CN103427706B - 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式 - Google Patents
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Abstract
一种单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式，属于压电电机类。该电机由板形定子和一直线导轨组成。所述导轨由预压力压在板形定子的驱动足上。所述定子整体呈板形，包括振子主体和单驱动足两部分；其中由压电陶瓷材料构成的振子主体呈长方体，其上有三个极化分区；由耐磨材料构成的单驱动足通过粘接或焊接或烧结与振子主体结合为一体。该电机设计有共振和非共振两种工作模式。在共振工作模式，定子在斜直线运动轨迹的单模态并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动；在非共振工作模式，定子在强迫振动并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动。相对于现有压电电机，该压电电机不但能够有效地提高输出功率，而且驱动频带宽、工作可靠。
Description
技术领域：
本发明的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式，属压电电机领域。
背景技术：
压电电机是利用压电陶瓷的逆压电效应进行工作的新型动力输出装置。其中，直线压电电机属于压电电机的一种。与传统电磁电机相比，压电电机具有低速大力矩，瞬态响应快，定位精度高，控制特性好，不产生磁场也不受磁场影响等优点，在精密驱动，医疗器械，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
经对现有单驱动足板形压电电机的文献检索发现，专利权人为Physik-Instrumente(PI)且专利号为6765335B2的美国专利《Piezoelectric adjusting element》详细描述了一种单驱动足板形压电电机及其多种实施结构。经检索又发现，Oleksiy Vyshnevskyy，Sergej Kovalev和 Wladimir Wischnewskiy在《Ieee transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control》 （2005年第52卷第11期第2047—2053页）发表的《A Novel, Single-Mode Piezoceramic Plate Actuator for Ultrasonic Linear Motors》，该文献成功试制了上述Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的一种实施结构，并通过实验给出了这种实施结构的Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的性能数据。这种实施结构的Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机具有以下典型特征：电机的定子整体呈板形，包括振子主体和单驱动足两部分；其中由压电陶瓷材料构成的振子主体呈长方体，其上有两个极化分区；由耐磨材料构成的单驱动足通过粘接与振子主体结合为一体；这种单驱动足板形压电电机工作在共振状态，在单模态驱动下定子驱动足表面质点的运动轨迹为斜直线，由于斜直线运动轨迹可以看成是椭圆运动轨迹中法向运动与切向运动之间相位差为0的特例，因此斜直线运动轨迹的单模态驱动也可以视为双模态驱动中法向运动模态与切向运动模态之间相位差为0的特例；定子在斜直线运动轨迹的单模态驱动下工作，从而推动导轨正反向运动。和上述实施结构相比，Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的其它实施结构除了在结构形式上存在一定的差异，它们的工作原理基本相同。经检索又发现，科学出版社2007年9月出版的专著《超声电机技术与应用》（赵淳生著）一书中提到了文献《A Novel, Single-Mode Piezoceramic Plate Actuator for Ultrasonic Linear Motors》所述的这种实施结构的Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机，这种电机已经被成功地广泛应用在精密驱动等领域。
经对现有减摩驱动压电电机的文献检索发现，专利发明人为周铁英和董蜀湘且专利公开号为CN1043225A的中国专利《环形三迭片压电超声振子及用其钳位的超声微动马达》详细描述了一种减摩驱动压电电机，这种减摩驱动压电电机具有以下典型特征：其背景技术是基于交替钳位驱动原理的钳位式直线压电电机，如1978年美国Burleigh公司研制的钳位式微蠕动压电电机，旨在降低高的钳位工作电压，延长电机的使用寿命；由背景技术的交替钳位驱动原理进化到周铁英等提出的减摩驱动压电电机的交替减摩驱动原理；交替减摩驱动原理具体体现于在两个钳位振子上交替施加一频率为钳位振子谐振频率的电压信号，使得两个钳位摩擦副之间的摩擦阻力随着谐振电压信号的交替施加由静摩擦力→动摩擦力→静摩擦力→动摩擦力→...... 交替变化，即通过施加谐振电压信号降低钳位摩擦副之间的摩擦系数并进而降低钳位摩擦副之间的摩擦阻力；周铁英等提出的减摩驱动压电电机工作在非共振状态，当压电电机的驱动元件非共振周期性地伸长和缩短时，驱动足表面质点的运动轨迹为水平直线，此时如果不在某个钳位振子上施加减摩驱动信号，则两个钳位摩擦副的摩擦阻力相等，即仅依靠驱动元件非共振周期性地伸长和缩短不能够驱动电机运行，必须在某个钳位振子上施加减摩驱动信号以造成两个钳位摩擦副的摩擦阻力不相等；当周铁英等提出的减摩驱动压电电机的驱动元件非共振周期性地伸长和缩短，同时在两个钳位振子上配合驱动元件交替施加一频率为钳位振子谐振频率的减摩驱动信号，将会驱动动子实现定向运动。
