一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電振子的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電振子，屬于超聲波電機制造【技術(shù)領(lǐng)域】。該壓電振子由雙壓電晶片懸臂梁A(1)、雙壓電晶片懸臂梁B(2)、壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)、質(zhì)量塊(4)、環(huán)行接觸體(5)和基座(6)組成。雙壓電晶片懸臂梁A(1)、雙壓電晶片懸臂梁B(2)和壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)與質(zhì)量塊(4)在空間上構(gòu)成T型結(jié)構(gòu)。當(dāng)給壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)的壓電疊堆(301)、雙壓電晶片懸臂梁A(1)和B(2)的壓電陶瓷施加相位差為90°的同頻率、同幅值交流電壓時，環(huán)行接觸體(5)產(chǎn)生往復(fù)軸向和繞其中心軸扭轉(zhuǎn)的合成振動，該振動推動轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運動。
【專利說明】 一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電振子
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電振子，可以實現(xiàn)精密驅(qū)動與定位功能，屬于超聲波電機制造的【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]超聲波電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為電機定子的振動，然后通過電機定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)(或直線)運動。超聲波電機具有結(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)動負(fù)載等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國防、軍事、工業(yè)、醫(yī)療以及國民生產(chǎn)生活等各個領(lǐng)域。
[0003]國內(nèi)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壓電振子結(jié)構(gòu)主要是環(huán)行、縱扭復(fù)合型等機構(gòu)，這些壓電振子結(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齒狀結(jié)構(gòu)，縱扭復(fù)合型超聲波電機通過設(shè)計結(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。另外，該電機的縱振動模態(tài)和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)難以獨立控制，造成電機驅(qū)動控制器的設(shè)計煩瑣復(fù)雜。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壓電振子使得上述超聲波電機難以微型化，不利于在空間尺寸要求比較嚴(yán)格的領(lǐng)域(如微驅(qū)動技術(shù))的應(yīng)用。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型提出一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電振子，該振子結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制作；且振子的縱振動模態(tài)和彎曲/扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)可以分別獨立控制。
[0005]本實用新型采用的實施方案是:該超聲波電機壓電振子由雙壓電晶片懸臂梁A(I)、雙壓電晶片懸臂梁B(2)、壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)、質(zhì)量塊(4)、環(huán)行接觸體
(5)和基座(6)組成。雙壓電晶片懸臂梁A(I)由正向極化壓電陶瓷(101)和負(fù)向極化壓電陶瓷(103)通過環(huán)氧樹脂膠粘接在金屬基體(102)的前、后表面，形成夾心結(jié)構(gòu)；雙壓電晶片懸臂梁B(2)由負(fù)向極化壓電陶瓷(201)和正向極化壓電陶瓷(203)通過環(huán)氧樹脂膠粘接在金屬基體(202)的前、后表面，形成夾心結(jié)構(gòu)；雙壓電晶片懸臂梁A(I)的左端與基座
(8)固定，右端與質(zhì)量塊(4)相連。雙壓電晶片懸臂梁B(2)的右端與基座(6)固定，左端與質(zhì)量塊(4)相連。壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)由壓電疊堆(301)通過環(huán)氧樹脂膠與金屬彈性體(302)相連成一體，壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)的上端與質(zhì)量塊(4)相連，下端固定在基座(7)上。雙壓電晶片懸臂梁A(I)、雙壓電晶片懸臂梁B(2)和壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)與質(zhì)量塊(4)在空間上構(gòu)成T型結(jié)構(gòu)。當(dāng)給疊堆式壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)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(chǎn)生沿其軸線的上下伸縮振動，該振動通過金屬彈性體(302)的放大作用后，推動質(zhì)量塊(4)和環(huán)行接觸體(5) —起作上、下往復(fù)振動。當(dāng)環(huán)行接觸體(5)作向上的振動時，迫使環(huán)行接觸體
(5)與轉(zhuǎn)子壓緊接觸。當(dāng)給雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)的壓電陶瓷施加一個與V1同頻率、同幅值的余弦交流電壓V2W，雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)同時作等幅、反向的彎曲振動。雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)的反向彎曲振動作用在質(zhì)量塊(4)上，形成一個扭轉(zhuǎn)力矩，該扭轉(zhuǎn)力矩驅(qū)動質(zhì)量塊(4)和環(huán)行接觸體(5)產(chǎn)生繞其中心軸的扭轉(zhuǎn)運動。環(huán)行接觸體(5)同時作上下往復(fù)縱振動和繞其中心軸的扭轉(zhuǎn)運動，兩者合成后，在環(huán)行接觸體(5)的表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動軌跡，該軌跡推動轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運動。
[0006]本實用新型采用的實施方案是:電機壓電振子工作模態(tài)選擇壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)的一階縱振動模態(tài)、雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)的一階彎曲振動模態(tài)。
