CN102931875B - 贴片式方形超声波电机振子及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

贴片式方形超声波电机振子及其驱动方法，涉及具有将多个压电组件对称配置在振动体双面形成超声波电机振子。它解决了现有的超声波电机振子电极面的有效面积小、整体结构复杂，现有同类电机结构中十字支撑梁对振动轨迹的干涉和削弱振动的问题。它包括振动体和四组压电陶瓷元件，振动体为中心对称结构，该振动体由两对半环形弯梁和四个V型梁组成，属于同一对弯梁中的两个弯梁位置相对，每个V型梁位于每两个弯梁之间，四个V型梁的尖点构成4个驱动足，每对弯梁的外弧相对设置；每组压电陶瓷元件均由两片压电陶瓷片组成，每片电陶瓷片均为半环状薄板，所述半环状薄板的曲率半径与弯梁的曲率半径相同，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。本发明可以应用到国防科技、微机械、医疗等方面。

Description

贴片式方形超声波电机振子及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种方形贴片式超声波电机振子，更详细而言，涉及具有将多个压电组件对称配置在振动体双面形成超声波电机振子。

背景技术

超声电机是近三十年来出现的全新概念的驱动装置，和传统的电磁电机相比，具有惯性小，不受磁场影响、运转安静、低速大扭矩、可直接带动负载、断电自锁、运动形式灵活多样等特点。超声波电机利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声波电机定子的振动能，在通过摩擦转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子及预压力机构等功能部件组成。

常见的圆环状的压电振子上粘贴圆环状的弹性体，从而形成定子以及与该圆环状弹性体接触的转子的超声波电机。圆环状的压电振子在由压电陶瓷形成的圆环状的压电体的两面形成多个电极。多个电极包括第一及第二相的电极组。通过对第一相的电极组和第二相的电极组施加在时间上相位不同的高频电压，来产生两个驻波。通过合成这两个驻波，在环状的弹性体和压电振子的表面产生行波。

常见的V型电机采用两根梁的复合振动形成超声波电机。图6为一种V型超声波电机结构原理图，其中两直梁合成一个V型梁7，在每根直梁的表面粘贴压电陶瓷元件8、9、10、11，两个直梁表面粘贴的压电陶瓷元件分别施加时间相位相差π/2的电压激励信号Vsinωt和Vcosωt，可以激励出沿直梁的各自长度方向产生纵向位移，两个方向的位移合成在V型梁尖点产生椭圆运动，通过摩擦驱动与驱动足尖点相接触的运动部件产生直线或旋转运动。改变贴片方式，也可以利用两根直梁的弯曲位移合成椭圆运动。

空心十字型电机以V型电机为基础。十字型电机将4个V型电机连接成中空的十字形状封闭结构，图7为一种V型超声波电机结构原理图，在连接梁上或原V型电机直梁上粘贴压电陶瓷元件，在4个V型梁尖点构成4个驱动足，中间放置转子。多个电极包括第一相及第二相的电极组。通过对第一相的电极组和第二相的电极组施加在时间上相位不同的高频电压，来产生两个驻波，通过合成这两个驻波，在弹性体4个驱动足点形成相同旋转方向的椭圆运动，通过与转子产生摩擦力驱动转子转动。

现有的空心十字型电机适合于作为外定子，转子安置于内部的运动形式。

微型化是电机发展的一个重要方向。由于超声波电机的尺寸不受限制，在小型电机领域内更有发展前景，这使得研制小尺寸超声波电机成为一种必然。

圆环状的压电振子在微型化时有一些困难，主要表现为小尺寸的陶瓷组件切割精度和装配精度不易保证。单个V型电机施力不平衡，使转子运动时承受额外的弯曲力矩。微型化的超声波电机的发展方向必须在保证电机结构简单、紧凑、压电陶瓷组件尺寸规整、组件数量尽可能精简的情况下，增大电机输出扭矩、提高电机输出效率。

发明内容

为了解决现有的超声波电机振子电极面的有效面积小、整体结构复杂，现有同类电机结构中十字支撑梁对振动轨迹的干涉和削弱振动的问题，而提出贴片式方形超声波电机振子及其驱动方法。