经对现有减摩驱动压电电机的文献检索又发现，专利发明人为胡俊辉、芦小龙和赵淳生且专利公开号为CN102780417A的中国专利《微小型减摩驱动式直线超声电机及其激励方式》详细描述了一种粘贴片式减摩驱动直线超声电机；经检索又发现，专利发明人为胡俊辉、芦小龙和赵淳生且专利公开号为CN102751901A的中国专利《微小型减摩驱动式旋转超声电机》详细描述了一种粘贴片式减摩驱动旋转超声电机；经检索又发现，专利发明人为胡俊辉、芦小龙和赵淳生且专利公开号为CN102810997A的中国专利《减摩驱动式超声电机及其复合式定子组件》详细描述了一种螺栓紧固式减摩驱动直线超声电机；上述三种专利发明人为胡俊辉、芦小龙和赵淳生的减摩驱动式压电电机共同具有以下典型特征：其背景技术是基于双模态驱动原理的超声电机，如专利权人为Nanomotion Ltd且专利号为5453653的美国专利《Ceramic Motor》所描述的单驱动足板形压电电机、又如专利发明人为赵淳生与金龙且专利公开号为CN1242645A的中国专利《旋转型行波超声电机以及由其驱动的窗帘开合装置》所描述的旋转型行波超声电机、以及专利发明人为赵淳生与黄卫清且专利公开号为CN1405967A的中国专利《压电行波型环状超声电机》所描述的旋转型行波超声电机等，旨在解决基于双模态驱动原理的超声电机所存在的对两个工作模态频率一致性要求较高以及由此引发的电机控制困难和输出效率低的缺点；由背景技术的双模态驱动原理进化到胡俊辉等提出的减摩驱动原理；胡俊辉等提出的减摩驱动原理具体体现于通过在电机的减摩相施加间隔式正弦电压信号，间隔式地激发电机驱动足的局部纵振或弯振，使得定子与动子之间的摩擦阻力随着间隔式正弦电压信号的施加由静摩擦力→动摩擦力→静摩擦力→动摩擦力→...... 间隔式地变化，即通过施加正弦电压信号降低定子与动子之间的摩擦系数并进而降低定子与动子之间的摩擦阻力；胡俊辉等提出的减摩驱动压电电机工作在共振状态，当压电电机的驱动相施加连续式的方波信号，则会激发提供摩擦驱动力的工作模态，在工作模态的作用下驱动足表面质点的运动轨迹为水平直线，此时如果不在电机的减摩相施加间隔式正弦电压信号，则定子在水平直线运动轨迹的推程对动子的做功等于在水平直线运动轨迹的回程对动子的做功，即仅依靠水平直线运动轨迹的工作模态不能够驱动电机运行，必须在压电电机的减摩相施加激励信号以造成定子在水平直线运动轨迹的推程对动子的做功大于在水平直线运动轨迹的回程对动子的做功；当胡俊辉等提出的减摩驱动压电电机的驱动相施加连续式的方波信号，用于激发提供摩擦驱动力的工作模态，同时在电机的减摩相配合施加间隔式正弦电压信号，用于间隔式地激发提供减摩的电机驱动足局部纵振或弯振，将会驱动动子实现定向运动。
在背景技术中的上述若干压电电机虽然具有斜直线运动轨迹的单模态驱动原理和减摩驱动原理等值得称道之处，但是都存在各自的不足。
专利发明人为周铁英和董蜀湘且专利公开号为CN1043225A的中国专利《环形三迭片压电超声振子及用其钳位的超声微动马达》所描述的减摩驱动压电电机的不足之处在于：由于周铁英等提出的减摩驱动压电电机是针对钳位式直线压电电机的不足研发的，因此这种电机只能工作在非共振状态，导致它的运行速度很低，限制了它的适用范围。解决此不足之处的办法之一：设计新型工作原理的压电电机以取代钳位式工作原理的压电电机，使得新型工作原理的压电电机不仅可以工作在非共振状态，而且可以工作在共振状态。
专利发明人为胡俊辉、芦小龙和赵淳生且专利公开号分别为CN102780417A、CN102751901A和CN102810997A的中国专利所描述的三种减摩驱动超声电机的不足之处在于：由于胡俊辉等提出的减摩驱动压电电机是针对双模态驱动超声电机存在的对两个工作模态频率一致性要求较高以及由此引发的电机控制困难和输出效率低的缺点研发的，因此胡俊辉等提出的减摩驱动压电电机只采用了减摩驱动原理，而放弃使用双模态驱动原理。根据科学出版社出版的专著《超声电机技术与应用》（赵淳生著）可知：尽管双模态驱动超声电机存在的对两个工作模态频率一致性要求较高以及由此引发的电机控制困难和输出效率低的缺点，但是随着技术的发展，出现了很多新技术用以解决双模态驱动超声电机的上述缺点，如双模态驱动超声电机的频率自动跟踪技术；当今已经被成功地广泛应用在各种高新科技领域的经典超声电机中，多数都是双模态驱动的超声电机；这些都说明了放弃使用双模态驱动原理是欠妥的。解决此不足之处的办法之一：将减摩驱动原理和双模态驱动原理两者有机地结合在一起，用于研发新型的压电电机；办法之二：采用斜直线运动轨迹的单模态驱动原理，用于研发新型的压电电机，由于斜直线运动轨迹的单模态驱动也可以视为双模态驱动中法向运动模态与切向运动模态之间相位差为0的特例，因此采用斜直线运动轨迹的单模态驱动原理不但具有双模态驱动原理的优点，而且不存在双模态驱动原理对两个工作模态频率一致性要求较高以及由此引发的电机控制困难和输出效率低的缺点；办法之三：将减摩驱动原理和斜直线运动轨迹的单模态驱动原理两者有机地结合在一起，用于研发新型的压电电机。
文献《A Novel, Single-Mode Piezoceramic Plate Actuator for Ultrasonic Linear Motors》所述的专利权人为Physik-Instrumente(PI)且专利号为6765335B2的美国专利《Piezoelectric adjusting element》中所描述的单驱动足板形压电电机的一种实施结构的不足之处在于：尽管Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的这种实施结构已经被成功地广泛应用在精密驱动等领域，但是从科技进步的角度来看，应该在Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的这种实施结构的斜直线运动轨迹单模态驱动机理的基础上，融入其它驱动机理，用于研发新型的压电电机。解决此不足之处的办法之一：将减摩驱动原理和斜直线运动轨迹的单模态驱动原理两者有机地结合在一起，用于研发新型的压电电机。由于Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的其它实施结构和上述实施结构在工作原理上基本相同，而且Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的全部实施结构均未采用减摩驱动原理或减摩驱动和斜直线运动轨迹的单模态驱动相结合的驱动原理，因此将减摩驱动原理和斜直线运动轨迹的单模态驱动原理两者有机结合的方法，将构成新型驱动原理的压电电机。
