是環行、縱扭複合型等機構，這些壓電振子結構複雜，加工工藝煩瑣，如環行行波型超聲波的壓電振子表面加工了幾十個齒狀結構，縱扭複合型超聲波電機通過設計結構複雜的壓電振子以便調諧縱振模態和扭振模態的頻率一致性。另外，該電機的縱振動模態和扭轉振動模態難以獨立控制，造成電機驅動控制器的設計煩瑣複雜。複雜結構的壓電振子使得上述超聲波電機難以微型化，不利於在空間尺寸要求比較嚴格的領域(如微驅動技術)的應用。

【發明內容】

[0004]本發明提出一種縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機壓電振子，該振子結構簡單，便於加工製作；且振子的縱振動模態和彎曲/扭轉振動模態可以分別獨立控制。
[0005]本發明採用的實施方案是:該超聲波電機振子由雙壓電晶片懸臂梁(I)、雙壓電晶片懸臂梁(2)、壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)、質量塊(4)、環行接觸體(5)和基座(6)組成。雙壓電晶片懸臂梁(I)由兩片極化方向相反的壓電陶瓷(101、103)通過環氧樹脂膠粘接在金屬基體(102)的上、下表面，形成夾心結構。雙壓電晶片懸臂梁(2)由兩片極化方向相反的壓電陶瓷(201、203)通過環氧樹脂膠粘接在金屬基體(202)的上、下表面，形成夾心結構。懸臂梁(I)的左端與基座(6)固定，右端與質量塊(4)相連。懸臂梁(2)的右端與基座(6)固定，左端與質量塊(4)相連。壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)由壓電疊堆(301)通過環氧樹脂膠與金屬彈性體(302)相連成一體，壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的上端與質量塊(4)相連，下端固定在基座(6)上。懸臂梁(I)、懸臂梁(2)和壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)與質量塊(4)在空間上構成T型結構。當給疊堆式壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的壓電疊堆(301)施加超聲頻域的正弦交流電SV1時，壓電疊堆(301)產生沿其軸線的上下伸縮振動，該振動通過金屬彈性體(302)的放大作用後，推動質量塊(4)和環行接觸體(5) —起作上、下往復振動。當環行接觸體(5)作向上的振動時，迫使環行接觸體(5)與轉子壓緊接觸。當給雙壓電晶片懸臂梁⑴和⑵的壓電陶瓷施加一個與V1同頻率、同幅值的餘弦電壓V2時，懸臂梁⑴和⑵同時作等幅、反向的彎曲振動。懸臂梁⑴和(2)的反向彎曲振動作用在質量塊(4)上，形成一個扭轉力矩，該扭轉力矩驅動質量塊(4)和環行接觸體(5)產生繞其中心軸的扭轉運動。環行接觸體(5)同時作上下往復縱振動和繞其中心軸的扭轉運動，兩者合成後，在環行接觸體(5)的表面質點產生橢圓運動軌跡，該軌跡推動轉子作旋轉運動。
[0006]本發明採用的實施方案是:超聲波電機振子模態選擇壓電疊堆-金屬複合彈性梁
(3)的一階縱振動模態、懸臂梁(I)和(2)的一階彎曲振動模態，該電機是一種多模態複合型電機。
[0007]本發明採用的實施方案是:電機振子的工作頻率為18880Hz。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發明的總體結構剖面示意圖和俯視圖；
[0009]圖2是本發明的三維實體有限元網格視圖；
[0010]圖3是壓電振子的兩個振動模態圖。圖3(a)是當壓電疊堆(301)受到正弦電壓激勵時，壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)產生上下振動的模態圖；圖3(b)是懸臂梁(I)和
(2)的壓電陶瓷受正弦電壓激勵時，懸臂梁⑴和(2)產生彎曲振動，質量塊⑷和環行接觸體(5)產生軸心的扭轉振動模態圖；
[0011]圖4是壓電振子環行接觸體(5)表面質點的橢圓運動軌跡。
【具體實施方式】
[0012]如圖1、2所示，超聲波電機振子由雙壓電晶片懸臂梁(I)、雙壓電晶片懸臂梁(2)、壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)、質量塊(4)、環行接觸體(5)和基座(6)組成。雙壓電晶片懸臂梁(I)由兩片極化方向相反的壓電陶瓷(101、103)通過環氧樹脂膠粘接在金屬基體(102)的上、下表面，形成夾心結構。雙壓電晶片懸臂梁(2)由兩片極化方向相反的壓電陶瓷(201、203)通過環氧樹脂膠粘接在金屬基體(202)的上、下表面，形成夾心結構。懸臂梁(I)的左端與基座(6)固定，右端與質量塊(4)相連。懸臂梁(2)的右端與基座(6)固定，左端與質量塊(4)相連。壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)由壓電疊堆(301)通過環氧樹脂膠與金屬彈性體(302)相連成一體，壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的上端與質量塊(4)相連，下端固定在基座(6)上。懸臂梁(I)、懸臂梁(2)和壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)與質量塊(4)在空間上構成T型結構。
