專利名稱：夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，屬于壓電超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電超聲電機(jī)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在彈性體中激勵(lì)出超聲頻段內(nèi)的振動(dòng)，在彈性體表面特定點(diǎn)或特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合將質(zhì)點(diǎn)的微觀運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，它具有低速大轉(zhuǎn)矩、 無需變速機(jī)構(gòu)、無電磁干擾、響應(yīng)速度快和斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，作為一種壓電驅(qū)動(dòng)器，壓電超聲電機(jī)有著十分廣泛的應(yīng)用。中國專利《矩形四足直線超聲電機(jī)振子》，公開號(hào)為CN1016^205A，
公開日為2010 年1月13日，提出了一種封閉結(jié)構(gòu)的夾心式直線型超聲電機(jī)新構(gòu)型，它通過四個(gè)按照矩形布置的縱振換能器實(shí)現(xiàn)四個(gè)驅(qū)動(dòng)足處橢圓軌跡振動(dòng)的激勵(lì)；但是，該超聲電機(jī)振子中的換能器之間存在明顯的振動(dòng)耦合問題，使得換能器的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)并不是單一的縱振，而是一種縱振和彎振疊加的復(fù)合振動(dòng)；其中，縱振是通過壓電陶瓷片的主動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的，而彎振則是由相鄰換能器之間的耦合引起的；這種耦生彎振的存在會(huì)使得振子模態(tài)特征頻率偏離單個(gè)換能器諧振頻率，并會(huì)降低振子的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，限制振子機(jī)械輸出特性的提高。此外，這種耦生彎振的存在使得四個(gè)驅(qū)動(dòng)足處的振動(dòng)軌跡存在明顯的不一致性，也不利于其輸出特性的改善。

發(fā)明內(nèi)容
為了消除現(xiàn)有矩形四足直線超聲電機(jī)振子中存在的耦生彎振所帶來的各種不利影響，本發(fā)明提供一種夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子。本發(fā)明所述夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，它包括兩個(gè)水平復(fù)合梁和一個(gè)豎直復(fù)合梁，兩個(gè)水平復(fù)合梁和豎直復(fù)合梁呈工字形排布，兩個(gè)水平復(fù)合梁的結(jié)構(gòu)相同；所述水平復(fù)合梁由兩個(gè)水平變幅桿、兩對壓電陶瓷片、水平法蘭、預(yù)緊螺柱、絕緣套和電極片組成，豎直復(fù)合梁由兩個(gè)豎直變幅桿、兩對壓電陶瓷片、豎直法蘭、絕緣套和電極片組成，所述水平變幅桿和豎直變幅桿的結(jié)構(gòu)相同，其中所述豎直變幅桿由連接桿和變幅桿組成，所述連接桿為截面為圓形或方形的柱體，該連接桿的一端的端面中心設(shè)置有一個(gè)帶內(nèi)螺紋的盲孔，該連接桿的另一端固定連接變幅桿，該變幅桿為截面為圓形或方形并且向其末端逐漸變細(xì)的塊體，并且所述變幅桿的大端面與連接桿的界面形狀相同；每個(gè)水平復(fù)合梁的兩個(gè)水平變幅桿的盲孔分別旋合在預(yù)緊螺柱的兩端，預(yù)緊螺柱上套接水平法蘭，該水平法蘭與每個(gè)水平變幅桿之間的預(yù)緊螺柱上均套接一對壓電陶瓷片，該對壓電陶瓷片夾固在水平變幅桿與水平法蘭之間，壓電陶瓷片與預(yù)緊螺柱的接觸面之間設(shè)置絕緣套，水平變幅桿與壓電陶瓷片的接觸面之間以及每對壓電陶瓷片的兩片壓電陶瓷片之間均設(shè)置有電極片；豎直法蘭的兩側(cè)端面中心沿其中心線分別設(shè)置向外伸出的螺柱，每根螺柱上套接一對壓電陶瓷片，每根螺柱的端部與一個(gè)豎直變幅桿的盲孔旋合，并將所述一對壓電陶瓷片壓緊，每對壓電陶瓷片與螺柱的接觸面之間設(shè)置絕緣套，豎直變幅桿與壓電陶瓷片的接觸面之間以及每對壓電陶瓷片的兩片壓電陶瓷片之間均設(shè)置有電極片；兩個(gè)豎直變幅桿的小端面分別與兩個(gè)水平復(fù)合梁的水平法蘭的內(nèi)側(cè)面固定連接。每個(gè)豎直變幅桿和與該豎直變幅桿連接的水平法蘭為一體件。所述電機(jī)振子還包括四片摩擦片，該四片摩擦片分別固定于四個(gè)水平變幅桿的末端。