发明内容：
本发明针对现有技术的不足，提出一种单模态并减摩驱动、可实现正反向运动、结构简单、推重比大、激振效率高、振动能利用率高、响应速度快的单驱动足板形压电电机及其工作模式。
为达此目的，本发明提供一种单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机，由板形定子和动子构成，其中动子为一直线导轨，板形定子由振子主体和单驱动足两部分组成，所述导轨在预压力的作用下压在板形定子的单驱动足上；其中由压电陶瓷材料构成的振子主体呈长方体，其上有三个极化分区，其中两个极化分区用于共振模式下的斜直线运动轨迹的单模态驱动和非共振模式下的强迫振动驱动，另外一个极化分区用于减摩驱动；由耐磨材料构成的单驱动足通过粘接或焊接或烧结与振子主体结合为一体，所述振子主体的极化方向为沿振子主体的厚度方向进行极化；沿振子主体的厚度方向有两个表面，分别为厚度方向前表面和厚度方向后表面；在厚度方向前表面上，烧结有三块作为电极使用的相互绝缘的银层，分别对应于振子主体的三个极化分区；在厚度方向后表面上，烧结有一整块作为电极使用的银层第四银层，所述电机设计有共振和非共振两种工作模式。
作为本发明的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机，其工作模式的特征在于：该电机设计有共振和非共振两种工作模式。在共振工作模式，定子在斜直线运动轨迹的单模态并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动；在非共振工作模式，定子在强迫振动并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动。
作为本发明工作模式的进一步细化，在共振工作模式，驱动电机工作的单模态振型为斜直线运动轨迹的非对称振型10和斜直线运动轨迹的非对称振型11；斜直线运动轨迹的非对称振型10单模态和斜直线运动轨迹的非对称振型11单模态的共振频率相等，都为 ；斜直线运动轨迹的单模态激励信号的频率为，接近，同时以减摩方式驱动电机工作的为驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，减摩驱动激励信号的频率为，。
作为本发明工作模式接线方式的进一步细化，在共振和非共振两种工作模式下的接线方式如下，第四银层用于接地；第一银层单独构成电机的A相，第二银层单独构成电机的B相，第三银层单独构成电机的C相，电机的C相也是电机在共振和非共振两种工作模式的减摩驱动相。本发明用上述共振和非共振两种工作模式下的接线方式，为电机实现在共振工作模式下的斜直线运动轨迹的单模态并减摩驱动以及非共振工作模式下的强迫振动并减摩驱动打下基础。
作为本发明工作模式激励信号的进一步细化，在共振工作模式，电机的A相（或B相）输入频率为的连续正弦波激励信号，用于激发定子产生斜直线运动轨迹的非对称振型10单模态（或斜直线运动轨迹的非对称振型11单模态），同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为，的正弦波激励信号，用于同时激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态；当电机的A相输入频率为的连续正弦波激励信号，同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为的正弦波激励信号时，导轨将产生定向运动；当电机由A相切换到B相输入频率为的连续正弦波激励信号，同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为的正弦波激励信号时，导轨将产生反向的定向运动。上述在共振工作模式下的斜直线运动轨迹的单模态并减摩驱动的驱动方式，在理论上比共振工作模式下单独采用斜直线运动轨迹的单模态驱动或减摩驱动方式的输出功率和输出效率都要大。
本发明的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机，其非共振工作模式的特征在于：在非共振工作模式，驱动电机工作的强迫振动的振型为强迫弯曲振动，强迫弯曲振动激励信号的频率为；同时以减摩方式驱动电机工作的为驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，减摩驱动激励信号的频率为，。
作为本发明工作模式激励信号的进一步细化，在非共振工作模式，电机的A相输入频率为的连续正弦波或非对称锯齿波或非对称梯形波或方波激励信号，同时电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续正弦波或非对称锯齿波或非对称梯形波或方波激励信号，用于激发定子产生强迫弯曲振动；电机的C相输入周期性间隔触发的频率为，的正弦波激励信号，用于激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态；当电机的A相输入频率为的连续正弦波或非对称锯齿波或非对称梯形波或方波激励信号，同时电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续正弦波或非对称锯齿波或非对称梯形波或方波激励信号，同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为的正弦波激励信号时，导轨将产生定向运动；当电机的A相和B相输入信号同时反相，而电机的C相输入信号不变时，导轨将产生反向的定向运动。上述在非共振工作模式下的强迫振动并减摩驱动的驱动方式，在理论上比非共振工作模式下单独采用强迫振动驱动或减摩驱动方式的输出功率和输出效率都要大。
和背景技术相比，本发明的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式的创新之处在于。