[0013]本發明實施方式中，當給壓電疊堆-金屬複合彈性梁⑶的壓電疊堆(301)施加超聲頻域的正弦交流電壓V1時，壓電疊堆(301)產生沿其軸線的上下伸縮振動，該振動通過金屬彈性體(302)的放大作用後，推動質量塊(4)和環行接觸體(5) —起作上、下往復振動。同時，懸臂梁(I)和懸臂梁(2)產生大小相同、方向相同的上下彎曲振動。如圖3(a)所示。當環行接觸體(5)作向上的振動時，迫使環行接觸體(5)與轉子壓緊接觸。當給雙壓電晶片懸臂梁⑴和⑵的壓電陶瓷施加一個與V1同頻率、同幅值的餘弦電壓V2時，懸臂梁⑴和⑵同時作等幅、反向的彎曲振動。懸臂梁⑴和(2)的反向彎曲振動作用在質量塊(4)上，形成一個扭轉力矩，該扭轉力矩驅動質量塊(4)和環行接觸體(5)產生繞其中心軸的扭轉運動，如圖3(b)所示。當同時給懸臂梁(I)和(2)的壓電陶瓷、壓電疊堆-金屬複合彈性體(3)的壓電疊堆(301)分別施加兩個幅值、頻率一致但相位差為90°的正弦交流信號時，環行接觸體(5)同時作上下往復縱振動和繞其中心軸的扭轉運動，兩者合成後，在環行接觸體(5)的表面質點產生橢圓運動軌跡，該軌跡推動轉子作旋轉運動。
[0014]本發明實施方式中，為了調節如圖3(a)的縱振模態頻率與如圖3(b)的彎曲/扭轉振動模態頻率的一致性，分別減小壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的長度和增長懸臂梁
(I)和(2)的長度。減小壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的長度，可以增加壓電振子的縱向剛度，進而提高壓電振子的縱向振動模態的頻率；增長懸臂梁⑴和⑵的長度，可以減小懸臂梁⑴和⑵的彎曲剛度，進而減小懸臂梁的彎曲振動頻率。經過上述優化設計，研製的一種縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機壓電振子的工作頻率為18880Hz。圖4是壓電振子環行接觸體(5)表面質點的橢圓運動軌跡。
【權利要求】
1.一種縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機振子，其特徵在於:該超聲波電機振子由雙壓電晶片懸臂梁(I)、雙壓電晶片懸臂梁(2)、壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)、質量塊(4)、環行接觸體(5)和基座(6)組成。雙壓電晶片懸臂梁(I)由兩片極化方向相反的壓電陶瓷(101、103)通過環氧樹脂膠粘接在金屬基體(102)的上、下表面，形成夾心結構。雙壓電晶片懸臂梁(2)由兩片極化方向相反的壓電陶瓷(201、203)通過環氧樹脂膠粘接在金屬基體(202)的上、下表面，形成夾心結構。懸臂梁(I)的左端與基座(6)固定，右端與質量塊⑷相連。懸臂梁⑵的右端與基座(6)固定，左端與質量塊⑷相連。壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)由壓電疊堆(301)通過環氧樹脂膠與金屬彈性體(302)相連成一體，壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的上端與質量塊(4)相連，下端固定在基座(6)上。懸臂梁(I)、懸臂梁(2)和壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)與質量塊(4)在空間上構成T型結構。當給疊堆式壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的壓電疊堆(301)施加超聲頻域的正弦交流電壓％時，壓電疊堆(301)產生沿其軸線的上下伸縮振動，該振動通過金屬彈性體(302)的放大作用後，推動質量塊(4)和環行接觸體(5) —起作上、下往復振動。當環行接觸體(5)作向上的振動時，迫使環行接觸體(5)與轉子壓緊接觸。當給雙壓電晶片懸臂梁(I)和(2)的壓電陶瓷施加一個與V1同頻率、同幅值的餘弦電壓V2時，懸臂梁⑴和⑵同時作等幅、反向的彎曲振動。懸臂梁(I)和(2)的反向彎曲振動作用在質量塊(4)上，形成一個扭轉力矩，該扭轉力矩驅動質量塊(4)和環行接觸體(5)產生繞其中心軸的扭轉運動。環行接觸體(5)同時作上下往復縱振動和繞其中心軸的扭轉運動，兩者合成後，在環行接觸體(5)的表面質點產生橢圓運動軌跡，該軌跡推動轉子作旋轉運動。
2.根據權利要求1所述的縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機振子，其特徵在於:電機振子模態選擇壓電疊堆-金屬複合彈性梁(3)的一階縱振動模態、懸臂梁(I)和(2)的一階彎曲振動模態，該電機是一種多模態複合型電機。
3.根據權利要求1所述的縱-彎-扭轉複合型旋轉式超聲波電機振子，其特徵在於:電機振子的工作頻率為18880Hz。
【文檔編號】H02N2/12GK103516251SQ201310454913
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】王光慶, 展永政 申請人:浙江工商大學