本發(fā)明公開了一種利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機及其電激勵方法，屬于超聲電機的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超聲電機是20世紀80年代迅速發(fā)展和應(yīng)用的一種新型微電機，它利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)和金屬塊的超聲振動，并通過定子和動子之間的摩擦作用，把金屬塊的微幅振動轉(zhuǎn)換成動子的宏觀直線（旋轉(zhuǎn)）運動，直接推動負載。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、低速大扭矩、響應(yīng)快、定位精度高和電磁兼容性等優(yōu)點。在航空航天、武器裝備和精密驅(qū)動領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)超聲電機的研究發(fā)展很快，清華大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校先后對直線超聲電機展開了研究。直線超聲電機是超聲電機的一種，按照直線超聲電機工作時同時參與工作的共振模態(tài)的數(shù)目，直線超聲電機可以分為復合模態(tài)驅(qū)動和單模態(tài)驅(qū)動兩類。

在中國專利網(wǎng)上，陸續(xù)公開了申請?zhí)枮?00610132316.1名稱為“棱柱型縱彎復合振子直線超聲電機”、申請?zhí)枮?00810124426.2名稱為“基于連續(xù)驅(qū)動桿原理的K形直線超聲電機”等復合模態(tài)驅(qū)動的直線超聲電機專利。但這些復合模態(tài)驅(qū)動的直線超聲電機的有一個共同的缺點，就是要求電機的兩個或多個工作模態(tài)的頻率一致，這種要求不僅降低了電機設(shè)計的靈活性，還增加了電機的制造成本，也使得電機可驅(qū)動的頻域變的狹窄。另外現(xiàn)公開的復合模態(tài)驅(qū)動的超聲電機專利中，直線超聲電機振子的振動模態(tài)多為二階或高階振動模態(tài)之間的復合，其振型較為復雜。

相對于復合模態(tài)電機的專利數(shù)量，單模態(tài)電機的專利數(shù)量則明顯較少。在中國專利網(wǎng)上公布了一個申請?zhí)枮?00910184876.5名稱為“雙向單模態(tài)斜軌V形直線超聲電機及電激勵方式”的單模態(tài)直線超聲電機專利。該直線超聲電機有兩個蘭杰文振子通過驅(qū)動足相連形成V形結(jié)構(gòu)；其工作原理是通過電激勵分別激發(fā)出V形結(jié)構(gòu)的對稱和反對稱模態(tài)，以此來實現(xiàn)電機的雙向運動。但這種電機的驅(qū)動足與兩個水平變幅桿（蘭杰文振子）相連，這種結(jié)構(gòu)影響了直線超聲電機的機械性能及可靠性；另外選取的工作模態(tài)仍然是高階振動模態(tài)，增加了電機的能量損耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明設(shè)計了一款利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機。該電機利用振子的兩個非耦合的低階振動模態(tài)來實現(xiàn)電機的雙向運動，相對于利用高階模態(tài)驅(qū)動的直線超聲電機其機械效率有望得到了提高其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、便于設(shè)計、易于小型化。

本發(fā)明設(shè)計的利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機，該電機包括定子1、動子2、底座5和支持裝置；所述動子2直接固定在底座5上；定子1與動子2成角度的通過支持裝置相互固定，并設(shè)置在底座上；其中，所述動子2的側(cè)面貼有摩擦片4；所述定子1上設(shè)有驅(qū)動足16，所述驅(qū)動足16與摩擦片4相接觸，所述定子1的一端通過支持裝置鉸支在底座5上，另一端與支持裝置相接觸；該電機利用定子1的單模態(tài)驅(qū)動動子2運動：當定子1在一階彎振模態(tài)下工作時，定子1推動動子沿X軸正向運動；當定子1在一階縱振模態(tài)下工作時，定子1推動動子2沿X軸反向運動。

所述定子1包括金屬塊11、壓電陶瓷12、電極片13、加持元件14和螺釘15；所述壓電陶瓷12成對設(shè)置，每對壓電陶瓷12之間設(shè)有電極片13；所述加持元件14設(shè)置在定子1中間位置，兩側(cè)的壓電陶瓷12和電極片13對稱分布；在最外側(cè)壓電陶瓷12的外側(cè)設(shè)有金屬塊11；壓電陶瓷12、電極片13、加持元件14以及金屬塊11通過螺釘15同軸連接。

