CN101071997A - 方板式直线型超声电机及电激励方式 - Google Patents

Abstract

一种方板式直线型超声电机及电激励方式，属超声电机类。该电机包括：定子、动子及压电陶瓷。所述定子为一个面上带有4个凸齿(1、2、3、4)的正方形板(5)，另一个面上粘贴有压电陶瓷(6、7、8、9)，用于激发定子板的2阶弯曲振动模态。用相位差为π/2的正弦信号同时激励定子板的2个相互正交的2阶弯振，使板上的4个凸齿(1、2、3、4)产生相互具有π/2相位差的椭圆运动，经摩擦推动压在定子凸齿上的动子(10)运动；用相位差为－π/2的正弦信号激励时，可使动子(10)反方向运动。在工作状态下，定子板中面上有9个节点，可用其中3个作为定子支撑点。该超声电机结构紧凑、驱动效率高、推力较大、工作可靠。

Description

方板式直线型超声电机及电激励方式

一、技术领域：

本发明的方板式直线型超声电机及电激励方式，属超声电机领域。

二、背景技术：

超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。其中，直线运动超声电机属于超声电机的一种。目前，直线超声电机可分为2类：第一类是采用2个正交方向上不同的2种振动模态合成驱动端的椭圆运动推动动子，如采用矩形板的1阶纵振模态和2阶弯振模态合成驱动端的椭圆运动；第二类是采用2个振子的相同振动模态合成椭圆运动，如采用2个相互垂直的1阶纵振振子的V形直线超声电机。第一类直线电机在设计和加工时，2个模态的频率一致性较难控制；第二类直线型超声电机在加工时，2个振子的频率一致性不容易保证。两类直线电机在每个振动周期中只有一个较短的时间驱动动子，驱动效率不高。

三、发明内容：

本发明的目的在于研制一种结构简单、大力矩、效率高、响应速度快、应用范围更广的直线运动超声电机。

本发明的方板式直线型超声电机，包括定子和动子及压电陶瓷。其特点是：所述定子是由带有4个凸齿的正方形板组成，4个凸齿中的每2个分别位于一个2阶弯振振型的波峰和波谷处，当板以这个振动模态振动时，每个凸齿只有垂直于板表面的运动；在与上述振型正交的2阶弯振振型来看，每个凸齿均偏离模态振型的波峰或波谷，当板以这个振动模态振动时，每个凸齿均沿斜线方向运动。当以π/2相位差的2个同频正弦信号同时激励正方形板另一面上粘贴的压电陶瓷片使得这2个弯曲振动模态同时被激发时，板上的凸齿将产生位于垂直于板表面的平面内的椭圆运动，由于凸齿在板上相对于模态振型的位置不同，使得每个凸齿的椭圆运动之间都具有相位差，形成了交替推动压在凸齿上的动子运动的工作模式。该电机运动的正、反方向可由2相正弦信号的相位差确定：π/2相位差使电机动子正方向运动、-π/2相位差使电机动子反方向运动。

本发明的方板式直线型超声电机除具有超声电机的一般特点外，属于单一振子利用2个正交方向同频同形模态，频率一致性容易得到保证，工作可靠。采用带有凸齿的正方形薄板作为定子，结构紧凑。利用薄板上2个相互正交的2阶弯曲振动作为工作模态，使板上的凸齿产生不同相位的椭圆运动，交替推动压在其上的动子产生直线运动，形成了在定子每个振动周期内，4个凸齿在4个时间段分别驱动，驱动效率高、力矩大。由于正方形板在两个垂直方向上具有相近的力学性质，可大大降低设计和制造的难度，有利于产业化。由两路同频有相位差的正弦信号激励，驱动电路简单。

