一種縱-彎複合式超聲波電的製造方法
2023-06-01 07:17:21 1
一種縱-彎複合式超聲波電的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種縱-彎複合型超聲波電機，屬於超聲波電機製造的【技術領域】。該電機由壓電定子和環形轉子組成。壓電定子由金屬基座、壓電疊堆和壓電懸臂板組成。壓電懸臂板的金屬基體上、下表面通過膠粘劑各粘接兩片極化方向相反的壓電陶瓷，形成夾心結構。電懸臂板的一端與金屬基座固定，另一端是帶有摩擦材料的接觸頭，它通過預壓力與環形轉子的內表面相接觸。壓電疊堆由255片材料和結構完全一致的方形壓電片粘接而成，壓電片之間的粘接形式為機械上串聯、電學上並聯。當同時給壓電疊堆和壓電懸臂板的壓電陶瓷施加一個相位差為90°的正弦電壓信號時，兩接觸頭作橢圓軌跡運動，並通過摩擦力驅動環形轉子作旋轉運動。
【專利說明】一種縱-彎複合式超聲波電機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種縱-彎複合式超聲波電機，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，典型的壓電超聲波電機結構主要是環行行波型，它是由兩個駐波複合而成。縱扭複合型電機是由壓電振子的縱振動和剪切振動模態複合而成。但這些超聲波電機結構複雜，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。複雜結構的超聲波電機不利於電機的輕型化和微型化，在一些空間環境要求高的特殊場合難以推廣應用。
【發明內容】
[0004]本發明提出一種縱-彎複合式超聲波電機，該電機應用壓電定子的一階縱振動模態和二階彎曲振動模態，實現壓電定子的接觸頭的橢圓運動。該電機結構簡單、加工製作工藝方便。
[0005]本發明採用的實施方案是:該超聲波電機由壓電定子(I)和環形轉子(2)組成。壓電定子⑴由金屬基座(101)、壓電疊堆(102)和兩個夾心式壓電懸臂板(103、104)組成，夾心式壓電懸臂板(103、104)的金屬基體的上、下表面通過環氧樹脂膠各粘接兩片極化方向相反的壓電陶瓷(105),形成夾心結構。夾心式壓電懸臂板(103、104)的一端與金屬基座
(101)固定，另一端是帶有摩擦材料的接觸頭(106)，它通過預壓力與環形轉子(2)的內表面相接觸。壓電疊堆(102)由255片材料和結構完全一致的環形壓電片粘接而成，壓電片之間的的粘接形式為機械上串聯、電學上並聯。
[0006]本發明實施方式中，接觸頭(106)的摩擦材料是由環氧樹脂膠、CuO, Al2O3和聚四氟乙烯等通過均勻攪拌後粘塗在接觸頭金屬基體上，並經過高溫烘乾進行機械加工而成。
[0007]本發明實施方式中，接觸頭(106)與環形轉子(2)內表面的預壓力是通過環形轉子(2)外表面的可調螺母實現的。
[0008]本發明實施方式中，當給壓電疊堆(102)施加高頻交變的正弦電壓信號時，壓電疊堆(102)作一階縱向伸縮振動，使得夾心式壓電懸臂板(103、104)也作縱向伸縮運動，從而改變接觸頭(106)與環形轉子(2)內表面之間的接觸力。當給夾心式壓電懸臂板(103、104)的壓電陶瓷(105)施加同一頻率的餘弦電壓信號時，夾心式壓電懸臂板(103、104)在壓電陶瓷(105)的逆壓電效應作用下作四階彎曲振動，但兩者的振動方向相反，使得懸臂板(103)的接觸頭(106)向上(向下)振動，懸臂板(104)的接觸頭向下(向上)振動。當同時給壓電疊堆(102)和夾心式壓電懸臂板(103、104)在壓電陶瓷(105)施加一個相位差為90°的正弦電壓信號時，兩接觸頭(106)在接觸區作橢圓運動，並通過摩擦力驅動環形轉子(2)作旋轉運動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明的總體結構示意圖；
[0010]圖2是本發明超聲波電機壓電定子⑴的三維實體圖，圖中「 + 符號表示壓電陶瓷的極化方向；
[0011]圖3是壓電定子(I)的一階縱振動模態的正視圖和三維視圖；
