本實(shí)用新型公開了一種利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)及其電激勵(lì)方法，屬于超聲電機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超聲電機(jī)是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展和應(yīng)用的一種新型微電機(jī)，它利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)和金屬塊的超聲振動(dòng)，并通過定子和動(dòng)子之間的摩擦作用，把金屬塊的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的宏觀直線（旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)，直接推動(dòng)負(fù)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(diǎn)。在航空航天、武器裝備和精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)超聲電機(jī)的研究發(fā)展很快，清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校先后對(duì)直線超聲電機(jī)展開了研究。直線超聲電機(jī)是超聲電機(jī)的一種，按照直線超聲電機(jī)工作時(shí)同時(shí)參與工作的共振模態(tài)的數(shù)目，直線超聲電機(jī)可以分為復(fù)合模態(tài)驅(qū)動(dòng)和單模態(tài)驅(qū)動(dòng)兩類。

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

相對(duì)于復(fù)合模態(tài)電機(jī)的專利數(shù)量，單模態(tài)電機(jī)的專利數(shù)量則明顯較少。在中國(guó)專利網(wǎng)上公布了一個(gè)申請(qǐng)?zhí)枮?00910184876.5名稱為“雙向單模態(tài)斜軌V形直線超聲電機(jī)及電激勵(lì)方式”的單模態(tài)直線超聲電機(jī)專利。該直線超聲電機(jī)有兩個(gè)蘭杰文振子通過驅(qū)動(dòng)足相連形成V形結(jié)構(gòu)；其工作原理是通過電激勵(lì)分別激發(fā)出V形結(jié)構(gòu)的對(duì)稱和反對(duì)稱模態(tài)，以此來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)。但這種電機(jī)的驅(qū)動(dòng)足與兩個(gè)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(jī)的機(jī)械性能及可靠性；另外選取的工作模態(tài)仍然是高階振動(dòng)模態(tài)，增加了電機(jī)的能量損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一款利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)。該電機(jī)利用振子的兩個(gè)非耦合的低階振動(dòng)模態(tài)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于利用高階模態(tài)驅(qū)動(dòng)的直線超聲電機(jī)其機(jī)械效率有望得到了提高其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、便于設(shè)計(jì)、易于小型化。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)，該電機(jī)包括定子1、動(dòng)子2、底座5和支持裝置；所述動(dòng)子2直接固定在底座5上；定子1與動(dòng)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(dòng)子2的側(cè)面貼有摩擦片4；所述定子1上設(shè)有驅(qū)動(dòng)足16，所述驅(qū)動(dòng)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(jī)利用定子1的單模態(tài)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子2運(yùn)動(dòng)：當(dāng)定子1在一階彎振模態(tài)下工作時(shí)，定子1推動(dòng)動(dòng)子沿X軸正向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)定子1在一階縱振模態(tài)下工作時(shí)，定子1推動(dòng)動(dòng)子2沿X軸反向運(yùn)動(dòng)。

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(duì)設(shè)置，每對(duì)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(duì)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(yù)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(yù)壓力施加裝置32對(duì)定、動(dòng)子施加預(yù)壓力。

所述定子1的形狀成矩形塊狀，定子驅(qū)動(dòng)足16位于矩形塊的一個(gè)角上。

所述定子1采用分區(qū)極化的壓電陶瓷12，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的極化區(qū)域布置一個(gè)電極片13。

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

一種利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)的及其電激勵(lì)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(shí)，定子1在一階縱振模態(tài)下工作，此時(shí)定子1推動(dòng)動(dòng)子2沿X軸反向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)a、b兩組施加相位差為180度的正弦或矩形波電壓時(shí)，定子1在一階彎振模態(tài)下工作，此時(shí)定子1推動(dòng)動(dòng)子(2)沿X軸正向運(yùn)動(dòng)。

通過控制定子1與動(dòng)子2之間的角度大小改變超聲電機(jī)的機(jī)械輸出性能。

本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本實(shí)用新型中定子設(shè)計(jì)有兩個(gè)不同頻率的工作模態(tài)，當(dāng)定子在任意一個(gè)模態(tài)下工作時(shí)，定子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于導(dǎo)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(dòng)動(dòng)子進(jìn)行正向或反向的直線運(yùn)動(dòng)；其次現(xiàn)有技術(shù)中，直線超聲電機(jī)的定子振動(dòng)模態(tài)多為二階或高階振動(dòng)模態(tài)的耦合，振型較為復(fù)雜，而本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的定子采用一階縱振和一階彎振這兩個(gè)低階模態(tài)，同時(shí)也不需要兩個(gè)模態(tài)進(jìn)行耦合，定子的振型很簡(jiǎn)單；另外現(xiàn)有超聲電機(jī)技術(shù)中驅(qū)動(dòng)足常與多個(gè)變幅桿相連，使所設(shè)計(jì)的直線超聲電機(jī)的機(jī)械效率和穩(wěn)定性降低，而本實(shí)用新型中的直線超聲電機(jī)所包含的部件少，只有一個(gè)振子（V形電機(jī)有兩個(gè)蘭杰文振子），有助于提高直線超聲電機(jī)的效率和穩(wěn)定性性；同時(shí)本實(shí)用新型中的直線超聲電機(jī)具有可驅(qū)動(dòng)的頻域?qū)?、運(yùn)行效率高、輸出推力大、推重比大、組件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化和集成化等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型中定子的組裝方式、壓電陶瓷極化方向及電激勵(lì)方式示意圖；