所述摩擦片為截面與其所在水平變幅桿的末端的端面形狀相同的塊體。所有壓電陶瓷片均沿厚度方向極化，每對壓電陶瓷片中的兩片壓電陶瓷片的極化方向相反，兩個(gè)水平復(fù)合梁上相應(yīng)位置的壓電陶瓷片的極化方向相反。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明中的壓電陶瓷片采用幅值相等、頻率為振子自身諧振頻率、相位差為+90°的兩相交流電壓信號(hào)激勵(lì)，其水平復(fù)合梁和豎直復(fù)合梁上的壓電陶瓷片分別采用兩相電壓激勵(lì)，利用壓電陶瓷片的伸縮振動(dòng)在振子中激勵(lì)出兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)，兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)疊加在四個(gè)驅(qū)動(dòng)足上，即四個(gè)水平變幅桿的末端，驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)足和其兩側(cè)的動(dòng)子在一定預(yù)壓力下接觸時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子之間的摩擦耦合即實(shí)現(xiàn)了動(dòng)子的宏觀運(yùn)動(dòng)輸出。如果調(diào)整兩路激勵(lì)信號(hào)的相位差為-90°，可以實(shí)現(xiàn)反向驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明中的變幅桿采用變截面設(shè)計(jì)能夠起到振動(dòng)能量的聚斂作用，可提高驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的振幅和振速，使得電機(jī)性能得到提高。四個(gè)驅(qū)動(dòng)足同時(shí)參與驅(qū)動(dòng)，可以成倍提高電機(jī)的機(jī)械輸出能力，并且該振子充分利用振動(dòng)產(chǎn)生了能量，可有效提高輸出效率。本發(fā)明所述的超聲電機(jī)振子采用工字型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了四足驅(qū)動(dòng)，使得其結(jié)構(gòu)得到極大簡化，便于實(shí)現(xiàn)振子的微型化，也極大程度的簡化了加工和裝配工藝；豎直復(fù)合梁和水平復(fù)合梁的結(jié)合位置位于水平復(fù)合梁的縱振模態(tài)振型的節(jié)面處，使得水平復(fù)合梁在縱振時(shí)不會(huì)對豎直復(fù)合梁中產(chǎn)生振動(dòng)耦合，從而有效的降低了振子中存在的振動(dòng)耦合問題，保證豎直復(fù)合梁的振動(dòng)狀態(tài)為單一的縱向振動(dòng)，可有效提高四個(gè)水平變幅桿末端驅(qū)動(dòng)區(qū)域質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡的一致性。因此，本發(fā)明有效的克服了現(xiàn)有矩形四足直線超聲電機(jī)振子中存在的由振動(dòng)耦合和耦生彎振所帶來的各種不利影響。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活、加工和裝配簡單、可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中壓電陶瓷片的極化方向示意圖；圖4為本發(fā)明所述電機(jī)振子的第一個(gè)基本振動(dòng)模態(tài)振型示意圖；圖5為本發(fā)明所述電機(jī)振子的第二個(gè)基本振動(dòng)模態(tài)振型示意圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，它包括兩個(gè)水平復(fù)合梁1和一個(gè)豎直復(fù)合梁2，兩個(gè)水平復(fù)合梁1和豎直復(fù)合梁2呈工字形排布，兩個(gè)水平復(fù)合梁1的結(jié)構(gòu)相同；所述水平復(fù)合梁1由兩個(gè)水平變幅桿1-1、兩對壓電陶瓷片1-2、水平法蘭1-3、預(yù)緊螺柱1-4、絕緣套1-5和電極片1-6組成，豎直復(fù)合梁2由兩個(gè)豎直變幅桿2-1、兩對壓電陶瓷片1-2、豎直法蘭2-2、絕緣套1-5和電極片1-6組成，所述水平變幅桿1-1和豎直變幅桿2-1的結(jié)構(gòu)相同，其中所述豎直變幅桿2-1由連接桿和變幅桿組成，所述連接桿為截面為圓形或方形的柱體，該連接桿的一端的端面中心設(shè)置有一個(gè)帶內(nèi)螺紋的盲孔，該連接桿的另一端固定連接變幅桿，該變幅桿為截面為圓形或方形并且向其末端逐漸變細(xì)的塊體，并且所述變幅桿的大端面與連接桿的界面形狀相同；每個(gè)水平復(fù)合梁1的兩個(gè)水平變幅桿1-1的盲孔分別旋合在預(yù)緊螺柱1-4的兩端，預(yù)緊螺柱1-4上套接水平法蘭1-3，該水平法蘭1-3與每個(gè)水平變幅桿1-1之間的預(yù)緊螺柱1-4上均套接一對壓電陶瓷片1-2，該對壓電陶瓷片1-2夾固在水平變幅桿1-1與水平法蘭1-3之間，壓電陶瓷片1-2與預(yù)緊螺柱1-4的接觸面之間設(shè)置絕緣套1-5，水平變幅桿 