一種縱-彎復(fù)合式超聲波電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種縱-彎復(fù)合型超聲波電機(jī)，屬于超聲波電機(jī)制造的【技術(shù)領(lǐng)域】。該電機(jī)由壓電定子和環(huán)形轉(zhuǎn)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(guò)膠粘劑各粘接兩片極化方向相反的壓電陶瓷，形成夾心結(jié)構(gòu)。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(guò)預(yù)壓力與環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面相接觸。壓電疊堆由255片材料和結(jié)構(gòu)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(jī)械上串聯(lián)、電學(xué)上并聯(lián)。當(dāng)同時(shí)給壓電疊堆和壓電懸臂板的壓電陶瓷施加一個(gè)相位差為90°的正弦電壓信號(hào)時(shí)，兩接觸頭作橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)環(huán)形轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
【專利說(shuō)明】一種縱-彎復(fù)合式超聲波電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種縱-彎復(fù)合式超聲波電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)與定位功能，屬于超聲波電機(jī)制造的【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)定子的振動(dòng)，然后通過(guò)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)(或直線)運(yùn)動(dòng)。超聲波電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、低速大力矩、響應(yīng)速度快、控制特性好、不受電磁干擾、定位精度高、噪聲小、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、軍事、工業(yè)、醫(yī)療以及國(guó)民生產(chǎn)生活等各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]國(guó)內(nèi)外有較多的專利申請(qǐng)涉及壓電超聲波電機(jī)，典型的壓電超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)主要是環(huán)行行波型，它是由兩個(gè)駐波復(fù)合而成?？v扭復(fù)合型電機(jī)是由壓電振子的縱振動(dòng)和剪切振動(dòng)模態(tài)復(fù)合而成。但這些超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝煩瑣，如環(huán)行行波型超聲波的壓電振子表面加工了幾十個(gè)齒狀結(jié)構(gòu)，縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓電振子以便調(diào)諧縱振模態(tài)和扭振模態(tài)的頻率一致性。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)不利于電機(jī)的輕型化和微型化，在一些空間環(huán)境要求高的特殊場(chǎng)合難以推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種縱-彎復(fù)合式超聲波電機(jī)，該電機(jī)應(yīng)用壓電定子的一階縱振動(dòng)模態(tài)和二階彎曲振動(dòng)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓電定子的接觸頭的橢圓運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制作工藝方便。
[0005]本發(fā)明采用的實(shí)施方案是:該超聲波電機(jī)由壓電定子(I)和環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)組成。壓電定子⑴由金屬基座(101)、壓電疊堆(102)和兩個(gè)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(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠各粘接兩片極化方向相反的壓電陶瓷(105),形成夾心結(jié)構(gòu)。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(guò)預(yù)壓力與環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)的內(nèi)表面相接觸。壓電疊堆(102)由255片材料和結(jié)構(gòu)完全一致的環(huán)形壓電片粘接而成，壓電片之間的的粘接形式為機(jī)械上串聯(lián)、電學(xué)上并聯(lián)。
[0006]本發(fā)明實(shí)施方式中，接觸頭(106)的摩擦材料是由環(huán)氧樹(shù)脂膠、CuO, Al2O3和聚四氟乙烯等通過(guò)均勻攪拌后粘涂在接觸頭金屬基體上，并經(jīng)過(guò)高溫烘干進(jìn)行機(jī)械加工而成。
[0007]本發(fā)明實(shí)施方式中，接觸頭(106)與環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)表面的預(yù)壓力是通過(guò)環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)外表面的可調(diào)螺母實(shí)現(xiàn)的。
[0008]本發(fā)明實(shí)施方式中，當(dāng)給壓電疊堆(102)施加高頻交變的正弦電壓信號(hào)時(shí)，壓電疊堆(102)作一階縱向伸縮振動(dòng)，使得夾心式壓電懸臂板(103、104)也作縱向伸縮運(yùn)動(dòng)，從而改變接觸頭(106)與環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)表面之間的接觸力。當(dāng)給夾心式壓電懸臂板(103、104)的壓電陶瓷(105)施加同一頻率的余弦電壓信號(hào)時(shí)，夾心式壓電懸臂板(103、104)在壓電陶瓷(105)的逆壓電效應(yīng)作用下作四階彎曲振動(dòng)，但兩者的振動(dòng)方向相反，使得懸臂板(103)的接觸頭(106)向上(向下)振動(dòng)，懸臂板(104)的接觸頭向下(向上)振動(dòng)。