悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子 【技术领域】
本发明涉及到一种悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子，属于压电超声电机技术领域。
背景技术
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，作为一种压电驱动器有着十分广泛的应用。
出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前压电超声电机大多采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，由于受压电陶瓷的d31模式机电耦合效率和陶瓷材料抗拉强度低，以及胶层的强度和疲劳寿命等的限制，这样的激励方式使得超声电机的机械输出能力受到严重制约。对于采用多个换能器驱动的压电超声电机，由于每个换能器在加工、粘贴以及装配等过程中很难保证完全一致，使其振动特性存在差异，进而引起定子表面质点振动轨迹的畸变，降低超声电机的机械输出能力和可控性。
【发明内容】
为了解决现有采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励的超声电机的定子存在的机械输出能力受制约的问题，以及采用多个换能器驱动存在的难以保证多个换能器完全一致而导致的定子表面质点振动轨迹的畸变，降低超声电机的机械输出能力和可控性的问题，本发明提供了一种悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子。
悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子，包括圆环和一个悬臂纵弯复合夹心换能器，所述圆环的上端面均匀分布多个梳状驱动齿，圆环内侧加工有薄壁环，薄壁环内侧加工有法兰，所述圆环、薄壁环和法兰同轴，所述悬臂纵弯复合夹心换能器包括两个悬臂、前端盖、后端盖、绝缘套、两对弯振压电陶瓷片、紧固螺钉、四片纵振压电陶瓷片和电极片，所述前端盖、后端盖和两个悬臂均为长方体，所述两个悬臂与圆环下端面固定连接，所述悬臂、圆环、薄壁环、法兰和驱动齿为一体件，所述前端盖中心开有一个通孔，所述后端盖中心开有一个螺纹孔，所述前端盖、一对弯振压电陶瓷片、一个悬臂四片纵振压电陶瓷片、另一对弯振压电陶瓷片、另一个悬臂和后端盖依此通过紧固螺钉固定连接，四片纵振压电陶瓷片固定在两个悬臂之间，前端盖和一个悬臂之间以及后端盖和另一个悬臂之间均固定有一对弯振压电陶瓷片，相邻两片弯振压电陶瓷片之间、相邻两片纵振压电陶瓷片之间、以及弯振压电陶瓷片与悬臂之间分别固定有电极片，在所述弯振压电陶瓷片、纵振压电陶瓷片、电极片与紧固螺钉之间均固定有绝缘套。
本发明的悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子中的压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作，解决了粘贴压电陶瓷片式压电超声电机机电耦合效率低、机械输出能力差的问题。本发明采用沿厚度方向极化的弯振压电陶瓷片实现换能器的弯曲振动的激励，采用沿厚度方向极化的纵振压电陶瓷片实现换能器的纵向振动的激励；通过调整结构参数实现换能器纵振固有频率、换能器弯振固有频率和圆环弯振固有频率之间的简并；采用单个换能器在圆环定子中激励出行波，避免采用多个换能器时存在的振动不一致问题，提高超声电机的机械输出能力和可控性。本发明的悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子中的弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片采用幅值相等、频率为振子自身谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励时，利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动和弯曲振动，进而通过两个连接换能器和圆环的悬臂实现在圆环上激励出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的弯振模态响应，两个弯振模态响应叠加在圆环上形成行波(悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子一个振动周期内的振型变化示意图如图5～图8所示)，驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过驱动齿和转子之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出。如果调整两路激励信号的相位差为-90°，可以改变行波的方向，最终实现电机转子反向运动。薄壁环可以实现弹性支撑和振动隔离，将振子与其它构件的联接对圆环的弯曲振动模态的影响程度降到最低。
本发明的悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子具有结构简单、设计灵活、机电耦合效率高、可实现大力矩输出、性能稳定、易于控制、可系列化生产的优点。
【附图说明】
图1是本发明所述的悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子的剖视图，图2是图1所示的悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子的立体结构示意图，图3是图1所示振子中悬臂纵弯复合换能器地剖视图，图4是图1所示振子中纵振压电陶瓷片2和弯振压电陶瓷片3的极化方向示意图，图5至图8是本发明的悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子的一个完整振动周期内的振型变化示意图(周向展开图，为圆环五阶弯振模态的振型变化示意图)。
【具体实施方式】
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子，包括圆环1-1和一个悬臂纵弯复合夹心换能器10，所述圆环1-1的上端面均匀分布多个梳状驱动齿1-5，圆环1-1内侧加工有薄壁环1-2，薄壁环1-2内侧加工有法兰1-3，所述圆环1-1、薄壁环1-2和法兰1-3同轴，所述悬臂纵弯复合夹心换能器10包括两个悬臂1-4、前端盖4、后端盖5、绝缘套6、两对弯振压电陶瓷片3、紧固螺钉7、四片纵振压电陶瓷片2和电极片8，所述前端盖4、后端盖5和两个悬臂1-4均为长方体，所述两个悬臂1-4与圆环1-1下端面固定连接，所述悬臂1-4、圆环1-1、薄壁环1-2、法兰1-3和驱动齿1-5为一体件，所述前端盖4中心开有一个通孔，所述后端盖5中心开有一个螺纹孔，所述前端盖4、一对弯振压电陶瓷片3、一个悬臂1-4四片纵振压电陶瓷片2、另一对弯振压电陶瓷片3、另一个悬臂1-4和后端盖5依此通过紧固螺钉7固定连接，四片纵振压电陶瓷片2固定在两个悬臂1-4之间，前端盖4和一个悬臂1-4之间以及后端盖5和另一个悬臂1-4之间均固定有一对弯振压电陶瓷片3，相邻两片弯振压电陶瓷片3之间、相邻两片纵振压电陶瓷片2之间、以及弯振压电陶瓷片3与悬臂1-4之间分别固定有电极片8，在所述弯振压电陶瓷片3、纵振压电陶瓷片2、电极片8与紧固螺钉7之间均固定有绝缘套6。
具体实施方式二：结合图4说明本具体实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子的区别在于，各压电陶瓷片沿厚度方向极化，所述每相邻两片纵振压电陶瓷片2的极化方向相反，每片弯振压电陶瓷片3对称分成上半片3-1和下半片3-2，所述一对弯振压电陶瓷片3中的每相邻的半片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，两对弯振压电陶瓷片3的极化方式相反。
本实施方式中两对弯振压电陶瓷片3的极化方式相反，前端盖4向后端盖5的方向位于同一位置的弯振压电陶瓷片3极化方向相反。
本实施方式与具体实施方式一所述的悬臂纵弯复合换能器圆环型行波超声电机振子的区别在于，所述纵振压电陶瓷片2和弯振压电陶瓷片3的横截面为矩形。