[发明专利]贴片式方形超声波电机振子及其驱动方法

说明书

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。

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