一种纵-弯复合式超声波电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种纵-弯复合型超声波电机，属于超声波电机制造的【技术领域】。该电机由压电定子和环形转子组成。压电定子由金属基座、压电叠堆和压电悬臂板组成。压电悬臂板的金属基体上、下表面通过胶粘剂各粘接两片极化方向相反的压电陶瓷，形成夹心结构。电悬臂板的一端与金属基座固定，另一端是带有摩擦材料的接触头，它通过预压力与环形转子的内表面相接触。压电叠堆由255片材料和结构完全一致的方形压电片粘接而成，压电片之间的粘接形式为机械上串联、电学上并联。当同时给压电叠堆和压电悬臂板的压电陶瓷施加一个相位差为90°的正弦电压信号时，两接触头作椭圆轨迹运动，并通过摩擦力驱动环形转子作旋转运动。
【专利说明】一种纵-弯复合式超声波电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纵-弯复合式超声波电机，可以实现精密驱动与定位功能，属于超声波电机制造的【技术领域】。
技术背景
[0002]超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为电机定子的振动，然后通过电机定子和转子之间的摩擦耦合驱动电机转子作旋转(或直线)运动。超声波电机具有结构紧凑、低速大力矩、响应速度快、控制特性好、不受电磁干扰、定位精度高、噪声小、可直接驱动负载等优点，广泛应用于国防、军事、工业、医疗以及国民生产生活等各个领域。
[0003]国内外有较多的专利申请涉及压电超声波电机，典型的压电超声波电机结构主要是环行行波型，它是由两个驻波复合而成。纵扭复合型电机是由压电振子的纵振动和剪切振动模态复合而成。但这些超声波电机结构复杂，加工工艺烦琐，如环行行波型超声波的压电振子表面加工了几十个齿状结构，纵扭复合型超声波电机通过设计结构复杂的压电振子以便调谐纵振模态和扭振模态的频率一致性。复杂结构的超声波电机不利于电机的轻型化和微型化，在一些空间环境要求高的特殊场合难以推广应用。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种纵-弯复合式超声波电机，该电机应用压电定子的一阶纵振动模态和二阶弯曲振动模态，实现压电定子的接触头的椭圆运动。该电机结构简单、加工制作工艺方便。
[0005]本发明采用的实施方案是:该超声波电机由压电定子(I)和环形转子(2)组成。压电定子⑴由金属基座(101)、压电叠堆(102)和两个夹心式压电悬臂板(103、104)组成，夹心式压电悬臂板(103、104)的金属基体的上、下表面通过环氧树脂胶各粘接两片极化方向相反的压电陶瓷(105),形成夹心结构。夹心式压电悬臂板(103、104)的一端与金属基座
(101)固定，另一端是带有摩擦材料的接触头(106)，它通过预压力与环形转子(2)的内表面相接触。压电叠堆(102)由255片材料和结构完全一致的环形压电片粘接而成，压电片之间的的粘接形式为机械上串联、电学上并联。
[0006]本发明实施方式中，接触头(106)的摩擦材料是由环氧树脂胶、CuO, Al2O3和聚四氟乙烯等通过均匀搅拌后粘涂在接触头金属基体上，并经过高温烘干进行机械加工而成。
[0007]本发明实施方式中，接触头(106)与环形转子(2)内表面的预压力是通过环形转子(2)外表面的可调螺母实现的。
[0008]本发明实施方式中，当给压电叠堆(102)施加高频交变的正弦电压信号时，压电叠堆(102)作一阶纵向伸缩振动，使得夹心式压电悬臂板(103、104)也作纵向伸缩运动，从而改变接触头(106)与环形转子(2)内表面之间的接触力。当给夹心式压电悬臂板(103、104)的压电陶瓷(105)施加同一频率的余弦电压信号时，夹心式压电悬臂板(103、104)在压电陶瓷(105)的逆压电效应作用下作四阶弯曲振动，但两者的振动方向相反，使得悬臂板(103)的接触头(106)向上(向下)振动，悬臂板(104)的接触头向下(向上)振动。当同时给压电叠堆(102)和夹心式压电悬臂板(103、104)在压电陶瓷(105)施加一个相位差为90°的正弦电压信号时，两接触头(106)在接触区作椭圆运动，并通过摩擦力驱动环形转子(2)作旋转运动。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明的总体结构示意图；
[0010]图2是本发明超声波电机压电定子⑴的三维实体图，图中“ + 符号表示压电陶瓷的极化方向；
[0011]图3是压电定子(I)的一阶纵振动模态的正视图和三维视图；
[0012]图4是压电定子⑴的二阶弯曲振动模态的正视图和三维视图。
【具体实施方式】
