CN102780417A

CN102780417A - 微小型减摩驱动式直线超声电机及其激励方式

Info

Publication number: CN102780417A
Application number: CN2012102106181A
Authority: CN
Inventors: 胡俊辉; 芦小龙; 赵淳生
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102780417B

Abstract

本发明公开了一种微小型减摩驱动式直线超声电机及其激励方式，该电机包括金属基板以及压电陶瓷片，该压电陶瓷片具有三个极化方向相同的极化分区，其中：所述的三个极化分区中，位于中部的为弯振极化分区，而位于两侧的则为纵振极化分区；所述金属基板包括基板本体，该基板本体的一侧与压电陶瓷片复合成一体，另一侧的两端则分别设置第一驱动足、第二驱动足，第一驱动足、第二驱动足分别与压电陶瓷片两侧的纵振极化分区相对设置；所述弯振极化分区、纵振极化分区分别与相应的激励电源连接。因此，与相同体积的传统型超声电机相比，电机本体具有结构紧凑，性能稳定，输出功率较大的特点，因此，该类型的电机在微小作动器领域也有着广阔的应用前景和研究价值。

Description

微小型减摩驱动式直线超声电机及其激励方式

技术领域

本发明涉及一种微小型减摩驱动式直线超声电机及电激励方式，属超声电机领域。

背景技术

超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，依靠摩擦力驱动的新型作动器。直线型超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有大转矩质量比、快速响应、精密定位和无电磁干扰等优点，在生物医疗、精密驱动、光学器件以及航空航天等领域具有广泛的应用前景。

传统的直线型超声电机要求金属基板有两个工作模态，两模态在驱动端部组合后产生椭圆运动，进而推动压在上面的转子产生直线运动。该类型的超声电机对两相模态的频率一致性要求很高，并且由于预压力的作用，工作模态频率将发生飘移，金属基板初始设计的模态频率对预压力的敏感度通常不一致，因此，造成电机控制困难，输出效率低等现象。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种微小型减摩驱动式直线超声电机，该减摩驱动式直线超声电机基于新型的工作原理，其两工作模态激发出非对称型的驱动力，进而输出推力或扭矩。与相同体积的传统型超声电机相比，电机本体具有结构紧凑，性能稳定，输出功率较大的特点，因此，该类型的电机在微小作动器领域也有着广阔的应用前景和研究价值。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种微小型减摩驱动式直线超声电机，包括金属基板以及压电陶瓷片，该压电陶瓷片具有三个极化方向相同的极化分区，其中：所述的三个极化分区中，位于中部的为弯振极化分区，而位于两侧的则为纵振极化分区；所述金属基板包括基板本体，该基板本体的一侧与压电陶瓷片复合成一体，另一侧的两端则分别设置第一驱动足、第二驱动足，第一驱动足、第二驱动足分别与压电陶瓷片两侧的纵振极化分区相对设置；所述弯振极化分区、纵振极化分区分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态、纵振极化分区的相对端产生局部微幅振动模态，所述金属基板以一阶弯曲振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的减摩模态。

所述弯振极化分区的长度长于纵振极化分区长度。

本发明另一技术目的是提供一种上述微小型减摩驱动式直线超声电机的电激励方式，采用连续式方波信号作为压电陶瓷片弯振极化分区的激励电源、两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号作为压电陶瓷片两侧纵振极化分区的激励电源；压电陶瓷片的弯振极化分区在连续式方波信号的激发下，促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态，连续式方波信号的激励频率与一阶弯曲振动模态频率f1相等；压电陶瓷片两侧的纵振极化分区在两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号的激发下，促使金属基板两侧纵振极化分区的相对端分别产生局部微幅振动模态，间隔式正弦信号的间隔频率与一阶弯曲振动模态频率f1接近，所述间隔式正弦信号的激励频率与局部微幅振动模态的频率f2相等；且局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶弯曲振动模态频率f1。

所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。

根据以上的技术方案，相应于现有技术，可以实现以下的有益效果：

1. 结构的创新：采用一片三分区式的压电陶瓷片激发电机的弯曲振动模态和局部纵向振动模态；电机在非对称的摩擦驱动力作用下发生定向运动；通过控制纵向振动的频率和幅度，可以提高电机的输出功率。