贴片式方形超声波电机振子，它包括振动体和四组压电陶瓷元件。

振动体为中心对称结构，所述该振动体由两对半环形弯梁和四个V型梁组成，属于同一对弯梁中的两个弯梁位置相对，每个V型梁位于每两个弯梁之间，所述两对弯梁和四个V型梁构成方型薄片型十字振动体，四个V型梁的尖点构成4个驱动足，每对弯梁的外弧相对设置；

每组压电陶瓷元件均由两片压电陶瓷单元组成，每片压电陶瓷单元均为半环状薄板，所述半环状薄板的曲率半径与弯梁的曲率半径相同，每组压电陶瓷元件中的两片压电陶瓷单元对称粘接在一个弯梁的上表面和下表面，所有压电陶瓷单元均沿厚度方向极化，它还包括内部圆环形片4，内部圆环形片4位于振动体1的中心，所述振动体1与内部圆环形片4由四根短梁联结，每个弯梁的外壁中间与内部圆环形片4的外壁之间均设置有一根短梁，

振动体存在一个振动模态为两根半环形弯梁交替反向弯曲收缩和弯曲扩张，同样，振动体的半环形弯梁也存在一个振动模态为两根梁交替反向弯曲收缩和弯曲扩张，两个振动模态正交，频率相近，取两频率之间的某一频率为激振频率，在各个压电陶瓷单元上施加电场，激发压电陶瓷单元振动带动振动体振动，弯梁振动带动直梁弯曲振动，带动V型梁驱动足形成周期性椭圆形位移运动。

驱动贴片式方形超声波电机振子的驱动方法为：对电机振子施加具有π/2的相位差的两相电压激励信号，其中的一相电压激励信号用于驱动位于一对弯梁上的两组压电陶瓷元件，另一相电压激励信号用于驱动另外两组压电陶瓷元件。

本发明采用上述结构，通过压电陶瓷单元及振动体构造贴片式超声波电机振子。利用压电陶瓷的d31模式，通过两组相对的半环形陶瓷沿径向的收缩和扩张激励振动体上两根对称弯梁的一阶弯曲振动，另外两组陶瓷同时做被动弯曲振动，循环往复，定子就能够驱动预期相接处的运动部件产生某一方向的周期运动。采用另外两组相对的半环形陶瓷激励与前述运动方向垂直的振动，时间间隔为1/4周期。

本发明所述的贴片式方形超声波电机振子包括振动体和四对压电陶瓷单元，此电机振子组成结构简单，另外，四对压电陶瓷单元的上表面和下表面均设有电极，使电极面的有效面积大。本发明可用于国防科技、微机械、医疗等方面。

附图说明

图1是本发明所述的一种贴片式方形超声波电机振子的结构示意图；

图2是图1中四组压电陶瓷元件3的极化方向示意图；

图3是本发明四组压电陶瓷元件的表面极性示意图；

图4是本发明振动体结构细分图；

图5是本发明四组压电陶瓷元件的部分电极面编号图；

图6是V型电机振子结构示意图；

图7是现有十字电机振子结构示意图，⊙代表极化方向向上，代表极化方向向下。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的贴片式方形超声波电机振子它包括振动体1和四组压电陶瓷元件3，

振动体1为中心对称结构，所述该振动体1由两对半环形弯梁和四个V型梁组成，属于同一对弯梁中的两个弯梁位置相对，每个V型梁位于每两个弯梁之间，所述两对弯梁和四个V型梁构成方型薄片型十字振动体，四个V型梁的尖点构成4个驱动足，每对弯梁的外弧相对设置；

每组压电陶瓷元件3均由两片压电陶瓷单元组成，每片压电陶瓷单元均为半环状薄板，所述半环状薄板的曲率半径与弯梁的曲率半径相同，每组压电陶瓷元件3中的两片压电陶瓷单元对称粘接在一个弯梁的上表面和下表面，所有压电陶瓷单元均沿厚度方向极化。

四组压电陶瓷元件，具有半环形平面形状。因此能够廉价且高效地进行制造。但是，在本发明中，压电陶瓷元件也可以采用如扇形等平面形状，或多块扇形、矩形陶瓷拼接等构成形式。