四、附图说明：

图1.是方板式直线型超声电机定子结构示意图。

图中标号名称：1、2、3、4凸齿；5定子板；6、7、8、9压电陶瓷。

图2.方板式直线型超声电机结构示意图。其中，图左为z-x方向示意图，图右为z-y方向示意图。

图中标号名称：10动子；11预压力；12 z-x剖面2阶弯曲振动模态；13 z-y剖面2阶弯曲振动模态。

图3.方板式直线型超声电机压电陶瓷示意图。

图中标号名称同图1。

图4.图5.方板式直线型超声电机工作原理示意图。

图中标号名称：14、15定子凸齿端面质点运动轨迹；16动子运动方向。

五、具体实施方式：

一种直线运动超声电机如图2所示，其定子由图1所示。其特点：定子是由带有4个凸齿1、2、3、4的正方形金属板5构成，板的背面对应地粘贴有四片压电陶瓷6、7、8、9，用于激发定子板5的弯曲振动。如图3所示，其中，压电陶瓷7、8用于激发如图2所示的定子板在x-z剖面的2阶弯曲振动模态12；压电陶瓷6、9用于激发如图2所示的定子板在y-z剖面的2阶弯曲振动模态13。凸齿2、3位于2阶弯曲振动模态13的波峰处、凸齿1、4位于2阶弯曲振动模态13的波谷处；凸齿1、2位于2阶弯曲振动模态12的波谷与节线之间、凸齿3、4位于2阶弯曲振动模态12的波峰与节线之间。

在压电陶瓷7、8上分别施加电信号E₁＝Vsin(ωt)和E₂＝-Vsin(ωt)，可激发如图2所示的定子的2阶弯曲振动模态13；在压电陶瓷6、9上分别施加电信号E₃＝Vsin(ωt+π/2)和E₄＝-Vsin(ωt+π/2)，可激发如图2所示的定子的弯曲振动模态12。当4个信号(E₁、E₂、E₃、E₄)同时施加时，2个模态12、13的叠加可使凸齿1、2、3、4与动子10接触处产生如图4所示的在x-z面上的相互之间具有π/2相位差的椭圆运动14；4个凸齿端面的运动经摩擦交替推动动子10沿图4所示的方向16运动。

同理，在压电陶瓷7、8上分别施加电信号E₁＝Vsin(ωt)和E₂＝-Vsin(ωt)，可激发如图2所示的定子的2阶弯曲振动模态13；在压电陶瓷6、9上分别施加电信号E₃＝Vsin(ωt-π/2)和E₄＝-Vsin(ωt-π/2)，可激发如图2所示的定子的弯曲振动模态12。当4个信号(E₁、E₂、E₃、E₄)同时施加时，2个模态12、13的叠加可使四个凸齿1、2、3、4与动子10接触处产生如图5所示的在x-z面上的相互之间具有π/2相位差的椭圆运动15；4个凸齿端面的运动经摩擦交替推动动子10沿图5所示的方向16运动。

该超声电机结构紧凑，有利于小型化；在相近特征尺寸上容易实现频率一致性，有利于产业化；每个振动周期4个凸齿在4个时间段分别驱动，驱动效率高；力矩较大、工作可靠。

结构设计原则：

1.凸齿2、3位于振型13的波峰处、凸齿1、4位于振型13的波谷处，使凸齿工作时没有y方向的位移，以免造成不必要的磨损；凸齿1、2位于振型12的波谷与节线之间、凸齿3、4位于振型12的波峰与节线之间，使凸齿工作时具有x方向的位移，凸齿的高度与电机速度相关，高度越大速度越快，但太大的高度会对模态频率产生影响，不利于频率一致性要求。

2.压电陶瓷7、8用于激发定子板在x-z剖面的2阶弯曲振动模态12，由于板弯曲时，其波峰或波谷处应变最大，应尽量将压电陶瓷7、8分别粘贴于振动模态12的波谷和波峰附近，以提高激励效率；同理，压电陶瓷6、9用于激发定子板在y-z剖面的2阶弯曲振动模态13，应尽量将压电陶瓷6、9分别粘贴于振动模态13的波谷和波峰附近，以提高激励效率。

3.定子板在2个方向上的工作模态分别具有3条节线，如图3所示。在2个模态同时工作时，6条节线在定子板中面上形成9个节点，可选用其中3个作为定子支撑点，以减小支撑对工作模态的干扰。

Claims (2)

1.一种方板式直线型超声电机，包括定子、动子和压电陶瓷，其特征在于，所述定子为一个面上带有4个凸齿的正方形板(5)，该正方形板(5)的另一个面上粘贴有四个压电陶瓷(6、7、8、9)，用于激发定子板在2个方向上的2阶弯曲振动；所述动子(10)由预压力(11)压在定子凸齿上。

2.一种如权利要求1所述的方板式直线型超声电机的电激励方式，其特征在于，用相位差为π/2的正弦信号同时激励定子板在2个相互正交的2阶弯振，使板上的4个凸齿产生在时间上相互具有π/2相位差的椭圆运动，经摩擦推动动子运动。

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