1．与专利发明人为周铁英和董蜀湘且专利公开号为CN1043225A的中国专利《环形三迭片压电超声振子及用其钳位的超声微动马达》所描述的减摩驱动压电电机相比，周铁英等提出的压电电机是利用减摩驱动原理进行工作的，而且只能工作在非共振状态；而本发明的单驱动足板形压电电机是利用减摩驱动原理和斜直线运动轨迹的单模态驱动原理两者有机结合的驱动原理进行工作的，这种新型的驱动原理在理论上能够提供更大的输出功率；另外，本发明的压电电机具有共振和非共振两种工作模式，其控制方式更加灵活多样。
2．与专利发明人为胡俊辉、芦小龙和赵淳生且专利公开号分别为CN102780417A、CN102751901A和CN102810997A的中国专利所描述的三种减摩驱动超声电机相比，胡俊辉等提出的压电电机是利用减摩驱动原理进行工作的，而且只能工作在共振状态；而本发明的单驱动足板形压电电机是利用减摩驱动原理和斜直线运动轨迹的单模态驱动原理两者有机结合的驱动原理进行工作的，这种新型的驱动原理在理论上能够提供更大的输出功率；另外，本发明的压电电机具有共振和非共振两种工作模式，其控制方式更加灵活多样。
3．与文献《A Novel, Single-Mode Piezoceramic Plate Actuator for Ultrasonic Linear Motors》所述的专利权人为Physik-Instrumente(PI)且专利号为6765335B2的美国专利《Piezoelectric adjusting element》中所描述的单驱动足板形压电电机的一种实施结构相比，Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的这种实施结构是利用斜直线运动轨迹的单模态驱动原理进行工作的；而本发明的单驱动足板形压电电机是利用减摩驱动原理和斜直线运动轨迹的单模态驱动原理两者有机结合的驱动原理进行工作的，这种新型的驱动原理在理论上能够提供更大的输出功率；另外，由于Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的其它实施结构和上述实施结构在工作原理上基本相同，而且Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的全部实施结构均未采用减摩驱动原理或减摩驱动和单模态驱动相结合的驱动原理，因此本发明的单驱动足板形压电电机采用将减摩驱动原理和斜直线运动轨迹的单模态驱动原理两者有机结合的方法，将构成新型驱动原理的压电电机。
4．本发明的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式，其最大的创新点在于：（1）结构创新。和背景技术中的Physik-Instrumente(PI)单驱动足板形压电电机的全部实施结构相比，本发明的单驱动足板形压电电机在结构上增加了减摩驱动相，使之适用于斜直线运动轨迹的单模态并减摩驱动的驱动方式；（2）驱动原理创新。本发明的单驱动足板形压电电机是利用减摩驱动原理和斜直线运动轨迹的单模态驱动原理两者有机结合的驱动原理进行工作的，和背景技术中只采用斜直线运动轨迹的单模态驱动原理或减摩驱动原理的压电电机相比，单模态并减摩驱动原理的压电电机在理论上能够提供更大的输出功率。
综上所述，本发明的压电电机具有单模态并减摩驱动、可实现正反向运动，并且结构简单、推重比大、激振效率高、振动能利用率高、响应速度快等优点；除了上述优点之外，由于本发明的压电电机同时具有共振和非共振两种工作模式，使得本发明的压电电机还具有以下优点：电机既具有共振工作模式下运行速度高的优点，又具有非共振工作模式下低速运行稳定性好和定位精度高等优点；因此本发明的压电电机预计将在精密驱动（例如照相机的快速调焦装置），医疗器械，汽车，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
附图说明：
图1. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机结构示意图。
图2. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的压电陶瓷材料定子的极化方向和极化分区示意图。
图3. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的压电陶瓷材料定子表面烧结的银层电极示意图。
图4. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机定子在共振和非共振两种工作模式下定子表面银层电极的接线方式示意图。
图5. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机定子在共振工作模式下斜直线运动轨迹的单模态振型示意图；其中：图5(a)为共振工作模式下A相单相激励时定子的斜直线运动轨迹的非对称振型；图5(b)为共振工作模式下B相单相激励时定子的斜直线运动轨迹的非对称振型。
图6. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在共振工作模式下A相单模态驱动并C相减摩驱动的激励信号及电激励方式示意图；其中：图6(a)为A相单模态驱动下定子驱动足表面质点形成的斜直线运动轨迹；图6(b)为A相单模态驱动下单个周期斜直线运动轨迹的推程运动轨迹部分和回程运动轨迹部分；图6(c)为A相单模态驱动下单个周期正弦波驱动信号的推程信号部分和回程信号部分；图6(d)为A相单模态驱动并C相减摩驱动的激励信号。
图7. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在共振工作模式下B相单模态驱动并C相减摩驱动的激励信号及电激励方式示意图；其中：图7(a)为B相单模态驱动下定子驱动足表面质点形成的斜直线运动轨迹；图7(b)为B相单模态驱动下单个周期斜直线运动轨迹的推程运动轨迹部分和回程运动轨迹部分；图7(c)为B相单模态驱动下单个周期正弦波驱动信号的推程信号部分和回程信号部分；图7(d)为B相单模态驱动并C相减摩驱动的激励信号。