1-1與壓電陶瓷片1-2的接觸面之間以及每對壓電陶瓷片1-2的兩片壓電陶瓷片之間均設(shè)置有電極片1-6;豎直法蘭2-2的兩側(cè)端面中心沿其中心線分別設(shè)置向外伸出的螺柱2-2-1，每根螺柱2-2-1上套接一對壓電陶瓷片1-2，每根螺柱2-2-1的端部與一個(gè)豎直變幅桿2-1的盲孔旋合，并將所述一對壓電陶瓷片1-2壓緊，每對壓電陶瓷片1-2與螺柱2-2-1的接觸面之間設(shè)置絕緣套1-5，豎直變幅桿2-1與壓電陶瓷片1-2的接觸面之間以及每對壓電陶瓷片 1-2的兩片壓電陶瓷片之間均設(shè)置有電極片1-6 ；兩個(gè)豎直變幅桿2-1的小端面分別與兩個(gè)水平復(fù)合梁1的水平法蘭1-3的內(nèi)側(cè)面固定連接。本實(shí)施方式中，兩個(gè)水平變幅桿1-1分別通過其盲孔旋合于預(yù)緊螺柱1-4的兩端， 從而實(shí)現(xiàn)對壓電陶瓷片1-2和水平法蘭1-3的緊固。所述電機(jī)振子在應(yīng)用的時(shí)候，與水平變幅桿1-1和豎直變幅桿2-1相鄰的電極片 1-6與驅(qū)動(dòng)電源的公共端連接，兩個(gè)水平復(fù)合梁1上所固定的四對壓電陶瓷片1-2中每兩片壓電陶瓷片1-2之間的電極片1-6均與一相驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接，豎直復(fù)合梁2上固定的兩對壓電陶瓷片1-2中每兩片壓電陶瓷片1-2之間的電極片1-6均與另外一相驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接。在應(yīng)用中，豎直法蘭2-2可用于振子的安裝和固定，由于豎直法蘭2-2設(shè)置在豎直復(fù)合梁2縱振模態(tài)振型的波節(jié)位置，其與外部構(gòu)件的固定對振子自身振動(dòng)特性的影響十分微弱。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述每個(gè)豎直變幅桿2-1和與該豎直變幅桿2-1連接的水平法蘭1-3為一體件。將所述豎直變幅桿2-1與對應(yīng)的水平法蘭1-3呈一體化加工，可簡化加工和裝配工藝、保證加工精度。
具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一或二的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述電機(jī)振子還包括四片摩擦片3，該四片摩擦片3分別固定于四個(gè)水平變幅桿1-1的末端。摩擦片3的設(shè)置可起到增大摩擦系數(shù)、提高耐磨性的作用。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式三的進(jìn)一步說明，所述摩擦片3為截面與其所在水平變幅桿1-1的末端的端面形狀相同的塊體。
具體實(shí)施方式
五下面結(jié)合圖3至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為對實(shí)施方式一、二、三、四或五的進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式所述所有壓電陶瓷片1-2均沿厚度方向極化， 每對壓電陶瓷片1-2中的兩片壓電陶瓷片1-2的極化方向相反，兩個(gè)水平復(fù)合梁1上相應(yīng)位置的壓電陶瓷片1-2的極化方向相反。圖4所示的振動(dòng)模態(tài)為兩個(gè)水平復(fù)合梁1縱振所激勵(lì)的模態(tài)，對應(yīng)引起水平變幅桿1-1末端質(zhì)點(diǎn)沿水平方向的振動(dòng)；圖5所示的振動(dòng)模態(tài)為豎直復(fù)合梁2縱振所激勵(lì)的模態(tài)，對應(yīng)引起水平變幅桿1-1末端質(zhì)點(diǎn)沿豎直方向的振動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，它包括兩個(gè)水平復(fù)合梁(1)和一個(gè)豎直復(fù)合梁O)，其特征在于兩個(gè)水平復(fù)合梁(1)和豎直復(fù)合梁( 呈工字形排布，兩個(gè)水平復(fù)合梁(1)的結(jié)構(gòu)相同；所述水平復(fù)合梁(1)由兩個(gè)水平變幅桿(1-1)、兩對壓電陶瓷片(1-2)、水平法蘭(1-3)、預(yù)緊螺柱(1-4)、絕緣套(1-5)和電極片(1-6)組成， 