一種縱-彎-扭轉復合型旋轉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-扭轉復合型旋轉式超聲波電機壓電振子，屬于超聲波電機制造【技術領域】。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-金屬復合彈性梁(3)、質量塊(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-金屬復合彈性梁(3)與質量塊(4)在空間上構成T型結構。當給壓電疊堆-金屬復合彈性梁(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)產生往復軸向和繞其中心軸扭轉的合成振動，該振動推動轉子作旋轉運動。
【專利說明】 一種縱-彎-扭轉復合型旋轉式超聲波電機壓電振子
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種縱-彎-扭轉復合型旋轉式超聲波電機壓電振子，可以實現(xiàn)精密驅動與定位功能，屬于超聲波電機制造的【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，然后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、不受電磁干擾、定位精度高、噪聲小、可直接驅動負載等優(yōu)點，廣泛應用于國防、軍事、工業(yè)、醫(yī)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壓電振子結構主要是環(huán)行、縱扭復合型等機構，這些壓電振子結構復雜，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構，縱扭復合型超聲波電機通過設計結構復雜的壓電振子以便調諧縱振模態(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)和扭轉振動模態(tài)難以獨立控制，造成電機驅動控制器的設計煩瑣復雜。復雜結構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格的領域(如微驅動技術)的應用。
實用新型內容
[0004]本實用新型提出一種縱-彎-扭轉復合型旋轉式超聲波電機壓電振子，該振子結構簡單，便于加工制作；且振子的縱振動模態(tài)和彎曲/扭轉振動模態(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-金屬復合彈性梁(3)、質量塊(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，形成夾心結構；雙壓電晶片懸臂梁B(2)由負向極化壓電陶瓷(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，形成夾心結構；雙壓電晶片懸臂梁A(I)的左端與基座
(8)固定，右端與質量塊(4)相連。雙壓電晶片懸臂梁B(2)的右端與基座(6)固定，左端與質量塊(4)相連。壓電疊堆-金屬復合彈性梁(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-金屬復合彈性梁(3)的上端與質量塊(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-金屬復合彈性梁(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，推動質量塊(4)和環(huán)行接觸體(5) —起作上、下往復振動。當環(huán)行接觸體(5)作向上的振動時，迫使環(huán)行接觸體
(5)與轉子壓緊接觸。當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(huán)行接觸體(5)產生繞其中心軸的扭轉運動。環(huán)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，兩者合成后，在環(huán)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構剖面示意圖；
[0009]圖2是本實用新型的總體結構俯視圖；
[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/扭轉振動形變圖；
[0013]圖6是壓電振子環(huán)行接觸體(5)表面質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-扭轉復合型旋轉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-金屬復合彈性梁(3)、質量塊(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，形成夾心結構；雙壓電晶片懸臂梁B(2)由負向極化壓電陶瓷(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，形成夾心結構；雙壓電晶片懸臂梁A(I)的左端與基座(8)固定，右端與質量塊(4)相連。雙壓電晶片懸臂梁B(2)的右端與基座(6)固定，左端與質量塊(4)相連。壓電疊堆-金屬復合彈性梁(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-金屬復合彈性梁(3)的上端與質量塊
(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-金屬復合彈性梁(3)與質量塊(4)在空間上構成T型結構。
[0015]本實用新型實施方式中，當給壓電疊堆-金屬復合彈性梁(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，推動質量塊(4)和環(huán)行接觸體(5) —起作上、下往復振動，如圖4所示。當環(huán)行接觸體(5)作向上的振動時，迫使環(huán)行接觸體(5)與轉子壓緊接觸。當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(huán)行接觸體(5)產生繞其中心軸的扭轉運動。當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)同時作上下往復縱振動和繞其中心軸的扭轉運動，兩者合成后，在環(huán)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。
[0016]本實用新型實施方式中，為了調節(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-金屬復合彈性梁(3)的長度，減小壓電疊堆-金屬復合彈性梁
(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]經過上述調節(jié)設計，設計的一種縱-彎-扭轉復合型旋轉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)表面質點的橢圓運動軌跡。
【權利要求】
1.一種縱-彎-扭轉復合型旋轉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-金屬復合彈性梁(3)、質量塊(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，形成夾心結構；雙壓電晶片懸臂梁B(2)由負向極化壓電陶瓷(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，形成夾心結構；壓電疊堆-金屬復合彈性梁(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-金屬復合彈性梁(3)與質量塊(4)在空間上構成T型結構；當給壓電疊堆-金屬復合彈性梁(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)同時作上下往復縱振動和繞其中心軸的扭轉運動，兩者合成后，在環(huán)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(jù)權利要求1所述的一種縱-彎-扭轉復合型旋轉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)先權日:2013年9月27日
【發(fā)明者】王光慶 申請人:浙江工商大學