图8. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机定子在非共振工作模式下强迫弯曲振动的振型示意图。
图9. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在连续正弦波激励的强迫弯曲振动驱动下正向运行的激励信号及电激励方式示意图；其中：图9(a)为定子驱动足表面质点的水平直线运动轨迹及其推程运动轨迹部分和回程运动轨迹部分；图9(b)为A相的单个周期正弦波驱动信号的推程信号部分和回程信号部分；图9(c)为A、B两相强迫弯曲振动驱动并C相减摩驱动的激励信号。
图10. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在连续正弦波激励的强迫弯曲振动驱动下反向运行的激励信号及电激励方式示意图；其中：图10(a) 定子驱动足表面质点的水平直线运动轨迹及其推程运动轨迹部分和回程运动轨迹部分；图10(b)为A相的单个周期正弦波驱动信号的推程信号部分和回程信号部分；图10(c)为A、B两相强迫弯曲振动驱动并C相减摩驱动的激励信号。
图11. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在连续非对称锯齿波激励的强迫弯曲振动驱动下正向运行的激励信号及电激励方式示意图；其中：图11(a)为定子驱动足表面质点形成的水平直线运动轨迹及其推程运动轨迹部分和回程运动轨迹部分；图11(b)为A相的单个周期非对称锯齿波驱动信号的推程信号部分和回程信号部分；图11(c)为A、B两相强迫弯曲振动驱动并C相减摩驱动的激励信号。
图12. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在连续非对称锯齿波激励的强迫弯曲振动驱动下反向运行的激励信号及电激励方式示意图；其中：图12(a)为定子驱动足表面质点形成的水平直线运动轨迹及其推程运动轨迹部分和回程运动轨迹部分；图12(b)为A相的单个周期非对称锯齿波驱动信号的推程信号部分和回程信号部分；图12(c)为A、B两相强迫弯曲振动驱动并C相减摩驱动的激励信号。
图13. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在连续非对称梯形波激励的强迫弯曲振动驱动下正向运行的激励信号及电激励方式示意图；其中：图13(a)为定子驱动足表面质点形成的水平直线运动轨迹及其推程运动轨迹部分和回程运动轨迹部分；图13(b)为A相的单个周期非对称锯齿波驱动信号的推程信号部分和回程信号部分；图13(c)为A、B两相强迫弯曲振动驱动并C相减摩驱动的激励信号。
图14. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在连续非对称梯形波激励的强迫弯曲振动驱动下反向运行的激励信号及电激励方式示意图；其中：图14(a)为定子驱动足表面质点形成的水平直线运动轨迹及其推程运动轨迹部分和回程运动轨迹部分；图14(b)为A相的单个周期非对称锯齿波驱动信号的推程信号部分和回程信号部分；图14(c)为A、B两相强迫弯曲振动驱动并C相减摩驱动的激励信号。
图15. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的第二个实施例的结构示意图。
图16. 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的第三个实施例的结构示意图。
图中标号名称：1 板形定子的振子主体；2 振子主体的极化分区之一；对应于极化分区2的银层；3 振子主体的极化分区之一；对应于极化分区3的银层；4 振子主体的极化分区之一；对应于极化分区4的银层；5 板形定子的单驱动足；6 直线导轨；7 振子主体的极化方向；8 沿厚度方向振子主体的前表面；9 沿厚度方向振子主体的后表面；沿厚度方向振子主体的后表面上烧结的银层；10 板形定子在共振工作模式下A相单相激励时定子的斜直线运动轨迹的非对称振型；11 板形定子在共振工作模式下B相单相激励时定子的斜直线运动轨迹的非对称振型；12 板形定子在非共振工作模式下强迫弯曲振动的振型。
具体实施方式：
一种单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式如图1所示，电机由板形定子和动子构成，其中动子为一直线导轨6。其特点是：板形定子由振子主体1和单驱动足5两部分组成，所述导轨6在预压力的作用下压在板形定子的单驱动足5上；其中由压电陶瓷材料构成的振子主体1呈长方体，其上有三个极化分区2、3、4；由耐磨材料构成的单驱动足5通过粘接或焊接或烧结与振子主体1结合为一体；该电机设计有共振和非共振两种工作模式：在共振工作模式，定子在斜直线运动轨迹的单模态并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动；在非共振工作模式，定子在强迫振动并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动。
单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机定子的极化方向和极化分区示意图以及定子表面烧结的银层电极示意图分别如图2、图3所示。振子主体1的极化方向7为沿振子主体1的厚度方向进行极化；沿振子主体1的厚度方向有两个表面，分别为厚度方向前表面8和厚度方向后表面9；在厚度方向前表面8上，烧结有三块作为电极使用的相互绝缘的银层、、，分别对应于振子主体1的三个极化分区2、3、4；在厚度方向后表面9上，烧结有一整块作为电极使用的第四银层。
单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在共振和非共振工作模式下定子表面银层电极的接线方式示意图如图4所示。在共振和非共振工作模式下，第四银层用于接地；第一银层单独构成电机的A相；第二银层单独构成电机的B相；第三银层单独构成电机的C相，电机的C相也是电机在共振和非共振工作模式下的减摩驱动相。