所述加持元件14兩端為旋轉(zhuǎn)端141和施力端142，所述支持裝置包括旋轉(zhuǎn)裝置31和預壓力施加裝置32；其中，所述旋轉(zhuǎn)端141通過旋轉(zhuǎn)裝置31鉸支于底座5上，施力端142通過預壓力施加裝置32對定、動子施加預壓力。

所述定子1的形狀成矩形塊狀，定子驅(qū)動足16位于矩形塊的一個角上。

所述定子1采用分區(qū)極化的壓電陶瓷12，每兩個相對的極化區(qū)域布置一個電極片13。

所述預壓力施加裝置32包括螺釘、底座緊定件以及高強度彈簧，所述底座緊定件固定在底座5上，所述高強度彈簧通過旋轉(zhuǎn)螺釘對施力端142施加力載荷。

一種利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機的及其電激勵方法，將電極片13分成a組17和b組18，給a、b兩組電極片13分別施加相位差為0度的正弦或矩形波電壓時，定子1在一階縱振模態(tài)下工作，此時定子1推動動子2沿X軸反向運動；當a、b兩組施加相位差為180度的正弦或矩形波電壓時，定子1在一階彎振模態(tài)下工作，此時定子1推動動子(2)沿X軸正向運動。

通過控制定子1與動子2之間的角度大小改變超聲電機的機械輸出性能。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明中定子設(shè)計有兩個不同頻率的工作模態(tài)，當定子在任意一個模態(tài)下工作時，定子驅(qū)動足表面質(zhì)點的運動軌跡相對于導軌是一條斜直線，并且斜直線的傾斜方向隨工作模態(tài)的改變而改變，從而推動動子進行正向或反向的直線運動；其次現(xiàn)有技術(shù)中，直線超聲電機的定子振動模態(tài)多為二階或高階振動模態(tài)的耦合，振型較為復雜，而本發(fā)明設(shè)計的定子采用一階縱振和一階彎振這兩個低階模態(tài)，同時也不需要兩個模態(tài)進行耦合，定子的振型很簡單；另外現(xiàn)有超聲電機技術(shù)中驅(qū)動足常與多個變幅桿相連，使所設(shè)計的直線超聲電機的機械效率和穩(wěn)定性降低，而本發(fā)明中的直線超聲電機所包含的部件少，只有一個振子（V形電機有兩個蘭杰文振子），有助于提高直線超聲電機的效率和穩(wěn)定性性；同時本發(fā)明中的直線超聲電機具有可驅(qū)動的頻域?qū)挕⑦\行效率高、輸出推力大、推重比大、組件少、結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化和集成化等特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中定子的組裝方式、壓電陶瓷極化方向及電激勵方式示意圖；

圖3為本發(fā)明中電機定子一階彎振模態(tài)的示意圖；

圖4為本發(fā)明中電機定子一階縱振模態(tài)的示意圖；

圖中標號說明：1定子；11金屬塊；12壓電陶瓷；121無銀層區(qū)；122激勵區(qū)；13電極片；14加持元件；141旋轉(zhuǎn)端；142施力端；15螺釘；16驅(qū)動足；17 a組電信號；18 b組電信號；19 ?區(qū)；20 Ⅱ區(qū)；2動子；3支持裝置；4摩擦陶瓷；5底座；6一階彎振時驅(qū)動足的軌跡；7定子的伸長或收縮方向；8一階縱振時驅(qū)動足的軌跡。

具體實施方式

本發(fā)明公布了一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機及其電激勵方法。

下文將詳細描述本發(fā)明的實施方式，文中參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明所設(shè)計的一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機如圖1、2所示，該電機包括定子1、動子2、底座5和支持裝置31、32；其特征在于，所述動子2直接通過螺釘緊定在底座5上；定子1與動子2成一定角度的通過支持裝置31、32放置在底座5上。其中，所述動子2的側(cè)面貼有摩擦片4；所述定子1上設(shè)有驅(qū)動足16、旋轉(zhuǎn)端141和施力端142，其驅(qū)動足16與摩擦片4相接觸，所述旋轉(zhuǎn)端141通過旋轉(zhuǎn)裝置31鉸支在底座5上，所述施力端142與預壓力施加裝置32相接觸。

