纵弯复合单足两自由度超声电机振子的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种纵弯复合单足两自由度超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。
【背景技术】
[0002]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，具有结构简单、设计灵活、低速大转矩/推力、功率/力矩密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰且不受电磁干扰等优点。
[0003]压电超声驱动技术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技术。压电超声驱动器具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。
[0004]纵弯复合超声电机振子一般米用振子纵向振动和弯曲振动的复合实现单自由度的直线驱动；例如公开日为2007年8月22日、公开号为CN101022256、发明名称为“带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机”的专利申请，它提出了一种带调频变幅杆的夹心换能器式纵弯直线超声电机，解决了现有的夹心式纵弯复合直线超声电机存在电机效率低下、噪声大、磨损严重、难于系列化等不足，具有效率高、出力大、可系列化生产的优点。但是，这种超声电机振子只能实现一个方向的直线驱动，不能满足平面两自由度驱动的需求。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决现有纵弯复合型超声电机振子中难于实现平面两自由度驱动的问题，本发明提供了一种纵弯复合单足两自由度超声电机振子。
[0006]纵弯复合单足两自由度超声电机振子，它包括中间梁、八片压电陶瓷片和两个后端盖，所述中间梁包含两个变幅杆和一个驱动足，驱动足的两个侧面分别与两个变幅杆的末端面固定连接；后端盖的一侧中心位置设置有螺柱，所述每个螺柱均套装有四片压电陶瓷片，所述后端盖通过螺柱旋合在变幅杆的首端，并实现压电陶瓷片的压紧；
[0007]所述八片压电陶瓷片均沿厚度方向极化，在一个后端盖至另一个后端盖的方向上，八片压电陶瓷片分别为第一个至第八个压电陶瓷片，
[0008]第一个和第二个压电陶瓷片均分为上下两个半区进行极化，在第一个和第二个压电陶瓷片中，同一个压电陶瓷片的上下两个半区的极化方向相反，且第一个和第二个压电陶瓷片的两个下半区极化方向相反，
[0009]第七个和第八个压电陶瓷片分为上下两个半区进行极化，第一个和第七个压电陶瓷片极化方向相同，第二个和第八个压电陶瓷片极化方向相同；
[0010]第三个、第四个、第五个和第六个压电陶瓷片均分为左右两个半区进行极化，在第三至第六个压电陶瓷片中，同一个压电陶瓷片上左右两个半区的极化方向相同，第三个和第四个压电陶瓷片极化方向相反，第四个和第五个压电陶瓷片极化方向相同，第五个和第六个压电陶瓷片极化方向相反；
[0011]第二个与第三个压电陶瓷片之间、第四个压电陶瓷片与变幅杆之间、变幅杆与第五个压电陶瓷片之间、第六个与第七个压电陶瓷片之间均设置有接地电极片，
[0012]第一个与第二个压电陶瓷片之间、第七个与第八个压电陶瓷片之间均设置有弯振电极片，
[0013]第三个与第四个压电陶瓷片之间、第五个与第六个压电陶瓷片之间均设置有两个纵弯复用电极片，且上述的两个纵弯复用电极片分别设置在所在的平面内的左右两侧，且设置在同一平面内的两个纵弯复用电极片之间留有间隙。
[0014]所述的所有接地电极片与激励信号公共端连接，所有弯振电极片与第一相驱动信号连接，所有纵弯复用电极片与第二相驱动信号连接，第一相驱动信号与第二相驱动信号在时间上具有90度的相位差。
[0015]所述所有接地电极片与激励信号公共端连接，所有的弯振电极片与第一相驱动信号连接，
[0016]第三个和第四个压电陶瓷片之间左侧的纵弯复用电极片与第二相驱动信号连接、第五个和第六个压电陶瓷片之间右侧的纵弯复用电极片与第二相驱动信号连接；
[0017]第三个和第四个压电陶瓷片之间右侧的纵弯复用电极片与第三相驱动信号连接、第五个和第六个压电陶瓷片之间左侧的纵弯复用电极片与第三相驱动信号连接；
