CN103326615B

CN103326615B - 基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机

Info

Publication number: CN103326615B
Application number: CN201310229534.7A
Authority: CN
Inventors: 张健滔; 刘扬; 刘刚长; 李朝东
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103326615A

Abstract

本发明提供一种基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机，包括定子和动子，所述定子为三棱柱结构的压电振子，在其二个侧面粘贴有压电陶瓷片，其圆孔的内螺纹与圆柱体动子的外螺纹配合作用。电机定子结构具有不对称性，两个工作振动模态频率并不相等，每片压电陶瓷片产生的激励力方向都与两个工作模态振动方向成夹角关系。单片压电陶瓷片就能激励出两个工作模态振动，但两者响应存在一个相位差。该电机可以利用单相电信号工作，也可以利用两相电信号工作。该电机具有结构简单、易于小型化、能直接输出低速直线驱动力、定位精度高、对电机驱动器设计要求低等特点。

Description

基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机

技术领域

本发明涉及一种直线超声电机，特别涉及一种基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机。

背景技术

直线超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应和弹性体的超声振动工作的新型微电机，具有结构简单、形式多样化、体积小、质量轻、能直接输出直线运动、位置与速度控制性好、定位精度高等优点，在光学仪器仪表、智能机器人、精密运动系统、航空航天、医学仪器等领域有广泛的应用前景。目前直线超声电机包括利用单相电信号激励一个振动模态，而且只利用这一个振动模态来工作的单相直线超声电机，例如CN200580015994.3，CN201110180280.5；利用两相电信号分别激励两个振动模态，并利用这两个振动模态来工作的两相直线超声电机，例如CN200480032928.2，CN200720170508.1。目前单相直线超声电机仅需单相超声电机驱动器来驱动，但其体积往往较大；两相直线超声电机体积可以小型化，但其需要两相驱动器来驱动，对驱动器的设计要求高，不利于在便携式的电子设备上推广应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机，其可利用一个电信号激励出两个振动工作模态，可利用单相电信号进行工作，也可利用两相电信号进行工作。利用单相电信号来工作时，其仅需单相超声电机驱动器驱动，降低了对驱动器的设计要求。同时该电机具有工作频域宽、运行效率高、结构紧凑、直线定位精度高、易于小型化、低速直接驱动等特点。

本发明的构思是：

利用的工作振动模态为两个一阶弯振模态，这两个弯振模态在空间上正交，但由于三棱柱振子的不对称性，两个弯振模态频率不相等。不同于现有的利用两个弯振模态工作的超声电机，其结构往往是对称的，模态频率往往是相等的。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机，包括定子和圆柱体动子，所述定子为三棱柱结构的压电振子，其中间圆孔加工有内螺纹，在所述定子二个侧面粘贴有第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，所述定子中间圆孔的内螺纹与圆柱体动子的外螺纹相配合；所述定子结构具有不对称性，两个空间正交的工作模态的频率不相等；第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片所产生的激励力方向都与两个工作模态振动方向成夹角关系，每片压电陶瓷片都能激励出两个工作模态振动，但两个工作模态振动的响应存在相位差；单相电信号激励其中一片压电陶瓷片，驱动圆柱体动子沿着一个方向进行旋转直线运动，单相电信号激励另一片压电陶瓷片，两个工作振动模态的响应相位差改变，驱动圆柱体动子沿着相反方向进行旋转直线运动；两相相位差为λ的电信号同时分别激励第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，激励出的两个工作振动模态的响应相位差为ζ，此时，定子驱动圆柱体动子沿着一个方向进行旋转直线运动，通过调节两相电信号的相位差λ，进而改变两个工作振动模态的响应相位差ζ，能控制圆柱体动子直线运动的方向。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著地优点：

本发明利用了电机定子结构的不对称性以及激励力与两个振动模态的振动方向不一致性，即使只激励单片压电陶瓷工作，也能激发出两个工作振动模态，而且两者响应存在一个相位差。该电机可利用单相电信号工作，也可利用两相电信号工作。利用单相电信号工作，可以降低超声电机驱动器设计的复杂度，利于该直线超声电机与便携式移动电子设备集成应用的推广。同时该电机具有工作频域宽、运行效率高、零部件少、结构紧凑、易于小型化、能直接输出低速直线驱动力等特点。

附图说明

图1是本发明基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机结构示意图。

图2是本发明直线超声电机定子第一个工作模态的振型图。其中图2（a）是第一个工作模态振型的主视图，图2（b）是第一个工作模态振型的俯视图，图2（b）中箭头41是定子弹性体振动方向。

图3是本发明直线超声电机定子第二个工作模态的振型图。其中图3（a）是第二个工作模态振型的主视图，图3（b）是第二个工作模态振型的俯视图，图3（b）中箭头42是定子弹性体振动方向。