當(dāng)同時(shí)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(gè)相位差為90°的正弦電壓信號(hào)時(shí)，兩接觸頭(106)在接觸區(qū)作橢圓運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是本發(fā)明超聲波電機(jī)壓電定子⑴的三維實(shí)體圖，圖中“ + 符號(hào)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(dòng)模態(tài)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(dòng)模態(tài)的正視圖和三維視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]如圖1、2所示，超聲波電機(jī)由壓電定子(I)和環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)組成。壓電定子(I)由金屬基座(101)、壓電疊堆(102)和兩個(gè)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(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠各粘接兩片極化方向相反的壓電陶瓷(105),形成夾心結(jié)構(gòu)。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(guò)預(yù)壓力與環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)的內(nèi)表面相接觸。壓電疊堆(102)由255片材料和結(jié)構(gòu)完全一致的環(huán)形壓電片粘接而成，壓電片之間的的粘接形式為機(jī)械上串聯(lián)、電學(xué)上并聯(lián)。
[0014]本發(fā)明實(shí)施方式中，接觸頭(106)的摩擦材料是由環(huán)氧樹(shù)脂膠、CuCKAl2O3和聚四氟乙烯等通過(guò)均勻攪拌后粘涂在接觸頭金屬基體上，并經(jīng)過(guò)高溫烘干進(jìn)行機(jī)械加工而成。
[0015]本發(fā)明實(shí)施方式中，接觸頭(106)與環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)表面的預(yù)壓力是通過(guò)環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)外表面的可調(diào)螺母實(shí)現(xiàn)的。
[0016]本發(fā)明實(shí)施方式中，當(dāng)給壓電疊堆(102)施加高頻交變的正弦電壓信號(hào)V1=Asinon時(shí)，壓電疊堆(102)作一階縱向伸縮振動(dòng)，如圖3所示，使得夾心式壓電懸臂板
(103,104)也作縱向伸縮運(yùn)動(dòng)，從而改變接觸頭(106)與環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)表面之間的接觸力。當(dāng)給夾心式壓電懸臂板(103、104)的壓電陶瓷(105)施加同一頻率的余弦電壓信號(hào)V2=Acoson時(shí)，夾心式壓電懸臂板(103、104)在壓電陶瓷(105)的逆壓電效應(yīng)作用下作二階彎曲振動(dòng)，如圖4所示，但兩者的振動(dòng)方向相反，懸臂板(103)的接觸頭(106)向上(向下)振動(dòng)，懸臂板(104)的接觸頭向下(向上)振動(dòng)。
[0017]在本發(fā)明實(shí)施中，當(dāng)同時(shí)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(shí)，兩接觸頭(106)在接觸區(qū)作橢圓運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0018]本發(fā)明實(shí)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(lì)電壓V2的方向，即V2=Acos (οη+180° )，可以改變環(huán)行轉(zhuǎn)子⑵的旋轉(zhuǎn)方向。
[0019]本發(fā)明實(shí)施方式中，為了調(diào)節(jié)壓電定子(I)的一階縱振動(dòng)模態(tài)頻率與二階彎曲振動(dòng)模態(tài)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(fā)明實(shí)施方式中，調(diào)諧后的壓電定子(I)的一階縱振動(dòng)模態(tài)頻率為29310Hz、二階彎曲振動(dòng)模態(tài)頻率為29271Hz，兩者之間的相對(duì)誤差為0.133%，滿足電機(jī)模態(tài)的調(diào)諧設(shè)計(jì)要求。
【權(quán)利要求】
1.一種縱-彎復(fù)合型超聲波電機(jī)，其特征在于:該超聲波電機(jī)由壓電定子(I)和環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)組成。壓電定子(I)由金屬基座(101)、壓電疊堆(102)和兩個(gè)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(guò)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(jié)構(gòu)。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(guò)預(yù)壓力與環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)的內(nèi)表面相接觸。壓電疊堆(102)由255片材料和結(jié)構(gòu)完全一致的環(huán)形壓電片粘接而成，壓電片之間的的粘接形式為機(jī)械上串聯(lián)、電學(xué)上并聯(lián)。當(dāng)給壓電疊堆(102)施加高頻交變的正弦電壓信號(hào)時(shí)，壓電疊堆(102)作一階縱向伸縮振動(dòng)，使得夾心式壓電懸臂板(103、104)也作縱向伸縮運(yùn)動(dòng)，從而改變接觸頭(106)與環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)內(nèi)表面之間的接觸力。當(dāng)給夾心式壓電懸臂板(103、104)的壓電陶瓷(105)施加同一頻率的余弦電壓信號(hào)時(shí)，夾心式壓電懸臂板(103、104)在壓電陶瓷(105)的逆壓電效應(yīng)作用下作四階彎曲振動(dòng)，但兩者的振動(dòng)方向相反，使得懸臂板(103)的接觸頭(106)向上(向下)振動(dòng)，懸臂板(104)的接觸頭向下(向上)振動(dòng)。當(dāng)同時(shí)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(gè)相位差為90°的正弦電壓信號(hào)時(shí)，兩接觸頭(106)在接觸區(qū)作橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)環(huán)形轉(zhuǎn)子(2)作逆時(shí)針(順時(shí)針)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縱-彎復(fù)合式超聲波電機(jī)，其特征在于:電機(jī)的工作模態(tài)為壓電定子(I)的一階縱振動(dòng)模態(tài)和二階彎曲振動(dòng)模態(tài)，壓電定子(I)的一階縱振動(dòng)模態(tài)頻率為29310Hz和二階彎曲振動(dòng)模態(tài)頻率為29271Hz。
【文檔編號(hào)】H02N2/12GK103560694SQ201310473350
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】王光慶 申請(qǐng)人:浙江工商大學(xué)