本实施方式的振动体1的弯梁不一定要保证180°，小于180°的扇形结构亦可，且V形梁也可用带有一定弧度的弯梁和变截面梁替代；振动体在本实施方式中由紫铜形成。但是振动体并非必须由紫铜形成，其它可实现弹性振动的金属材料亦可。上述振动体通过电火花线切割加工或冲孔加工等加工方式，能容易的形成正确形状。

本实施方式中，振动体1为中心对称结构。图4为振动体1结构细分示意图，其中振动体的两对半环形弯梁分别为1-3、1-4、1-5、1-6，沿斜向中心线可将夹在半环形弯梁1-3、1-6之间的V型梁划分成直梁5和直梁6，同理可将其它3个V型梁划分。振动体存在一个振动模态为两根半环形弯梁1-3、1-5交替反向弯曲收缩和弯曲扩张，同样，振动体的半环形弯梁1-4、1-6也存在一个振动模态为两根梁交替反向弯曲收缩和弯曲扩张，两个振动模态正交，频率相近，取两频率之间的某一频率为激振频率，在各个压电陶瓷单元上施加电场，激发压电陶瓷单元振动带动振动体振动，图4中，弯梁1-3、1-6振动可带动直梁5、6弯曲振动，带动V型梁驱动足形成周期性椭圆形位移运动。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的贴片式方形超声波电机振子不同点在于，位于同一组压电陶瓷元件3中的两片压电陶瓷单元的极化方向相反，每片压电陶瓷单元与其沿圆周方向相邻的两片压电陶瓷单元中的其中一片压电陶瓷单元的极化方向相同，并且与另一片压电陶瓷单元的极化方向相反。

所谓圆周方向，是指在振子中，以本结构所对称的十字中心线的中心为原点做圆，在圆周上的切线方向即为“圆周方向”。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的贴片式方形超声波电机振子的不同点在于，每片压电陶瓷单元均由压电体和一对电极片组成，组成一对电极片的两个电极片分别位于压电体的上表面和下表面。

本实施方式所述的压电体由锆钛酸铅类压电陶瓷形成，但不限于锆钛酸铅类压电陶瓷，也可以是聚偏氟乙烯、氮化铝的其它压电材料形成的压电体。所述电极片采用在压电陶瓷元件表面设置的Al、Cu、Ag、Ag-Pd合金等适当的金属材料涂层实现。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的贴片式方形超声波电机振子的不同点在于，它还包括转子2，所述转子2为圆环形，该转子2的中心点与振动体1的中心点重合，且振动体1位于转子2的内部，方型振动体1的4个驱动足均与转子2的内壁摩擦接触。

本实施方式所述的转子2不一定为圆环结构，只要是具有与振动体1的4个驱动足相接触回转斜面且回转轴相同的回转体即可，环状、轴状结构不限。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式一所述的贴片式方形超声波电机振子的不同点在于，它还包括内部圆环形片4，内部圆环形片4位于振动体1的中心，所述振动体1与内部圆环形片4由四根短梁联结，每个弯梁的外壁中间与内部圆环形片4的外壁之间均设置有一根短梁。

本实施方式中的内部圆环片结构用于端面夹紧固定，但是夹紧固定部分不一定必须保持圆环结构，能实现夹紧固定功能的任意形状均可，内外两部分由4根短梁联结。

具体实施方式六、驱动具体实施方式一所述的贴片式方形超声波电机振子的不同点在于，对电机振子施加具有π/2的相位差的两相电压激励信号，其中的一相电压激励信号用于驱动位于一对弯梁上的两组压电陶瓷元件3，另一相电压激励信号用于驱动另外两组压电陶瓷元件3。

本实施方式中一对弯梁上的两组压电陶瓷元件用于构成A相驱动部的压电组件，另外两组压电陶瓷元件用于构成B相驱动部的压电组件，参见图3。关于A相驱动部，对压电组件标注A+或A-表示，关于B相驱动部，标注B+或B-。所谓A+和A-是指压电体在厚度方向上沿相反方向进行极化。对于B相驱动部，也采用相同的结构。