图4是本发明直线超声电机单相/两相激励接线图及压电陶瓷片极化方向示意图，图中箭头代表压电陶瓷片的极化方向。

图5是本发明直线超声电机单相电信号激励时压电陶瓷片激励力方向示意图，图中箭头代表压电陶瓷片激励力的作用方向。

图6是本发明直线超声电机两相电信号激励时压电陶瓷片激励力方向示意图，图中箭头代表压电陶瓷片激励力的作用方向。

具体实施方式

本发明基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机优先实施例结合附图详述如下：

如图1所示，一种基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机，包括定子11和圆柱体动子21，所述定子11为三棱柱结构的压电振子，其中间圆孔加工有内螺纹，在所述定子11二个侧面粘贴有第一压电陶瓷片12和第二压电陶瓷片13，所述定子11中间圆孔的内螺纹与圆柱体动子21的外螺纹相配合；定子11驱动圆柱体动子21旋转直线运动，图1中31为圆柱体动子21的旋转方向，32为圆柱体动子21的直线运动方向。

本发明提供的基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机，其所利用的两个工作模态的振型如图2和图3所示。第一个工作模态振型主视图如图2（a）所示，俯视图如图2（b），定子11弹性体沿图2（b）中箭头41的方向左右弯曲振动。第二个工作模态振型主视图如图3（a）所示，俯视图如图3（b），定子11弹性体沿图3（b）中箭头42的方向上下弯曲振动。这两个工作振动模态在空间上是正交的，但由于三棱柱振子沿这两个正交振动方向的刚度与分布质量都不一致，因此这两个振动模态的频率是不相等的。其不同于现有的超声电机，它们的结构往往是对称的，模态频率往往是相等的。

所述的直线超声电机的一种压电陶瓷片的具体布置方式及电信号激励接线方式如图4所示。三棱柱形定子11的二个侧面粘贴有第一压电陶瓷片12和第二压电陶瓷片13，压电陶瓷片的极化方向如图4箭头所示。当单相电信号激励工作时，信号输入端1或2接一路正弦电压信号，信号输入端3接地。当两相电信号激励工作时，信号输入端1与2接两路有一定相位差的正弦电压信号，信号输入端3接地。

图5是本发明直线超声电机单相电信号激励时压电陶瓷片激励力方向示意图，直线4和5分别为第一个工作模态和第二个工作模态的端面节线。图5中信号输入端1接入一路正弦电压信号E=W ₀sin(ωt)，信号输入端3接地，此时电机单相工作，压电陶瓷片产生的激励力的方向如箭头6所示。激励力方向与两个工作模态的振动方向都有一夹角，激励力的分量能激励出两个工作振动模态，但两者响应存在一个相位差φ ₁。此时，定子11将驱动动子12将沿着一个方向进行旋转直线运动。当给信号输入端2（图4所示）接入一路正弦电压信号E=W ₀sin(ωt)，信号输入端3接地，两个工作振动模态的响应相位差将改变，定子11将能驱动动子12沿反方向进行旋转直线运动。

图6是本发明直线超声电机两相电信号激励时压电陶瓷片激励力方向示意图，直线4和5分别为第一个工作模态和第二个工作模态的端面节线。图6中信号输入端1接入正弦电压信号E=W ₀sin(ωt)，信号输入端2接入正弦电压信号E=W ₀sin(ωt+λ)，信号输入端3接地，此时电机两相工作，两片压电陶瓷片产生的激励力的方向分别如图6箭头6和7所示。左侧压电陶瓷片产生的激励力方向与两个工作模态的振动方向都有一夹角，激励力的分量能激励出两个工作振动模态，但两者响应存在一个相位差φ ₁。右侧压电陶瓷片产生的激励力方向也与两个工作模态的振动方向都有一夹角，激励力的分量也能激励出两个工作振动模态，但两者响应存在一个相位差φ ₂。最终，两个工作振动模态的响应相位差为ζ，此时，定子11将驱动动子12将沿着一个方向进行旋转直线运动。通过调节两相电信号的相位差λ，可改变两个工作振动模态的响应相位差ζ，进而能实现动子12反方向直线运动。

Claims

1.一种基于不对称振动模态的三棱柱形直线超声电机，其特征在于，包括定子（11）和圆柱体动子（21），所述定子（11）为三棱柱结构的压电振子，其中间圆孔加工有内螺纹，在所述定子（11）二个侧面粘贴有第一压电陶瓷片（12）和第二压电陶瓷片（13），所述定子（11）中间圆孔的内螺纹与圆柱体动子（21）的外螺纹相配合；所述定子（11）结构具有不对称性，两个空间正交的工作模态的频率不相等；第一压电陶瓷片（12）和第二压电陶瓷片（13）所产生的激励力方向都与两个工作模态振动方向成夹角关系，每片压电陶瓷片都能激励出两个工作模态振动，但两个工作模态振动的响应存在相位差；单相电信号激励其中一片压电陶瓷片，驱动圆柱体动子（21）沿着一个方向进行旋转直线运动，单相电信号激励另一片压电陶瓷片，两个工作振动模态的响应相位差改变，驱动圆柱体动子（21）沿着相反方向进行旋转直线运动；两相相位差为λ的电信号同时分别激励第一压电陶瓷片（12）和第二压电陶瓷片（13），激励出的两个工作振动模态的响应相位差为ζ，此时，定子（11）驱动圆柱体动子（21）沿着一个方向进行旋转直线运动，通过调节两相电信号的相位差λ，进而改变两个工作振动模态的响应相位差ζ，能控制圆柱体动子（21）直线运动的方向。