圖3為本實(shí)用新型中電機(jī)定子一階彎振模態(tài)的示意圖；

圖4為本實(shí)用新型中電機(jī)定子一階縱振模態(tài)的示意圖；

圖中標(biāo)號(hào)說明：1定子；11金屬塊；12壓電陶瓷；121無銀層區(qū)；122激勵(lì)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(dòng)足；17 a組電信號(hào)；18 b組電信號(hào)；19 ?區(qū)；20 Ⅱ區(qū)；2動(dòng)子；3支持裝置；4摩擦陶瓷；5底座；6一階彎振時(shí)驅(qū)動(dòng)足的軌跡；7定子的伸長(zhǎng)或收縮方向；8一階縱振時(shí)驅(qū)動(dòng)足的軌跡。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型公布了一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)及其電激勵(lì)方法。

下文將詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施方式，文中參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對(duì)本實(shí)用新型的限制。

本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)如圖1、2所示，該電機(jī)包括定子1、動(dòng)子2、底座5和支持裝置31、32；其特征在于，所述動(dòng)子2直接通過螺釘緊定在底座5上；定子1與動(dòng)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(dòng)子2的側(cè)面貼有摩擦片4；所述定子1上設(shè)有驅(qū)動(dòng)足16、旋轉(zhuǎn)端141和施力端142，其驅(qū)動(dòng)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(yù)壓力施加裝置32相接觸。

具體的，動(dòng)子2用螺釘直接固定在底座5上，動(dòng)子2的主要功能是獲得直線運(yùn)動(dòng)；摩擦陶瓷片4貼在動(dòng)子2的側(cè)面上，主要為了增加定子1與動(dòng)子2之間的摩擦力和接觸的穩(wěn)定性；定子1與動(dòng)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(yù)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(dòng)不能平動(dòng)，施力端142通過預(yù)壓力施加裝置32對(duì)定、動(dòng)子施加預(yù)壓力。預(yù)壓力施加裝置32有螺釘、底座緊定件和高強(qiáng)度彈簧組成，定動(dòng)子之間的預(yù)壓力大小可以通過旋轉(zhuǎn)預(yù)壓力施加裝置32中螺釘來改變。電機(jī)定子1的形狀成矩形塊狀，定子驅(qū)動(dòng)足16位于矩形塊的一個(gè)邊角上。定子1有偶數(shù)片壓電陶瓷12和電極片13對(duì)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?jī)蓚€(gè)相對(duì)的極化區(qū)域122布置一個(gè)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(duì)設(shè)置，每對(duì)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(duì)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(yù)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(yù)壓力施加裝置32對(duì)定、動(dòng)子施加預(yù)壓力。

一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)定子壓電陶瓷的極化方向及電激勵(lì)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(qiáng)的機(jī)電耦合性，一定程度上提高了電機(jī)的輸出功率。壓電陶瓷12有孔的兩個(gè)面有正極和負(fù)極之分，標(biāo)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(duì)稱軸分成a組17和b組18，當(dāng)a、b兩組施加相位差為0度的正弦（矩形）波電信號(hào)時(shí)，定子1在一階縱振模態(tài)下工作；當(dāng)a、b兩組施加相位差為180度的正弦（矩形）波電信號(hào)時(shí)，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(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)定子的工作模態(tài)如圖3、4所示。為了方便描述電機(jī)的定子1的振動(dòng)狀態(tài)，將定子1分成?區(qū)19和Ⅱ區(qū)20兩個(gè)區(qū)域。在定子1一階彎振模態(tài)下，定子1的?區(qū)19會(huì)伸長(zhǎng)或收縮7而Ⅱ區(qū)20會(huì)收縮或伸長(zhǎng)7，驅(qū)動(dòng)足16端面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于動(dòng)子2做往復(fù)的斜直線運(yùn)動(dòng)6，進(jìn)而推動(dòng)動(dòng)子2沿X軸正向運(yùn)動(dòng)；同樣的，如果定子在一階縱振模態(tài)下，定子1的振動(dòng)形式如圖4所示，?區(qū)19和Ⅱ區(qū)20同時(shí)伸長(zhǎng)或收縮7，驅(qū)動(dòng)足16端面的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于動(dòng)子2也做往復(fù)的斜直線運(yùn)動(dòng)8，并且斜直線8的傾斜方向與一階彎振時(shí)不同，從而推動(dòng)動(dòng)子2沿X軸反向運(yùn)動(dòng)。

一種新型的利用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形塊狀直線超聲電機(jī)，利用定子的單模態(tài)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，不存在復(fù)合模態(tài)電機(jī)的頻率一致性問題；另外該電機(jī)具有可驅(qū)動(dòng)的頻域?qū)?、運(yùn)行效率高、輸出推力大、推重比大、組件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化和集成化等優(yōu)點(diǎn)。