[0012]圖4是壓電定子⑴的二階彎曲振動模態的正視圖和三維視圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖1、2所示，超聲波電機由壓電定子(I)和環形轉子(2)組成。壓電定子(I)由金屬基座(101)、壓電疊堆(102)和兩個夾心式壓電懸臂板(103、104)組成，夾心式壓電懸臂板(103、104)的金屬基體的上、下表面通過環氧樹脂膠各粘接兩片極化方向相反的壓電陶瓷(105),形成夾心結構。夾心式壓電懸臂板(103、104)的一端與金屬基座(101)固定，另一端是帶有摩擦材料的接觸頭(106)，它通過預壓力與環形轉子(2)的內表面相接觸。壓電疊堆(102)由255片材料和結構完全一致的環形壓電片粘接而成，壓電片之間的的粘接形式為機械上串聯、電學上並聯。
[0014]本發明實施方式中，接觸頭(106)的摩擦材料是由環氧樹脂膠、CuCKAl2O3和聚四氟乙烯等通過均勻攪拌後粘塗在接觸頭金屬基體上，並經過高溫烘乾進行機械加工而成。
[0015]本發明實施方式中，接觸頭(106)與環形轉子(2)內表面的預壓力是通過環形轉子(2)外表面的可調螺母實現的。
[0016]本發明實施方式中，當給壓電疊堆(102)施加高頻交變的正弦電壓信號V1=Asinon時，壓電疊堆(102)作一階縱向伸縮振動，如圖3所示，使得夾心式壓電懸臂板
(103,104)也作縱向伸縮運動，從而改變接觸頭(106)與環形轉子(2)內表面之間的接觸力。當給夾心式壓電懸臂板(103、104)的壓電陶瓷(105)施加同一頻率的餘弦電壓信號V2=Acoson時，夾心式壓電懸臂板(103、104)在壓電陶瓷(105)的逆壓電效應作用下作二階彎曲振動，如圖4所示，但兩者的振動方向相反，懸臂板(103)的接觸頭(106)向上(向下)振動，懸臂板(104)的接觸頭向下(向上)振動。
[0017]在本發明實施中，當同時給壓電疊堆(102)施加V1=Asincot、給夾心式壓電懸臂板(103、104)的壓電陶瓷(105)施加V2=Acos on時，兩接觸頭(106)在接觸區作橢圓運動，並通過摩擦力驅動環形轉子(2)作旋轉運動。
[0018]本發明實施方式中，改變夾心式壓電懸臂板(103)和(104)的壓電陶瓷(105)激勵電壓V2的方向，即V2=Acos (οη+180° )，可以改變環行轉子⑵的旋轉方向。
[0019]本發明實施方式中，為了調節壓電定子(I)的一階縱振動模態頻率與二階彎曲振動模態頻率的一致性，可以增加或減小壓電定子(I)的壓電疊堆(102)沿Y軸方向和Z軸方向的厚度。[0020]本發明實施方式中，調諧後的壓電定子(I)的一階縱振動模態頻率為29310Hz、二階彎曲振動模態頻率為29271Hz，兩者之間的相對誤差為0.133%，滿足電機模態的調諧設計要求。
【權利要求】
1.一種縱-彎複合型超聲波電機，其特徵在於:該超聲波電機由壓電定子(I)和環形轉子(2)組成。壓電定子(I)由金屬基座(101)、壓電疊堆(102)和兩個夾心式壓電懸臂板(103,104)組成，夾心式壓電懸臂板(103、104)的金屬基體的上、下表面通過膠粘劑各粘接兩片極化方向相反的壓電陶瓷(105)，形成夾心結構。夾心式壓電懸臂板(103、104)的一端與金屬基座(101)固定，另一端是帶有摩擦材料的接觸頭(106)，它通過預壓力與環形轉子(2)的內表面相接觸。壓電疊堆(102)由255片材料和結構完全一致的環形壓電片粘接而成，壓電片之間的的粘接形式為機械上串聯、電學上並聯。當給壓電疊堆(102)施加高頻交變的正弦電壓信號時，壓電疊堆(102)作一階縱向伸縮振動，使得夾心式壓電懸臂板(103、104)也作縱向伸縮運動，從而改變接觸頭(106)與環形轉子(2)內表面之間的接觸力。當給夾心式壓電懸臂板(103、104)的壓電陶瓷(105)施加同一頻率的餘弦電壓信號時，夾心式壓電懸臂板(103、104)在壓電陶瓷(105)的逆壓電效應作用下作四階彎曲振動，但兩者的振動方向相反，使得懸臂板(103)的接觸頭(106)向上(向下)振動，懸臂板(104)的接觸頭向下(向上)振動。當同時給壓電疊堆(102)和夾心式壓電懸臂板(103、104)在壓電陶瓷(105)施加一個相位差為90°的正弦電壓信號時，兩接觸頭(106)在接觸區作橢圓軌跡運動，並通過摩擦力驅動環形轉子(2)作逆時針(順時針)旋轉運動。
2.根據權利要求1所述的縱-彎複合式超聲波電機，其特徵在於:電機的工作模態為壓電定子(I)的一階縱振動模態和二階彎曲振動模態，壓電定子(I)的一階縱振動模態頻率為29310Hz和二階彎曲振動模態頻率為29271Hz。
【文檔編號】H02N2/12GK103560694SQ201310473350
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】王光慶 申請人:浙江工商大學