基于h形压电换能结构驱动的平面超声电机及其工作模态的制作方法_2

文档序号:9289793阅读:来源:国知局
螺钉37的外周固定套装有碟簧35,底板32装有支座固定螺钉36 ;
[0031]所述支座组件3通过其底板32 —侧固定的立板31与所述动子组件2的动子支座23连接,所述定子组件I的H形结构板11通过螺纹孔113用定子固定螺钉37固定于侧板34内,侧板34左右相对内侧的橡胶块33顶于H形结构板11的外侧,碟簧35位于H形结构板11与底板32之间,驱动足111与动子组件2的平面滑板21底面连接。
[0032]所述压电陶瓷激励组件12由多片压电陶瓷片组成,包括面内纵振激励陶瓷121、面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷123,面内纵振激励陶瓷121分别粘贴于的两纵杆114与横杆115交汇处的正、反面;面内弯振激励陶瓷122分别粘贴于两纵杆114端部的左、右侧面;面外弯振激励陶瓷123分别粘贴于两纵杆114端部的正、反面。
[0033]—种基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机的工作模态,利用定子组件I特定的三相工作模态振动,其中,面外二阶反对称弯振模态用于实现动子组件I与定子组件2之间的接触与脱离,面内一阶反对称纵振模态和面内二阶对称弯振模态则分别实现驱动动子组件2的平面滑板21沿Y向和X向的运动;
[0034]所述面外二阶反对称弯振模态是基于压电陶瓷的逆压电效应,通过对面外弯振激励陶瓷123施加特定的激励电压,激发两纵杆114基于H形结构板11平面的面外二阶弯曲振动,驱使同一纵杆114两末端分别沿垂直于H形结构板11平面的两反方向弯曲并高出H形结构板11平面,左杆1141与右杆1142的面外二阶弯曲振动振型相反,使得H形结构板11的两纵杆114沿对角线方向分为两组的驱动足111交替的保持和动子组件2的平面滑板21接触与分离;
[0035]所述面内一阶反对称纵振模态是通过对面内纵振激励陶瓷121施加特定的激励电压,激发H形结构板11的两纵杆114沿杆长方向伸长或收缩振动,左杆1141与右杆1142分别保持其中一杆伸长而另一杆收缩的振动状态,使得两组驱动足111交替的推动动子组件2的平面滑板21沿Y向移动;
[0036]所述面内二阶对称弯振模态是通过对面内弯振激励陶瓷122施加特定的激励电压,激发两纵杆114基于H形结构板11平面的面内二阶弯曲振动,左杆1141与右杆1142的面内二阶弯曲振动振型对称,使得两组驱动足111交替的推动动子组件2的平面滑板21沿X向移动。
[0037]实施例:本发明基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机,包括定子组件1、动子组件2和支座组件3,参见图1至图4。支座组件3通过其底板32 —侧固定的立板31与动子组件2连接,定子组件I位于支座组件3与动子组件2之间,通过驱动足111与动子组件2连接,并通过支座组件3的定子固定螺钉37与底板32连接;定子组件I包括H形结构板11和压电陶瓷激励组件12,H形结构板11由两纵杆114及位于纵杆114中段连接的横杆115构成,纵杆114上设置有调整孔112,横杆115的中间设置有螺纹孔113 ;纵杆114呈方形条状结构,压电陶瓷激励组件12粘帖在H形结构板11的两纵杆114四周的表面;纵杆114两端的正、反面末端均设置有驱动足111,驱动足111的厚度高于压电陶瓷激励组件12的面内纵振激励陶瓷121和面外弯振激励陶瓷123的厚度,且驱动足111平行于H形结构板11平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料,纵杆114正面末端的驱动足111与平面滑板21的底面接触;压电陶瓷激励组件12包括面内纵振激励陶瓷121、面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷123,面内纵振激励陶瓷121分别粘贴于的两纵杆114与横杆115交汇处的正、反面,面内弯振激励陶瓷122分别粘贴于两纵杆114端部的左、右侧面,面外弯振激励陶瓷123分别粘贴于两纵杆114端部的正、反面;动子组件2由平面滑板21、滚珠22和动子支座23构成,动子支座23与平面滑板21之间夹装有滚珠22,动子支座23面向平面滑板21的一面设置有凹坑231,凹坑231呈半球形结构,滚珠22装于凹坑231内;支座组件3包括立板31、底板32、橡胶块33、侧板34和碟簧35,底板32上面的一侧固定有立板31,立板31上设置有固定螺钉,底板32上面的另一侧固定有侧板34,侧板34呈方框形且左右相对的内侧装有橡胶块33,侧板34方框形的中心安装有定子固定螺钉37,侧板34上设置有固定螺钉和定位销,定子固定螺钉37的外周套装有碟簧35,碟簧35位于定子组件I与底板32之间,底板32装有支座固定螺钉36。