2．工作模态的创新：

该电机的金属基板对频率一致性没有要求，因此，便于控制；一阶弯曲振动模态频率较低，以便获得端部驱动足较大的运动幅度；一阶局部纵向振动模态频率较高，以便获得较好的减摩效果；电机的运动方向由激励信号的相位差确定；另外，实现减摩作用的振动模态既可以是局部纵振模态，又可以是局部弯振模态，可根据电机尺寸和具体形状进行选择；在结构没有发生变化的情况下，调节激励源的频率至该模态频率，即可激发相应的振动。

附图说明

图1为微小型减摩驱动式直线超声电机的结构示意图。

图2为微小型减摩驱动式直线超声电机的工作模态示意图；其中：图2-1为金属基板的一阶弯曲振动模态示意图；图2-2为金属基板端部的一阶局部纵向振动模态示意图。

图3为微小型减摩驱动式直线超声电机的信号端示意图。

图4为微小型减摩驱动式直线超声电机沿x轴正向运动示意图及激发信号图；图4a2、b2、c2、d2均为压电陶瓷片的电源激励信号波形图；图4a1为对应于图4a2中t0-t1时刻的压电陶瓷片振动模态图；图4b1为对应于图4b2中t1-t2时刻的压电陶瓷片振动模态图；图4c1为对应于图4c2中t2-t3时刻的压电陶瓷片振动模态图；图4d1为对应于图4d2中t3-t4时刻的压电陶瓷片振动模态图。

图5为柱状导轨式微小型减摩驱动式直线超声电机结构示意图；其中：图5-1为立体视图；图5-2为平面视图；图5-3为图5-2的左视图。

图中标号名称：1、压电陶瓷片；2、金属基板；3、第一纵振极化分区；4、弯振极化分区；5、第二纵振极化分区；6、第一驱动足；7、中部薄板；8、第二驱动足；9、复合板的一阶弯曲振动模态；10、复合板端部的局部一阶纵振模态；11、复合板端部的局部一阶纵振模态；12、连续式的方波信号；13、间隔式的正弦信号；14、间隔式的正弦信号； 15、动子；16、缺口；17、缺口；18、定子。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1至所述电机主体为一个复合平板，其特征在于：电机主体是一个由压电陶瓷片1和金属基板2组合而成的复合平板；压电陶瓷片1具有三个极化分区，极化方向相同；中间的极化区4较长，用于激发复合板的一阶弯曲振动模态9；两端的极化区3和5较短，用于分别激发复合板端部的局部一阶纵振模态10和11；金属基板2由中部薄板7和端部的两个驱动足6和8组成，驱动足6和8位于压电陶瓷片两端的极化区3和5正下方。

激励元件由一块具有三分区极化的压电陶瓷片1组成；金属基板2端部的纵向振动10和11起到超声振动减小摩擦力的作用，金属基板的一阶弯曲振动模态9使得端部的驱动足6和8在x方向上来回摆动；弯曲振动9采用连续式的方波信号12激发，纵向振动10采用间隔式的正弦信号13激发，纵向振动11采用间隔式的正弦信号14激发，信号13与14具有180°相位差；当激励信号13与方波信号12同相位时，金属基板在弯曲过程中，端部驱动足6与接触地面的摩擦驱动力小于端部驱动足8的驱动力，金属基板在回复过程中，端部驱动足6与接触地面的摩擦驱动力大于端部驱动足8的驱动力，造成了驱动力的非对称现象，宏观上，电机将产生定向直线运动；相反，当激励信号14与方波信号12同相位时，电机将产生相反方向的直线运动。

所述的微小型减摩驱动式直线超声电机的电激励方式，金属基板2的一阶弯曲振动模态9由连续式的方波信号12激发，方波信号的激励频率与金属基板2的一阶弯曲振动模态9频率f₁相等；金属基板2端部的一阶局部纵振模态10和11由两路相位差180°的间隔式的正弦信号13和14激发，间隔频率与金属基板2的一阶弯曲振动模态9频率f₁接近，正弦信号的激励频率与金属基板2端部的一阶局部纵振模态10和11频率f₂相等；为了达到较好的超声振动减摩效果，结构设计时要求f₂ 远大于f₁；