单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机定子在共振工作模式下斜直线运动轨迹的单模态振型示意图如图5所示。在共振工作模式下A相单相激励时，驱动电机工作的斜直线运动轨迹的单模态的非对称振型为10，定子驱动足表面质点形成向右倾斜的斜直线运动轨迹；在共振工作模式下B相单相激励时，驱动电机工作的斜直线运动轨迹的单模态的非对称振型为11，定子驱动足表面质点形成向左倾斜的斜直线运动轨迹；斜直线运动轨迹的非对称振型10单模态和斜直线运动轨迹的非对称振型11单模态的共振频率相等，都为；单模态激励信号的频率为，接近，同时以减摩方式驱动电机工作的为驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，减摩驱动激励信号的频率为，。
单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在共振工作模式下激励信号及电激励方式示意图如图6、图7所示。在共振工作模式，电机的A相（或B相）输入频率为的连续正弦波激励信号，用于激发定子产生斜直线运动轨迹的非对称振型10单模态（或斜直线运动轨迹的非对称振型11单模态），同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为（）的正弦波激励信号，用于同时激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态；其中A相（或B相）激发的斜直线运动轨迹的单模态驱动用于提供摩擦驱动力，而C相激发的减摩驱动通过减小摩擦系数来降低摩擦阻力，进而在斜直线运动轨迹的单模态驱动的基础上降低摩阻损耗以增加输出功率。当电机的A相输入频率为的连续正弦波激励信号，则在定子驱动足表面质点将会形成向右倾斜的斜直线运动轨迹（如图6（a）所示），在它的作用下直线导轨6将会向右定向运动；根据定子驱动足运动轨迹对直线导轨6的不同作用将可单个周期向右倾斜的斜直线运动轨迹分为两部分，其中斜直线运动轨迹的斜向上运行的部分起到直接推动直线导轨6的作用，为推程运动轨迹部分，斜直线运动轨迹的斜向下运行的部分起到回归推程起点并准备再次直接推动直线导轨6的作用，为回程运动轨迹部分，当把推程运动轨迹和回程运动轨迹的始点同时移至坐标系的零点，就构成了图6（b）；对应于单个周期斜直线运动轨迹的推程和回程部分，单个周期驱动信号也可以分为推程信号和回程信号部分，当把推程信号和回程信号的始点同时移至坐标系的零点，就构成了图6（c）。根据上海科学技术出版社1998年12月出版的专著《超声波马达理论与应用》（上羽贞行、富川义郎著，杨志刚、郑学伦译）在p230--p250的描述，当要求超声电机有较大输出功率时（这种情况非常普遍），由于定动子之间的预压力较大，使得定动子之间的接触角大于180°；在此情况下，不但在全部推程运动轨迹定动子接触，而且在部分回程运动轨迹定动子也是接触的，即在推程运动轨迹定子对动子做正功，而在回程运动轨迹定子对动子做负功。为了降低回程运动轨迹的摩阻损耗，同时又不减少推程运动轨迹的功率输出，在电机的A相输入回程信号的同时电机的C相输入频率为（）的正弦波激励信号，而在电机的A相输入推程信号的同时电机的C相不输入激励信号，电机C相的输入信号表现为周期性间隔触发的正弦波激励信号；电机A相和C相的输入信号如图6（d）所示，在它的作用下直线导轨6将会向右定向运动。同理，如图7所示，当电机由A相切换到B相输入频率为的连续正弦波激励信号，则在定子驱动足表面质点将会形成向左倾斜的斜直线运动轨迹（如图7（a）所示），同时电机C相的输入信号不变，导轨6将产生反向的定向运动。
单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机定子在非共振工作模式下强迫振动的振型示意图如图8所示。在非共振工作模式，驱动电机工作的强迫振动的振型为强迫弯曲振动12，强迫振动激励信号为连续正弦波或连续非对称锯齿波或连续非对称类锯齿波或连续方波，强迫弯曲振动12激励信号的频率为；同时以减摩方式驱动电机工作的为驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，减摩驱动激励信号为周期性间隔触发的正弦波，减摩驱动激励信号的频率为，。
单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在非共振工作模式下且强迫振动激励信号为连续正弦波的激励信号及电激励方式示意图如图9、图10所示。在非共振工作模式，当电机的A相输入频率为的连续正弦波激励信号，同时电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续正弦波激励信号，则在定子驱动足表面质点将会形成往复运动的水平直线运动轨迹（如图9（a）所示）；根据定子驱动足运动轨迹对直线导轨6的不同作用将可单个周期的往复运动的水平直线运动轨迹分为两部分，先考虑直线导轨6水平向右（默认为正方向）运动的情况，由于向右的水平直线运动轨迹部分起到直接推动直线导轨6的作用，为推程运动轨迹部分，向左的水平直线运动轨迹部分起到回归推程起点并准备再次直接推动直线导轨6的作用，为回程运动轨迹部分，当把推程运动轨迹和回程运动轨迹的始点同时移至坐标系的零点，就构成了图9（a）；对应于单个周期水平直线运动轨迹的推程和回程部分，电机A相输入的单个周期正弦波驱动信号也可以分为推程信号和回程信号部分，当把推程信号和回程信号的始点同时移至坐标系的零点，就构成了图9（b）。由于定子驱动足表面质点的运动轨迹为往复运动的水平直线，使得定动子之间的接触角为360°；在此情况下，由于往复运动水平直线运动轨迹的推程运动轨迹和回程运动轨迹沿水平方向是对称的，而且正弦波驱动信号的推程信号和回程信号部分也是对称的，所以定子在推程运动轨迹对动子做的正功等于在回程运动轨迹对动子做的负功，即单纯采用连续正弦波无法驱动动子，必须加上减摩驱动；为了降低回程运动轨迹的摩阻损耗，同时又不减少推程运动轨迹的功率输出，在电机的A相输入回程信号的同时电机的C相输入频率为（）的正弦波激励信号，而在电机的A相输入推程信号的同时电机的C相不输入激励信号，则电机C相的输入信号表现为周期性间隔触发的正弦波激励信号，同时在电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续正弦波激励信号；上述电机A相、B相和C相的输入信号如图9（c）所示，在它的作用下直线导轨6将会向右定向运动。同理，如图10所示，当电机A相和B相的输入信号同时反向，同时电机C相的输入信号不变，导轨6将产生反向的定向运动。
