[发明专利]分区激励式复合弯振直线超声电机振子

说明书

技术领域

本发明涉及一种分区激励式复合弯振直线超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

压电超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过定子、转子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动的电机，它具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。

夹心式超声电机采用压电陶瓷高机电耦合效率的d₃₃模式工作，可有效提高电机的机械输出特性。但是，目前多数夹心式超声电机采用异型振动模态的复合实现驱动区域质点椭圆振动轨迹的激励，设计过程中首先面临的问题是异型振动模态特征频率之间的简并问题，这给电机的结构带来了诸多限制，难于实现系列化。中国专利《弯振模态梁式直线超声电机振子》，公开号为CN101626203A，公开日为2010年1月13日，首次提出了一种采用同型正交弯振模态实现双驱动足直线驱动的压电超声电机新构型，成功的避免了设计过程中的模态简并问题，具有结构简单、设计灵活、可系列化生产等优点；但是，由于压电陶瓷设置的非对称性，使得两个驱动足振动特性并不一致，限制了该电机推力和速度的提高；此外，该电机采用极化方向相反的半片弯振压电陶瓷片的组合实现其弯振模态的激励，其弯振模态振型说明弯振压电陶瓷片上靠近振子轴线部分应变很小，则弯振压电陶瓷靠近中性面的部分对于弯振的激励贡献很小，因此，对整片弯振压电陶瓷片施加等幅度的激励电压并不合理，这会导致振子能量转换效率的降低。

发明内容

为了解决现有弯振模态梁式直线超声电机振子的驱动足振动特性不一致，弯振压电陶瓷片的切分组合设置不合理的问题，提供一种分区激励式复合弯振直线超声电机振子。

本发明所述分区激励式复合弯振直线超声电机振子，它包括两个驱动足、两个端盖、四对弯振压电陶瓷片、法兰、两个薄壁梁、两个安装座、绝缘套和八个电极片，

所述端盖为截面为方形或者圆形并逐渐变细的块体，端盖的大端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，

所述法兰的两个端面的中心均设置一个螺柱，每个螺柱上均套接两对弯振压电陶瓷片，每个螺柱的端部与一个端盖的盲孔旋合，将该两对弯振压电陶瓷片压紧，

相邻弯振压电陶瓷片之间以及弯振压电陶瓷片与法兰的接触面之间均设置电极片，

每根螺柱上的所有弯振压电陶瓷片和所有电极片与该螺柱的接触面之间设置绝缘套，

法兰的两个相对的侧面上对称设置两个薄壁梁，每个薄壁梁的外侧均设置有一个安装座，

每个端盖的小端面上设置有驱动足，驱动足为截面与该小端面形状相同的块体；

每片弯振压电陶瓷片切分成位于两端的两片同样大小的无中心孔矩形压电陶瓷片和中间的带中心孔矩形压电陶瓷片。

所述所有无中心孔矩形压电陶瓷片均沿厚度方向极化，所有带中心孔矩形压电陶瓷片不极化，

每片弯振压电陶瓷片的两片无中心孔矩形压电陶瓷片的极化方向相反；

每对弯振压电陶瓷片中位置相对应的两片无中心孔矩形压电陶瓷片的极化方向相反，

与法兰相邻的两对弯振压电陶瓷片的切分线相互平行，分别与端盖相邻的两对弯振压电陶瓷片的切分线相互平行，

同一螺柱上的两对弯振压电陶瓷片的切分线相互垂直。

本发明的优点是：本发明采用沿厚度方向极化的四对弯振压电陶瓷片实现振子的两个同型正交二阶弯曲振动模态的激励，由于采用同型模态，不存在模态间的频率简并问题，使得振子设计具备很大的灵活性。

本发明在使用中，采用幅值相等、频率为振子二阶弯振特征频率、相位差为+90°的两相交流电压信号激励，利用压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个同型正交的二阶弯曲振动模态，两个弯曲振动模态叠加在两个驱动足表面质点产生同向的椭圆运动轨迹，进而通过驱动足和动子之间的摩擦耦合实现动子的宏观运动输出，两个驱动足同时参与驱动，可以成倍的提高电机的机械输出能力。如果调整两相激励信号的相位差为-90°，可以实现反向驱动。

本发明的压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d₃₃模式工作，可以有效提高振子机电耦合效率、改善机械输出能力。端盖采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高驱动足表面质点的振幅和振速，使得电机性能得到提高；薄壁梁可以实现弹性支撑和振动隔离，将安装座与其它构件的连接对振子的弯曲振动模态的影响程度降到最低。