弯曲振动的信号输入端定义为A，接地端定义为GND，两路纵向振动的信号输入端分别定义为B和C，与弯曲振动公用接地端GND。电机沿x正方向运动的驱动信号如图4所示，连续式的方波信号12与信号输入端A相连，间隔式的正弦信号13和14分别与信号输入端B和C相连。t0到t1时刻，信号输入端均无信号输入，电机处于初始位置；t1到t2时刻，信号输入端A收到频率为f₁高电平信号，激发金属基板2的一阶弯曲振动模态9，信号输入端B收到频率为f₂的正弦激励信号，信号输入端C无信号输入，由于超声纵向振动具有减小摩擦力的作用，因此，端部驱动足6与接触地面的摩擦驱动力小于端部驱动足8的摩擦驱动力，带动端部驱动足6前进一段距离L1；t2到t3时刻，信号输入端A无信号输入，金属基板2恢复平直状态，信号输入端B无信号输入，信号输入端C收到频率为f₂的正弦激励信号，由于超声纵向振动具有减小摩擦力的作用，因此，端部驱动足6与接触地面的摩擦驱动力大于端部驱动足8的摩擦驱动力，带动端部驱动足8前进一段距离L2；理论上，前进的距离L1= L2=L，电机总计前进的距离为L。t3到t4时刻重复t1到t2时刻的运动，如此反复，宏观上，电机将产生定向直线运动。

该电机的运动方向由正弦激励信号与方波信号的相位差决定：当激励信号13与方波信号12同相位时，电机将产生沿x轴正向的直线运动；当激励信号14与方波信号12同相位时，电机将产生沿x轴负向的直线运动。

图5 所示为另一种实现方式，将微小型减摩驱动式直线超声电机作为动子15，其底部驱动足上开有圆孔和缺口16和17，定子18为一个圆柱体，两端固定。当采用合适的激励信号时，动子15将沿定子18的长度方向上往复运动，该实现方式可作为微小型打印机或其它微型机械中的动力执行机构使用。

Claims

1.一种微小型减摩驱动式直线超声电机，其特征在于：包括金属基板以及压电陶瓷片，该压电陶瓷片具有三个极化方向相同的极化分区，其中：所述的三个极化分区中，位于中部的为弯振极化分区，而位于两侧的则为纵振极化分区；所述金属基板包括基板本体，该基板本体的一侧与压电陶瓷片复合成一体，另一侧的两端则分别设置第一驱动足、第二驱动足，第一驱动足、第二驱动足分别与压电陶瓷片两侧的纵振极化分区相对设置；所述弯振极化分区、纵振极化分区分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态、纵振极化分区的相对端产生局部微幅振动模态，所述金属基板以一阶弯曲振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的减摩模态。

2.根据权利要求1所述微小型减摩驱动式直线超声电机，其特征在于：所述弯振极化分区的长度长于纵振极化分区长度。

3.一种权利要求1所述微小型减摩驱动式直线超声电机的电激励方式，其特征在于：采用连续式方波信号作为压电陶瓷片弯振极化分区的激励电源、两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号作为压电陶瓷片两侧纵振极化分区的激励电源；压电陶瓷片的弯振极化分区在连续式方波信号的激发下，促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态，连续式方波信号的激励频率与一阶弯曲振动模态频率f1相等；压电陶瓷片两侧的纵振极化分区在两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号的激发下，促使金属基板两侧纵振极化分区的相对端分别产生局部微幅振动模态，间隔式正弦信号的间隔频率与一阶弯曲振动模态频率f1接近，所述间隔式正弦信号的激励频率与局部微幅振动模态的频率f2相等；且局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶弯曲振动模态频率f1。

4.根据权利要求3所述微小型减摩驱动式直线超声电机的电激励方式，其特征在于：所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。