[0007]本實用新型采用的實施方案是:電機壓電振子的工作頻率為18880Hz。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本實用新型的總體結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0009]圖2是本實用新型的總體結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0010]圖3是本實用新型的三維實體視圖；
[0011]圖4是本實用新型的壓電振子一階縱振動形變圖；
[0012]圖5是本實用新型的壓電振子一階彎曲/扭轉(zhuǎn)振動形變圖；
[0013]圖6是壓電振子環(huán)行接觸體(5)表面質(zhì)點的橢圓運動軌跡圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖1、2和3所示，一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電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-金屬復(fù)合彈性梁(3)、質(zhì)量塊(4)、環(huán)行接觸體(5)和基座(6)組成。雙壓電晶片懸臂梁A(I)由正向極化壓電陶瓷(101)和負(fù)向極化壓電陶瓷(103)通過環(huán)氧樹脂膠粘接在金屬基體(102)的前、后表面，形成夾心結(jié)構(gòu)；雙壓電晶片懸臂梁B(2)由負(fù)向極化壓電陶瓷(201)和正向極化壓電陶瓷(203)通過環(huán)氧樹脂膠粘接在金屬基體(202)的前、后表面，形成夾心結(jié)構(gòu)；雙壓電晶片懸臂梁A(I)的左端與基座(8)固定，右端與質(zhì)量塊(4)相連。雙壓電晶片懸臂梁B(2)的右端與基座(6)固定，左端與質(zhì)量塊(4)相連。壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)由壓電疊堆(301)通過環(huán)氧樹脂膠與金屬彈性體(302)相連成一體，壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)的上端與質(zhì)量塊
(4)相連，下端固定在基座(7)上。雙壓電晶片懸臂梁A(I)、雙壓電晶片懸臂梁B(2)和壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)與質(zhì)量塊(4)在空間上構(gòu)成T型結(jié)構(gòu)。
[0015]本實用新型實施方式中，當(dāng)給壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)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(chǎn)生沿其軸線的上下伸縮振動，該振動通過金屬彈性體(302)的放大作用后，推動質(zhì)量塊(4)和環(huán)行接觸體(5) —起作上、下往復(fù)振動，如圖4所示。當(dāng)環(huán)行接觸體(5)作向上的振動時，迫使環(huán)行接觸體(5)與轉(zhuǎn)子壓緊接觸。當(dāng)給雙壓電晶片懸臂梁A(I)、雙壓電晶片懸臂梁B(2)的壓電陶瓷施加一個與V1同頻率、同幅值的余弦交流電壓^時，雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)同時作等幅、反向的彎曲振動，如圖5所示。雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)的反向彎曲振動作用在質(zhì)量塊(4)上，形成一個扭轉(zhuǎn)力矩，該扭轉(zhuǎn)力矩驅(qū)動質(zhì)量塊(4)和環(huán)行接觸體(5)產(chǎn)生繞其中心軸的扭轉(zhuǎn)運動。當(dāng)同時雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)的壓電陶瓷、壓電疊堆-金屬復(fù)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(huán)行接觸體(5)同時作上下往復(fù)縱振動和繞其中心軸的扭轉(zhuǎn)運動，兩者合成后，在環(huán)行接觸體(5)的表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動軌跡，該軌跡推動轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運動。
[0016]本實用新型實施方式中，為了調(diào)節(jié)如圖4的一階縱振模態(tài)頻率與如圖5的一階彎曲/扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)頻率的一致性，采用如下措施:
[0017]1、減小壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)的長度，減小壓電疊堆-金屬復(fù)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(tài)的頻率；
[0018]2、增長雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)的長度。增長雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)的長度，可以減小雙壓電晶片懸臂梁A(I)和雙壓電晶片懸臂梁B(2)的彎曲剛度，進而減小懸臂梁的彎曲振動頻率。
[0019]經(jīng)過上述調(diào)節(jié)設(shè)計，設(shè)計的一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電振子的工作頻率為18880Hz。圖6是壓電振子環(huán)行接觸體(5)表面質(zhì)點的橢圓運動軌跡。
【權(quán)利要求】
1.一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電振子，其特征在于:該超聲波電機壓電振子由雙壓電晶片懸臂梁A(I)、雙壓電晶片懸臂梁B (2)、壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)、質(zhì)量塊(4)、環(huán)行接觸體(5)和基座(6)組成；雙壓電晶片懸臂梁A(I)由正向極化壓電陶瓷(101)和負(fù)向極化壓電陶瓷(103)通過環(huán)氧樹脂膠粘接在金屬基體(102)的前、后表面，形成夾心結(jié)構(gòu)；雙壓電晶片懸臂梁B(2)由負(fù)向極化壓電陶瓷(201)和正向極化壓電陶瓷(203)通過環(huán)氧樹脂膠粘接在金屬基體(202)的前、后表面，形成夾心結(jié)構(gòu)；壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)由壓電疊堆(301)通過環(huán)氧樹脂膠與金屬彈性體(302)相連成一體；雙壓電晶片懸臂梁A(l)、雙壓電晶片懸臂梁B(2)和壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)與質(zhì)量塊(4)在空間上構(gòu)成T型結(jié)構(gòu)；當(dāng)給壓電疊堆-金屬復(fù)合彈性梁(3)的壓電疊堆(301)施加超聲頻域的正弦交流電壓，給雙壓電晶片懸臂梁A(I)、雙壓電晶片懸臂梁B(2)的壓電陶瓷施加與V1同頻率、同幅值的余弦交流電壓V2時，環(huán)行接觸體(5)同時作上下往復(fù)縱振動和繞其中心軸的扭轉(zhuǎn)運動，兩者合成后，在環(huán)行接觸體(5)的表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動軌跡，該軌跡推動轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縱-彎-扭轉(zhuǎn)復(fù)合型旋轉(zhuǎn)式超聲波電機壓電振子，其特征在于:電機壓電振子的工作頻率為18880Hz。
【文檔編號】H02N2/12GK203596763SQ201320607778
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】王光慶 申請人:浙江工商大學(xué)