[0018]第一相驱动信号与第二相驱动信号之间在时间上具有90度的相位差，第二相驱动信号与第三相驱动信号在时间上具有180度的相位差。
[0019]所述后端盖的横截面大于压电陶瓷片的横截面。
[0020]所述变幅杆首端的横截面大于或者等于压电陶瓷片的横截面。
[0021]本发明所述的纵弯复合单足两自由度超声电机振子利用复合梁的偶数阶纵向振动和两个奇数阶弯曲振动的复合实现单足的两自由度直线致动。
[0022]轴向驱动模式:通过给两个弯振电极片施加第一相交流激励信号，压电陶瓷上下两个半区产生反相的伸缩，进而激励出振子竖直方向的弯曲振动，具体参见图6 ;通过给四个纵弯复用电极片施加第二相交流激励信号，压电陶瓷左右两个半区产生同步的伸缩，进而激励出振子的纵向振动，具体参见图5 ;当超声电机振子的偶数阶纵向振动和奇数阶弯曲振动的谐振频率十分接近时，且纵向振动和弯曲振动在时间上具有90度相位差，则可以通过纵振和弯振的复合在驱动足处激发椭圆轨迹的振动，具体参见图8，从而保证可以实现沿振子轴线方向的(轴向)直线致动，具体参见图5和图6，轴向驱动模式下，采用的是图5和图6所示两个振动模态的组合实现驱动。
[0023]横向驱动模式:通过给两个弯振电极片施加第一相交流激励信号，压电陶瓷上下两个半区产生反相的伸缩，进而激励出振子竖直方向的弯曲振动，具体参见图6 ;第三个和第四个压电陶瓷片之间左侧的纵弯复用电极片、第五个和第六个压电陶瓷片之间右侧的纵弯复用电极片与第二相驱动信号连接，第三个和第四个压电陶瓷片之间右侧的纵弯复用电极片、第五个和第六个压电陶瓷片之间左侧的纵弯复用电极片与第三相驱动信号连接，且第二相和第三相驱动信号之间具有180度相位差，则压电陶瓷左右两个半区产生反相的伸缩，进而激励出振子水平方向的弯曲振动，具体参见图7 ;当两个弯曲振动在时间上具有90度相位差，则他们的复合在驱动足处激发椭圆轨迹的振动，具体参见图8，从而保证可以实现垂直于振子轴线方向的(横向)直线致动，具体参见图6和图7，轴向驱动模式下，采用的是图6和图7所示两个振动模态的组合实现驱动。
[0024]本发明中，若动子为球体，则可以实现两个自由度的旋转驱动。
[0025]本发明中，第三个、第四个、第五个和第六个压电陶瓷片可以用于激励振子的纵向振动，也可以用于激励振子水平方向的弯曲振动，通过控制施加到四个纵弯复用电极片上的激励信号，可以方便的实现两种振动模态之间的切换，从而实现驱动输出方向的切换。
[0026]本发明中，所有的压电陶瓷片在轴向和横向两种工作模式下都处于工作状态，压电元件利用率高，机电耦合效率高，也可有效克服因闲置而引起的发热严重问题。
[0027]本发明中，驱动足设置在振子中间部位，该处为偶数阶纵向振动的波腹位置，同时也是奇数阶弯曲振动的波腹位置，从而保证驱动足可以获得最大的振幅和振速。
[0028]本发明带来的有益效果是:本发明所述的纵弯复合单足两自由度超声电机振子利用复合梁的偶数阶纵向振动和两个奇数阶弯曲振动的复合实现单足的两自由度直线致动，本发明电机振子能量转换效率高、发热低、易于实现压电陶瓷的最佳布置，加工装配十分简便，便于实现系列化和商品化。
【附图说明】
[0029]图1是本发明所述的纵弯复合单足两自由度超声电机振子的立体结构示意图，
[0030]图2是图1所示纵弯复合单足两自由度超声电机振子的剖视图，
[0031]图3是图1所示纵弯复合单足两自由度超声电机振子中压电陶瓷2的极化方向示意图，
[0032]图4是图1所示纵弯复合单足两自由度超声电机振子拆除左侧端盖3、三片压电陶瓷2之后的立体图，
[0033]图5是图1所示纵弯复合单足两自由度超声电机振子纵向振动模态振型图，
[0034]图6是图1所示纵弯复合单足两自由度超声电机振子竖直方向弯曲振动模态振型图，
[0035]图7是图1所示纵弯复合单足两自由度超声电机振子水平方向弯曲振动模态振型图，
[0036]图8是图1所示纵弯复合单足两自由度超声电机振子工作时推动动子运动的示意图，附图标记7表示动子。
【具体实施方式】
[0037]【具体实施方式】一:参见图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的纵弯复合单足两自由度超声电机振子，它包括中间梁1、八片压电陶瓷片2和两个后端盖3，其特征在于，所述中间梁1