縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子，屬于壓電超聲電機技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電超聲電機是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在彈性體中激勵出超聲頻段內(nèi)的振動，在彈性體表面特定點或特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點運動，進而通過定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合將質(zhì)點的微觀運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、低速大轉(zhuǎn)矩/推力、功率/力矩密度高、定位精度高、響應(yīng)速度快、斷電自鎖、無電磁干擾且不受電磁干擾等優(yōu)點。
[0003]壓電超聲驅(qū)動技術(shù)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在彈性體中激勵出超聲頻段內(nèi)的振動，在彈性體表面特定點或特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點運動，進而通過定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合將質(zhì)點的微觀運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動的技術(shù)。壓電超聲驅(qū)動器具有低速大轉(zhuǎn)矩、無需變速機構(gòu)、無電磁干擾、響應(yīng)速度快和斷電自鎖等優(yōu)點。
[0004]縱彎復(fù)合超聲電機振子一般米用振子縱向振動和彎曲振動的復(fù)合實現(xiàn)單自由度的直線驅(qū)動；例如公開日為2007年8月22日、公開號為CN101022256、發(fā)明名稱為“帶調(diào)頻變幅桿的夾心換能器式縱彎直線超聲電機”的專利申請，它提出了一種帶調(diào)頻變幅桿的夾心換能器式縱彎直線超聲電機，解決了現(xiàn)有的夾心式縱彎復(fù)合直線超聲電機存在電機效率低下、噪聲大、磨損嚴重、難于系列化等不足，具有效率高、出力大、可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點。但是，這種超聲電機振子只能實現(xiàn)一個方向的直線驅(qū)動，不能滿足平面兩自由度驅(qū)動的需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有縱彎復(fù)合型超聲電機振子中難于實現(xiàn)平面兩自由度驅(qū)動的問題，本發(fā)明提供了一種縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子。
[0006]縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子，它包括中間梁、八片壓電陶瓷片和兩個后端蓋，所述中間梁包含兩個變幅桿和一個驅(qū)動足，驅(qū)動足的兩個側(cè)面分別與兩個變幅桿的末端面固定連接；后端蓋的一側(cè)中心位置設(shè)置有螺柱，所述每個螺柱均套裝有四片壓電陶瓷片，所述后端蓋通過螺柱旋合在變幅桿的首端，并實現(xiàn)壓電陶瓷片的壓緊；
[0007]所述八片壓電陶瓷片均沿厚度方向極化，在一個后端蓋至另一個后端蓋的方向上，八片壓電陶瓷片分別為第一個至第八個壓電陶瓷片，
[0008]第一個和第二個壓電陶瓷片均分為上下兩個半?yún)^(qū)進行極化，在第一個和第二個壓電陶瓷片中，同一個壓電陶瓷片的上下兩個半?yún)^(qū)的極化方向相反，且第一個和第二個壓電陶瓷片的兩個下半?yún)^(qū)極化方向相反，
[0009]第七個和第八個壓電陶瓷片分為上下兩個半?yún)^(qū)進行極化，第一個和第七個壓電陶瓷片極化方向相同，第二個和第八個壓電陶瓷片極化方向相同；
[0010]第三個、第四個、第五個和第六個壓電陶瓷片均分為左右兩個半?yún)^(qū)進行極化，在第三至第六個壓電陶瓷片中，同一個壓電陶瓷片上左右兩個半?yún)^(qū)的極化方向相同，第三個和第四個壓電陶瓷片極化方向相反，第四個和第五個壓電陶瓷片極化方向相同，第五個和第六個壓電陶瓷片極化方向相反；
[0011]第二個與第三個壓電陶瓷片之間、第四個壓電陶瓷片與變幅桿之間、變幅桿與第五個壓電陶瓷片之間、第六個與第七個壓電陶瓷片之間均設(shè)置有接地電極片，
[0012]第一個與第二個壓電陶瓷片之間、第七個與第八個壓電陶瓷片之間均設(shè)置有彎振電極片，
[0013]第三個與第四個壓電陶瓷片之間、第五個與第六個壓電陶瓷片之間均設(shè)置有兩個縱彎復(fù)用電極片，且上述的兩個縱彎復(fù)用電極片分別設(shè)置在所在的平面內(nèi)的左右兩側(cè)，且設(shè)置在同一平面內(nèi)的兩個縱彎復(fù)用電極片之間留有間隙。
[0014]所述的所有接地電極片與激勵信號公共端連接，所有彎振電極片與第一相驅(qū)動信號連接，所有縱彎復(fù)用電極片與第二相驅(qū)動信號連接，第一相驅(qū)動信號與第二相驅(qū)動信號在時間上具有90度的相位差。
[0015]所述所有接地電極片與激勵信號公共端連接，所有的彎振電極片與第一相驅(qū)動信號連接，
[0016]第三個和第四個壓電陶瓷片之間左側(cè)的縱彎復(fù)用電極片與第二相驅(qū)動信號連接、第五個和第六個壓電陶瓷片之間右側(cè)的縱彎復(fù)用電極片與第二相驅(qū)動信號連接；
[0017]第三個和第四個壓電陶瓷片之間右側(cè)的縱彎復(fù)用電極片與第三相驅(qū)動信號連接、第五個和第六個壓電陶瓷片之間左側(cè)的縱彎復(fù)用電極片與第三相驅(qū)動信號連接；
[0018]第一相驅(qū)動信號與第二相驅(qū)動信號之間在時間上具有90度的相位差，第二相驅(qū)動信號與第三相驅(qū)動信號在時間上具有180度的相位差。