本实施方式中，相邻的压电组件组沿周向间隔开π/2的中心角。

本实施方式中，图1所示的第一组压电陶瓷元件的两片压电陶瓷单元在图5中对应的电极表面为3-1、3-2；图1所述的第二组压电陶瓷元件的两片压电陶瓷单元在图5中对应的电极表面为3-3、3-4；图1中的第三组压电陶瓷元件的两片压电陶瓷单元在图5中对应的电极表面为3-5、3-6；图1中第四组压电陶瓷元件的两个压电陶瓷在图5中对应的电极表面为3-7、3-8；图1所示的振动体1，在图5中对应的电极表面为1-2。

在第一组压电陶瓷元件和第三组压电陶瓷组元件电极表面3-1、3-2、3-5、3-6施加Asin(wt)激励信号，同时在第二组压电陶瓷元件和第四组压电陶瓷元件的电极表面3-3、3-4、3-7、3-8施加Acos(wt)激励信号，将振动体表面接地，即为电极面1－2保持零电压，由上述加电方式保证相邻的压电陶瓷组的激励电场相位相差π/2。若施加的激励信号的频率在振动体的两项正交一阶弯曲共振模态频率范围之间，则图4的振动体上驱动足点a，b，c，d上激励出相同旋转方向椭圆运动。因4组陶瓷组的极化方向的不同以及施加两项电场相位相差π/2，最终在4个驱动足点a，b，c，d上激励出椭圆运动时间相位也相差π/2，可以稳定的驱动转子转动。

Claims (5)

1.贴片式方形超声波电机振子，其特征在于，它包括振动体(1)和四组压电陶瓷元件(3)，

振动体(1)为中心对称结构，所述该振动体(1)由两对半环形弯梁和四个V型梁组成，属于同一对弯梁中的两个弯梁位置相对，每个V型梁位于每两个弯梁之间，所述两对弯梁和四个V型梁构成方型薄片型十字振动体，四个V型梁的尖点构成4个驱动足，每对弯梁的外弧相对设置；

每组压电陶瓷元件(3)均由两片压电陶瓷片组成，每片电陶瓷片均为半环状薄板，所述半环状薄板的曲率半径与弯梁的曲率半径相同，每组压电陶瓷元件(3)中的两片压电陶瓷片对称粘接在一个弯梁的上表面和下表面，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化，它还包括内部圆环形片(4)，内部圆环形片(4)位于振动体(1)的中心，所述振动体(1)与内部圆环形片(4)由四根短梁联结，每个弯梁的外壁中间与内部圆环形片(4)的外壁之间均设置有一根短梁，

振动体存在一个振动模态为两根半环形弯梁交替反向弯曲收缩和弯曲扩张，同样，振动体的半环形弯梁也存在一个振动模态为两根梁交替反向弯曲收缩和弯曲扩张，两个振动模态正交，取振动体的两项正交一阶弯曲共振模态频率范围之间的某一频率为激振频率，在各个压电陶瓷单元上施加电场，激发压电陶瓷单元振动带动振动体振动，弯梁振动带动直梁弯曲振动，带动V型梁驱动足形成周期性椭圆形位移运动。

2.根据权利要求1所述的贴片式方形超声波电机振子，其特征在于，位于同一组压电陶瓷元件(3)中的两片压电陶瓷片的极化方向相反，每片压电陶瓷片与其沿圆周方向相邻的两片压电陶瓷片中的其中一片压电陶瓷片的极化方向相同，并且与另一片压电陶瓷片的极化方向相反。

3.根据权利要求1所述的贴片式方形超声波电机振子，其特征在于，每片压电陶瓷单元均由压电体和一对电极片组成，组成一对电极片的两个电极片分别位于压电体的上表面和下表面。

4.根据权利要求1所述的贴片式方形超声波电机振子，其特征在于，它还包括转子(2)，所述转子(2)为圆环形，该转子(2)的中心点与振动体(1)的中心点重合，且振动体(1)位于转子(2)的内部，方型振动体(1)的4个驱动足均与转子(2)的内壁摩擦接触。

5.驱动权利要求1所述的贴片式方形超声波电机振子的驱动方法为：对电机振子施加具有π/2的相位差的两相电压激励信号，其中的一相电压激励信号用于驱动位于一对弯梁上的两组压电陶瓷元件(3)，另一相电压激励信号用于驱动另外两组压电陶瓷元件(3)。