单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在非共振工作模式下且强迫振动激励信号为连续非对称锯齿波的激励信号及电激励方式示意图如图11、图12所示。在非共振工作模式，当电机的A相输入频率为的连续非对称锯齿波激励信号，同时电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续非对称锯齿波激励信号，则在定子驱动足表面质点将会形成往复运动的水平直线运动轨迹（如图11（a）所示）；根据定子驱动足运动轨迹对直线导轨6的不同作用将可单个周期的往复运动的水平直线运动轨迹分为两部分，先考虑直线导轨6水平向右（默认为正方向）运动的情况，由于向右的水平直线运动轨迹部分起到直接推动直线导轨6的作用，为推程运动轨迹部分，向左的水平直线运动轨迹部分起到回归推程起点并准备再次直接推动直线导轨6的作用，为回程运动轨迹部分，当把推程运动轨迹和回程运动轨迹的始点同时移至坐标系的零点，就构成了图11（a）；对应于单个周期水平直线运动轨迹的推程和回程部分，电机A相输入的单个周期非对称锯齿波驱动信号也可以分为推程信号和回程信号部分，当把推程信号和回程信号的始点同时移至坐标系的零点，就构成了图11（b）。由于定子驱动足表面质点的运动轨迹为往复运动的水平直线，使得定动子间的接触角为360°；在此情况下，尽管往复运动水平直线运动轨迹的推程运动轨迹和回程运动轨迹沿水平方向是对称的，但是非对称锯齿波驱动信号的推程信号和回程信号部分是非对称的，所以定子在推程运动轨迹对动子做的正功大于在回程运动轨迹对动子做的负功，即单纯采用非对称锯齿波驱动信号可以驱动动子，因此再加上的减摩驱动必须能够进一步加大功率输出；为了降低回程运动轨迹的摩阻损耗，同时又不减少推程运动轨迹的功率输出，在电机的A相输入回程信号的同时电机的C相输入频率为（）的正弦波激励信号，而在电机的A相输入推程信号的同时电机的C相不输入激励信号，则电机C相的输入信号表现为周期性间隔触发的正弦波激励信号，同时在电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续非对称锯齿波激励信号；上述电机A相、B相和C相的输入信号如图11（c）所示，在它的作用下直线导轨6将会向右定向运动。同理，如图12所示，当电机A相和B相的输入信号同时反向，同时电机C相的输入信号不变，导轨6将产生反向的定向运动。
单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机在非共振工作模式下且强迫振动激励信号为连续非对称梯形波的激励信号及电激励方式示意图如图13、图14所示。在非共振工作模式，当电机的A相输入频率为的连续非对称梯形波激励信号，同时电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续非对称梯形波激励信号，则在定子驱动足表面质点将会形成往复运动的水平直线运动轨迹（如图13（a）所示）；根据定子驱动足运动轨迹对直线导轨6的不同作用将可单个周期的往复运动的水平直线运动轨迹分为两部分，先考虑直线导轨6水平向右（默认为正方向）运动的情况，由于向右的水平直线运动轨迹部分起到直接推动直线导轨6的作用，为推程运动轨迹部分，向左的水平直线运动轨迹部分起到回归推程起点并准备再次直接推动直线导轨6的作用，为回程运动轨迹部分，当把推程运动轨迹和回程运动轨迹的始点同时移至坐标系的零点，就构成了图13（a）；对应于单个周期水平直线运动轨迹的推程和回程部分，电机A相输入的单个周期非对称梯形波驱动信号也可以分为推程信号和回程信号部分，当把推程信号和回程信号的始点同时移至坐标系的零点，就构成了图13（b）。由于定子驱动足表面质点的运动轨迹为往复运动的水平直线，使得定动子间的接触角为360°；在此情况下，尽管往复运动水平直线运动轨迹的推程运动轨迹和回程运动轨迹沿水平方向是对称的，但是非对称梯形波驱动信号的推程信号和回程信号部分是非对称的，所以定子在推程运动轨迹对动子做的正功大于在回程运动轨迹对动子做的负功，即单纯采用非对称梯形波驱动信号可以驱动动子，因此再加上的减摩驱动必须能够进一步加大功率输出；为了降低回程运动轨迹的摩阻损耗，同时又不减少推程运动轨迹的功率输出，在电机的A相输入回程信号的同时电机的C相输入频率为（）的正弦波激励信号，而在电机的A相输入推程信号的同时电机的C相不输入激励信号，则电机C相的输入信号表现为周期性间隔触发的正弦波激励信号，同时在电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续非对称梯形波激励信号；上述电机A相、B相和C相的输入信号如图13（c）所示，在它的作用下直线导轨6将会向右定向运动。同理，如图14所示，当电机A相和B相的输入信号同时反向，同时电机C相的输入信号不变，导轨6将产生反向的定向运动。
在非共振工作模式，当电机的A相输入频率为的连续方波激励信号，同时电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续方波激励信号，用于激发定子产生强迫弯曲振动12；电机的C相输入周期性间隔触发的频率为（）的正弦波激励信号，用于激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态；由于压电电机定子为容性负载，所以压电电机的驱动过程可以视为容性负载的反复充放电过程；由于容性负载的充放电过程需要一定的时间，而且充放电时间存在较大的差异，因此本发明的压电电机在非共振工作模式下且强迫振动激励信号为连续方波的响应等效于图13和图14所示的压电电机在非共振工作模式下且强迫振动激励信号为连续非对称梯形波的响应；所以本发明的压电电机在非共振工作模式下且强迫振动激励信号为连续方波的激励信号及电激励方式等效于图13和图14。
结构设计原则：