具體的，動子2用螺釘直接固定在底座5上，動子2的主要功能是獲得直線運動；摩擦陶瓷片4貼在動子2的側(cè)面上，主要為了增加定子1與動子2之間的摩擦力和接觸的穩(wěn)定性；定子1與動子2成一定角度的通過支持裝置3放置在底座5上。定子1由金屬塊11、壓電陶瓷12、電極片13、加持元件14和螺釘15組成；支持裝置3有旋轉(zhuǎn)裝置31和預壓力施加裝置32組成。定子1的加持元件14有旋轉(zhuǎn)端141和施力端142構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)端141通過旋轉(zhuǎn)裝置31鉸支于底座5上，確保定子1只能轉(zhuǎn)動不能平動，施力端142通過預壓力施加裝置32對定、動子施加預壓力。預壓力施加裝置32有螺釘、底座緊定件和高強度彈簧組成，定動子之間的預壓力大小可以通過旋轉(zhuǎn)預壓力施加裝置32中螺釘來改變。電機定子1的形狀成矩形塊狀，定子驅(qū)動足16位于矩形塊的一個邊角上。定子1有偶數(shù)片壓電陶瓷12和電極片13對稱的分布于加持元件14的兩側(cè)。定子1采用分區(qū)極化的壓電陶瓷12，每兩個相對的極化區(qū)域122布置一個電極片13。

如圖2所示，所述定子包括金屬塊11、壓電陶瓷12、電極片13、加持元件14和螺釘15；所述壓電陶瓷12成對設(shè)置，每對壓電陶瓷12之間設(shè)有電極片13；所述加持元件14設(shè)置在中間位置，加持元件14兩側(cè)的壓電陶瓷12和電極片13對稱分布；在最外側(cè)壓電陶瓷12的外側(cè)設(shè)有金屬塊11，壓電陶瓷12、電極片13、加持元件14以及金屬塊11通過螺釘15同軸連接。

所述加持元件14兩端為旋轉(zhuǎn)端141和施力端142，所述支持裝置31、32包括旋轉(zhuǎn)裝置31和預壓力施加裝置32；其中，所述旋轉(zhuǎn)端141通過旋轉(zhuǎn)裝置31鉸支于底座5上，施力端142通過預壓力施加裝置32對定、動子施加預壓力。

一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機定子壓電陶瓷的極化方向及電激勵方式如圖2所示。該定子1利用壓電陶瓷12的d₃₃效應(yīng)，具有較強的機電耦合性，一定程度上提高了電機的輸出功率。壓電陶瓷12有孔的兩個面有正極和負極之分，標有正極的平面中間有一沒有銀層的區(qū)域121。定子的四片電極片13以螺釘15為對稱軸分成a組17和b組18，當a、b兩組施加相位差為0度的正弦（矩形）波電信號時，定子1在一階縱振模態(tài)下工作；當a、b兩組施加相位差為180度的正弦（矩形）波電信號時，定子1在一階彎振模態(tài)下工作。

一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機定子的工作模態(tài)如圖3、4所示。為了方便描述電機的定子1的振動狀態(tài)，將定子1分成?區(qū)19和Ⅱ區(qū)20兩個區(qū)域。在定子1一階彎振模態(tài)下，定子1的?區(qū)19會伸長或收縮7而Ⅱ區(qū)20會收縮或伸長7，驅(qū)動足16端面質(zhì)點的運動軌跡相對于動子2做往復的斜直線運動6，進而推動動子2沿X軸正向運動；同樣的，如果定子在一階縱振模態(tài)下，定子1的振動形式如圖4所示，?區(qū)19和Ⅱ區(qū)20同時伸長或收縮7，驅(qū)動足16端面的質(zhì)點運動軌跡相對于動子2也做往復的斜直線運動8，并且斜直線8的傾斜方向與一階彎振時不同，從而推動動子2沿X軸反向運動。

一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動的矩形塊狀直線超聲電機，利用定子的單模態(tài)驅(qū)動動子運動，不存在復合模態(tài)電機的頻率一致性問題；另外該電機具有可驅(qū)動的頻域?qū)挕⑦\行效率高、輸出推力大、推重比大、組件少、結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化和集成化等優(yōu)點。