[0038]如图2,在H形结构板11两个纵杆114的四个末端位置正、反面设置驱动足111,置于H形结构板11正面的驱动足111主要用于推动动子组件2做两自由度直线运动,置于H形结构板11背面的驱动足111,主要起改善定子工作模态的作用。正面上的四个驱动足111沿H形结构板11斜对角线方向分成两组,每组均包含两个驱动足111 ;在驱动足111平行于H形结构板11平面的表面均涂覆了一层高性能耐摩擦材料,如聚偏氟乙烯基摩擦材料,旨在增大定子组件I的驱动足111与动子组件2的平面滑板21间的摩擦驱动力和延长电机使用寿命;在两个纵杆114上分别开设两个调整孔112,以利于实现定子三相工作模态的频率一致性和改善定子结构柔性;在H形结构板11的横杆115上开设螺纹孔113,以供定子组件I与支座组件3的连接,并起夹持固定的作用。
[0039]如图3,动子组件2的动子支座23面向平面滑板21的一面上开设半球形凹坑231,凹坑231内装入滚珠22,以使平面滑板21与滚珠22之间实现点接触。
[0040]如图1和图4,定子组件I的H形结构板11中部的横杆115与支座组件3的底板32之间装有碟簧35用以实现定子组件I的预紧,碟簧35和底板32由中心孔进行同轴定位,通过支座组件3的定子固定螺钉37连接;并通过侧板34两内侧装有的橡胶块33的辅助约束作用,对定子组件I的微幅摆动进行约束;侧板34通过定位销定位,通过螺钉固定在底板32上;定子组件I通过支座组件3 —侧的立板31连接动子组件2的动子支座23,并通过螺钉连接固定,使得H形结构板11上的驱动足111与平面滑板21形成移动副连接;底板32装有支座固定螺钉36用于将支座组件3安装固定在其他机构上。
[0041]如图2、图5至图7,压电陶瓷激励组件12由面内纵振激励陶瓷121、面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷123构成,包含20片高性能压电陶瓷片PZT8,各压电陶瓷片的压电极化方向均垂直于H形结构板11粘帖表面,并与表面的法线方向平行;3组压电陶瓷分别用于激励定子组件I面内一阶反对称纵振、面内二阶对称弯振和面外二阶反对称弯振三相工作模态。
[0042]如图2、图5,面内纵振激励陶瓷121由4片压电陶瓷片组成,它们分别粘帖在H形结构板11正、反面上的纵杆114中部与横杆115交汇处,处于两纵杆114面内一阶反对称纵振模态节线位置。
[0043]如图2、图6、图7,面内弯振激励陶瓷122由8片压电陶瓷片组成,它们分别粘帖在左、右纵杆114末端的左、右侧面,处于两纵杆114面内二阶弯振振型波峰(或波谷)处,且左、右纵杆114的面内弯振激励陶瓷片的布设方式相同。
[0044]如图2、图5、图6,面外弯振激励陶瓷123由8片压电陶瓷片组成,它们分别粘帖在左、右纵杆114末端的正、反两面,处于两纵杆114面外二阶弯振振型波峰(或波谷)处,且左、右纵杆114的面外弯振激励陶瓷片的布置方式相同。
[0045]本发明的平面超声电机的工作原理是通过激发定子组件I的特定振动工作模态,驱使置于H形结构板11正面上的驱动足111同时沿XOZ平面与YOZ平面做椭圆运动,并借助驱动足111与动子组件2之间的摩擦耦合,推动动子组件2的平面滑板21同时沿着X方向和Y方向做平面运动。
[0046]如图5至图7所示,所述的定子组件I特定工作模态主要包括H形结构板11的纵杆114处于XOY面的面内一阶反对称纵向振动模态、面外二阶反对称弯曲振动模态、面内二阶对称弯曲振动模态等三相工作模态。其中,面外二阶反对称弯振模态主要用于实现动子组件I与定子组件2之间瞬时接触与分离,面内一阶反对称纵振模态和面内二阶对称弯振模态则分别实现驱动动子组件2的Y向和X向的运动。电机基于两纵杆114面内一阶反对称纵振与面外二阶反对称弯振,在驱动足111上合成出沿YOZ面的椭圆运动轨迹,并据此推动动子组件2的平面滑板21沿Y向移动;利用两纵杆114面内二阶弯曲模态振动与面外二阶弯曲模态振动,在驱动足111上合成出沿XOZ面的椭圆运动轨迹,并据此推动动子组件2的平面滑板21沿X向移动。
[0047]为保证在驱动足111上同时合成出沿XOZ和YOZ面的椭圆运动,要求定子组件I的三相工作模态的固有频率相等或尽可能接近,同时为防止电机工作时产生机械噪声,必须通过合理配置定子组件I的各项结构尺寸,使三相工作模态频率处于超声频域且满足频率一致性。
[0048]如图5、图8、图9,为了有效、正确的激发定子组件I的XOY面内一阶反对称纵振工作模态振动,需在两纵杆114正、反表面粘贴的面内纵振激励陶瓷121通入频率与面内一阶反对称纵振模态频率相
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