豎直復(fù)合梁(2)由兩個(gè)豎直變幅桿0-1)、兩對壓電陶瓷片(1-2)、豎直法蘭0-2)、絕緣套 (1-5)和電極片(1-6)組成，所述水平變幅桿(1-1)和豎直變幅桿的結(jié)構(gòu)相同，其中所述豎直變幅桿(2-1) 由連接桿和變幅桿組成，所述連接桿為截面為圓形或方形的柱體，該連接桿的一端的端面中心設(shè)置有一個(gè)帶內(nèi)螺紋的盲孔，該連接桿的另一端固定連接變幅桿，該變幅桿為截面為圓形或方形并且向其末端逐漸變細(xì)的塊體，并且所述變幅桿的大端面與連接桿的界面形狀相同；每個(gè)水平復(fù)合梁(1)的兩個(gè)水平變幅桿(1-1)的盲孔分別旋合在預(yù)緊螺柱(1-4)的兩端，預(yù)緊螺柱(1-4)套接水平法蘭(1-3)，該水平法蘭(1- 與每個(gè)水平變幅桿(1-1)之間的預(yù)緊螺柱(1-4)均套接一對壓電陶瓷片(1-2)，該對壓電陶瓷片(1- 夾固在水平變幅桿 (1-1)與水平法蘭(1-3)之間，壓電陶瓷片(1-2)與預(yù)緊螺柱(1-4)的接觸面之間設(shè)置絕緣套(1-5)，水平變幅桿(1-1)與壓電陶瓷片(1-2)的接觸面之間以及每對壓電陶瓷片(1-2) 的兩片壓電陶瓷片之間均設(shè)置有電極片(1-6)；豎直法蘭0-2)的兩側(cè)端面中心沿其中心線分別設(shè)置向外伸出的螺柱0-2-1)，每根螺柱(2-2-1)套接一對壓電陶瓷片(1-2)，每根螺柱0-2-1)的端部與一個(gè)豎直變幅桿 (2-1)的盲孔旋合，并將所述一對壓電陶瓷片(1-2)壓緊，每對壓電陶瓷片(1-2)與螺柱 (2-2-1)的接觸面之間設(shè)置絕緣套(1-5)，豎直變幅桿(2-1)與壓電陶瓷片(1- 的接觸面之間以及每對壓電陶瓷片(1-2)的兩片壓電陶瓷片之間均設(shè)置有電極片(1-6)；兩個(gè)豎直變幅桿的小端面分別與兩個(gè)水平復(fù)合梁(1)的水平法蘭(1- 的內(nèi)側(cè)面固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，其特征在于每個(gè)豎直變幅桿(2-1)和與該豎直變幅桿連接的水平法蘭(1- 為一體件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，其特征在于所述電機(jī)振子還包括四片摩擦片(3)，該四片摩擦片(3)分別固定于四個(gè)水平變幅桿(1-1)的末端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，其特征在于所述摩擦片( 為截面與其所在水平變幅桿(1-1)的末端的端面形狀相同的塊體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，其特征在于所有壓電陶瓷片(1-2)均沿厚度方向極化，每對壓電陶瓷片(1-2)中的兩片壓電陶瓷片 (1-2)的極化方向相反，兩個(gè)水平復(fù)合梁(1)上相應(yīng)位置的壓電陶瓷片(1-2)的極化方向相反。
全文摘要
夾心式工字型四足直線超聲電機(jī)振子，屬于壓電超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。它消除了現(xiàn)有矩形四足直線超聲電機(jī)振子中存在的耦生彎振所帶來的各種不利影響。它包括兩個(gè)水平復(fù)合梁和一個(gè)豎直復(fù)合梁，兩個(gè)水平復(fù)合梁和豎直復(fù)合梁呈工字形排布，其水平復(fù)合梁和豎直復(fù)合梁上的壓電陶瓷片分別采用兩相電壓激勵(lì)，利用壓電陶瓷片的伸縮振動(dòng)在振子中激勵(lì)出兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)，兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)疊加在四個(gè)驅(qū)動(dòng)足上，即四個(gè)水平變幅桿的末端，驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)足和其兩側(cè)的動(dòng)子在一定預(yù)壓力下接觸時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子之間的摩擦耦合即實(shí)現(xiàn)了動(dòng)子的宏觀運(yùn)動(dòng)輸出。本發(fā)明適用超聲電機(jī)的制作。
文檔編號(hào)H02N2/04GK102437782SQ20111043584
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者馮培連, 劉軍考, 劉英想, 石勝君, 陳維山 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)