1．振子主体1的外形尺寸必须满足；因为只有满足，当在共振工作模式下电机的A相或B相输入频率为的连续正弦波激励信号，才能够激发定子产生共振频率相同的斜直线运动轨迹的非对称振型10单模态或斜直线运动轨迹的非对称振型11单模态，使得电机适合单模态驱动；
2．在结构上必须设计减摩驱动相，使得电机在单模态驱动的基础上，能够进行减摩驱动。
Claims (7)
1.一种单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机，其特征在于：电机由板形定子和动子构成，其中动子为一直线导轨（6），板形定子由振子主体（1）和单驱动足（5）两部分组成，所述导轨（6）在预压力的作用下压在板形定子的单驱动足（5）上；其中由压电陶瓷材料构成的振子主体（1）呈长方体，其上有三个极化分区（2、3、4），其中两个极化分区（2、3）用于共振模式下斜直线运动轨迹的单模态驱动和非共振模式下的强迫振动驱动，另外一个极化分区（4）用于减摩驱动；由耐磨材料构成的单驱动足（5）通过粘接或焊接或烧结与振子主体（1）结合为一体，所述振子主体（1）的极化方向（7）为沿振子主体（1）的厚度方向进行极化；沿振子主体（1）的厚度方向有两个表面，分别为厚度方向前表面（8）和厚度方向后表面（9）；在厚度方向前表面（8）上，烧结有三块作为电极使用的相互绝缘的银层（ 、、），分别对应于振子主体（1）的三个极化分区（2、3、4）；在厚度方向后表面（9）上，烧结有一整块作为电极使用的第四银层（），所述电机设计有共振和非共振两种工作模式。
2.根据权利要求1所述的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的工作模式，其特征在于：该电机设计有共振和非共振两种工作模式，在共振工作模式，定子在斜直线运动轨迹的单模态并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动；在非共振工作模式，定子在强迫振动并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动。
3.根据权利要求2所述的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的工作模式，其特征在于：在共振工作模式，驱动电机工作的单模态振型为斜直线运动轨迹的非对称振型（10、11）；斜直线运动轨迹的非对称振型（10）单模态和斜直线运动轨迹的非对称振型（11）单模态的共振频率相等，都为；单模态激励信号的频率为，接近，同时以减摩方式驱动电机工作的为驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，减摩驱动激励信号的频率为，。
4.根据权利要求2所述的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的工作模式，其特征在于：在共振和非共振两种工作模式的接线方式如下，第四银层（）用于接地；第一银层（）单独构成电机的A相，第二银层（）单独构成电机的B相，第三银层（）单独构成电机的C相，电机的C相也是电机在共振和非共振两种工作模式的减摩驱动相。
5.根据权利要求2所述的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的工作模式，其特征在于：在共振工作模式，电机的A相或B相输入频率为的连续正弦波激励信号，用于激发定子产生斜直线运动轨迹的非对称振型（10）单模态或斜直线运动轨迹的非对称振型（11）单模态，同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为，的正弦波激励信号，用于同时激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态；当电机的A相输入频率为的连续正弦波激励信号，同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为的正弦波激励信号时，导轨（6）将产生定向运动；当电机由A相切换到B相输入频率为的连续正弦波激励信号，同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为的正弦波激励信号时，导轨（6）将产生反向的定向运动。
6.根据权利要求2所述的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的工作模式，其特征在于：在非共振工作模式，驱动电机工作的强迫振动的振型为强迫弯曲振动（12），强迫弯曲振动（12）激励信号的频率为；同时以减摩方式驱动电机工作的为驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，减摩驱动激励信号的频率为，。
7.根据权利要求2所述的单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机的工作模式，其特征在于：在非共振工作模式，电机的A相输入频率为的连续正弦波或非对称锯齿波或非对称梯形波或方波激励信号，同时电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续正弦波或非对称锯齿波或非对称梯形波或方波激励信号，用于激发定子产生强迫弯曲振动（12）；电机的C相输入周期性间隔触发的频率为，的正弦波激励信号，用于激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态；当电机的A相输入频率为的连续正弦波或非对称锯齿波或非对称梯形波或方波激励信号，同时电机的B相输入和电机的A相反相的频率为的连续正弦波或非对称锯齿波或非对称梯形波或方波激励信号，同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为的正弦波激励信号时，导轨（6）将产生定向运动；当电机的A相和B相输入信号同时反相，而电机的C相输入信号不变时，导轨（6）将产生反向的定向运动。
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