[0013]如图1、2所示，超声波电机由压电定子(I)和环形转子(2)组成。压电定子(I)由金属基座(101)、压电叠堆(102)和两个夹心式压电悬臂板(103、104)组成，夹心式压电悬臂板(103、104)的金属基体的上、下表面通过环氧树脂胶各粘接两片极化方向相反的压电陶瓷(105),形成夹心结构。夹心式压电悬臂板(103、104)的一端与金属基座(101)固定，另一端是带有摩擦材料的接触头(106)，它通过预压力与环形转子(2)的内表面相接触。压电叠堆(102)由255片材料和结构完全一致的环形压电片粘接而成，压电片之间的的粘接形式为机械上串联、电学上并联。
[0014]本发明实施方式中，接触头(106)的摩擦材料是由环氧树脂胶、CuCKAl2O3和聚四氟乙烯等通过均匀搅拌后粘涂在接触头金属基体上，并经过高温烘干进行机械加工而成。
[0015]本发明实施方式中，接触头(106)与环形转子(2)内表面的预压力是通过环形转子(2)外表面的可调螺母实现的。
[0016]本发明实施方式中，当给压电叠堆(102)施加高频交变的正弦电压信号V1=Asinon时，压电叠堆(102)作一阶纵向伸缩振动，如图3所示，使得夹心式压电悬臂板
(103,104)也作纵向伸缩运动，从而改变接触头(106)与环形转子(2)内表面之间的接触力。当给夹心式压电悬臂板(103、104)的压电陶瓷(105)施加同一频率的余弦电压信号V2=Acoson时，夹心式压电悬臂板(103、104)在压电陶瓷(105)的逆压电效应作用下作二阶弯曲振动，如图4所示，但两者的振动方向相反，悬臂板(103)的接触头(106)向上(向下)振动，悬臂板(104)的接触头向下(向上)振动。
[0017]在本发明实施中，当同时给压电叠堆(102)施加V1=Asincot、给夹心式压电悬臂板(103、104)的压电陶瓷(105)施加V2=Acos on时，两接触头(106)在接触区作椭圆运动，并通过摩擦力驱动环形转子(2)作旋转运动。
[0018]本发明实施方式中，改变夹心式压电悬臂板(103)和(104)的压电陶瓷(105)激励电压V2的方向，即V2=Acos (οη+180° )，可以改变环行转子⑵的旋转方向。
[0019]本发明实施方式中，为了调节压电定子(I)的一阶纵振动模态频率与二阶弯曲振动模态频率的一致性，可以增加或减小压电定子(I)的压电叠堆(102)沿Y轴方向和Z轴方向的厚度。[0020]本发明实施方式中，调谐后的压电定子(I)的一阶纵振动模态频率为29310Hz、二阶弯曲振动模态频率为29271Hz，两者之间的相对误差为0.133%，满足电机模态的调谐设计要求。
【权利要求】
1.一种纵-弯复合型超声波电机，其特征在于:该超声波电机由压电定子(I)和环形转子(2)组成。压电定子(I)由金属基座(101)、压电叠堆(102)和两个夹心式压电悬臂板(103,104)组成，夹心式压电悬臂板(103、104)的金属基体的上、下表面通过胶粘剂各粘接两片极化方向相反的压电陶瓷(105)，形成夹心结构。夹心式压电悬臂板(103、104)的一端与金属基座(101)固定，另一端是带有摩擦材料的接触头(106)，它通过预压力与环形转子(2)的内表面相接触。压电叠堆(102)由255片材料和结构完全一致的环形压电片粘接而成，压电片之间的的粘接形式为机械上串联、电学上并联。当给压电叠堆(102)施加高频交变的正弦电压信号时，压电叠堆(102)作一阶纵向伸缩振动，使得夹心式压电悬臂板(103、104)也作纵向伸缩运动，从而改变接触头(106)与环形转子(2)内表面之间的接触力。当给夹心式压电悬臂板(103、104)的压电陶瓷(105)施加同一频率的余弦电压信号时，夹心式压电悬臂板(103、104)在压电陶瓷(105)的逆压电效应作用下作四阶弯曲振动，但两者的振动方向相反，使得悬臂板(103)的接触头(106)向上(向下)振动，悬臂板(104)的接触头向下(向上)振动。当同时给压电叠堆(102)和夹心式压电悬臂板(103、104)在压电陶瓷(105)施加一个相位差为90°的正弦电压信号时，两接触头(106)在接触区作椭圆轨迹运动，并通过摩擦力驱动环形转子(2)作逆时针(顺时针)旋转运动。
2.根据权利要求1所述的纵-弯复合式超声波电机，其特征在于:电机的工作模态为压电定子(I)的一阶纵振动模态和二阶弯曲振动模态，压电定子(I)的一阶纵振动模态频率为29310Hz和二阶弯曲振动模态频率为29271Hz。
【文档编号】H02N2/12GK103560694SQ201310473350
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】王光庆 申请人:浙江工商大学