[0019]所述后端蓋的橫截面大于壓電陶瓷片的橫截面。
[0020]所述變幅桿首端的橫截面大于或者等于壓電陶瓷片的橫截面。
[0021]本發(fā)明所述的縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子利用復(fù)合梁的偶數(shù)階縱向振動和兩個奇數(shù)階彎曲振動的復(fù)合實現(xiàn)單足的兩自由度直線致動。
[0022]軸向驅(qū)動模式:通過給兩個彎振電極片施加第一相交流激勵信號，壓電陶瓷上下兩個半?yún)^(qū)產(chǎn)生反相的伸縮，進而激勵出振子豎直方向的彎曲振動，具體參見圖6 ;通過給四個縱彎復(fù)用電極片施加第二相交流激勵信號，壓電陶瓷左右兩個半?yún)^(qū)產(chǎn)生同步的伸縮，進而激勵出振子的縱向振動，具體參見圖5 ;當超聲電機振子的偶數(shù)階縱向振動和奇數(shù)階彎曲振動的諧振頻率十分接近時，且縱向振動和彎曲振動在時間上具有90度相位差，則可以通過縱振和彎振的復(fù)合在驅(qū)動足處激發(fā)橢圓軌跡的振動，具體參見圖8，從而保證可以實現(xiàn)沿振子軸線方向的(軸向)直線致動，具體參見圖5和圖6，軸向驅(qū)動模式下，采用的是圖5和圖6所示兩個振動模態(tài)的組合實現(xiàn)驅(qū)動。
[0023]橫向驅(qū)動模式:通過給兩個彎振電極片施加第一相交流激勵信號，壓電陶瓷上下兩個半?yún)^(qū)產(chǎn)生反相的伸縮，進而激勵出振子豎直方向的彎曲振動，具體參見圖6 ;第三個和第四個壓電陶瓷片之間左側(cè)的縱彎復(fù)用電極片、第五個和第六個壓電陶瓷片之間右側(cè)的縱彎復(fù)用電極片與第二相驅(qū)動信號連接，第三個和第四個壓電陶瓷片之間右側(cè)的縱彎復(fù)用電極片、第五個和第六個壓電陶瓷片之間左側(cè)的縱彎復(fù)用電極片與第三相驅(qū)動信號連接，且第二相和第三相驅(qū)動信號之間具有180度相位差，則壓電陶瓷左右兩個半?yún)^(qū)產(chǎn)生反相的伸縮，進而激勵出振子水平方向的彎曲振動，具體參見圖7 ;當兩個彎曲振動在時間上具有90度相位差，則他們的復(fù)合在驅(qū)動足處激發(fā)橢圓軌跡的振動，具體參見圖8，從而保證可以實現(xiàn)垂直于振子軸線方向的(橫向)直線致動，具體參見圖6和圖7，軸向驅(qū)動模式下，采用的是圖6和圖7所示兩個振動模態(tài)的組合實現(xiàn)驅(qū)動。
[0024]本發(fā)明中，若動子為球體，則可以實現(xiàn)兩個自由度的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
[0025]本發(fā)明中，第三個、第四個、第五個和第六個壓電陶瓷片可以用于激勵振子的縱向振動，也可以用于激勵振子水平方向的彎曲振動，通過控制施加到四個縱彎復(fù)用電極片上的激勵信號，可以方便的實現(xiàn)兩種振動模態(tài)之間的切換，從而實現(xiàn)驅(qū)動輸出方向的切換。
[0026]本發(fā)明中，所有的壓電陶瓷片在軸向和橫向兩種工作模式下都處于工作狀態(tài)，壓電元件利用率高，機電耦合效率高，也可有效克服因閑置而引起的發(fā)熱嚴重問題。
[0027]本發(fā)明中，驅(qū)動足設(shè)置在振子中間部位，該處為偶數(shù)階縱向振動的波腹位置，同時也是奇數(shù)階彎曲振動的波腹位置，從而保證驅(qū)動足可以獲得最大的振幅和振速。
[0028]本發(fā)明帶來的有益效果是:本發(fā)明所述的縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子利用復(fù)合梁的偶數(shù)階縱向振動和兩個奇數(shù)階彎曲振動的復(fù)合實現(xiàn)單足的兩自由度直線致動，本發(fā)明電機振子能量轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱低、易于實現(xiàn)壓電陶瓷的最佳布置，加工裝配十分簡便，便于實現(xiàn)系列化和商品化。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明所述的縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子的立體結(jié)構(gòu)示意圖，
[0030]圖2是圖1所示縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子的剖視圖，
[0031]圖3是圖1所示縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子中壓電陶瓷2的極化方向示意圖，
[0032]圖4是圖1所示縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子拆除左側(cè)端蓋3、三片壓電陶瓷2之后的立體圖，
[0033]圖5是圖1所示縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子縱向振動模態(tài)振型圖，
[0034]圖6是圖1所示縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子豎直方向彎曲振動模態(tài)振型圖，
[0035]圖7是圖1所示縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子水平方向彎曲振動模態(tài)振型圖，
[0036]圖8是圖1所示縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子工作時推動動子運動的示意圖，附圖標記7表示動子。
【具體實施方式】
[0037]【具體實施方式】一:參見圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式所述的縱彎復(fù)合單足兩自由度超聲電機振子，它包括中間梁1、八片壓電陶瓷片2和兩個后端蓋3，其特征在于，所述中間梁1