CN105006990A - 基于h形压电换能结构驱动的平面超声电机及其工作模态 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机及其工作模态，支座组件通过其底板一侧固定的立板与所述动子组件连接，定子组件位于所述支座组件与动子组件之间，通过驱动足与动子组件连接，并通过支座组件的定子固定螺钉与底板连接。本发明采用简单的H形结构定子，同时实现动子两直线自由度方向的直接驱动，从而使电机能产生微米级甚至更高精度等级的精密运动性，并使电机具有快速响应特性；定子组件的两对驱动足交替地推动动子组件作平面运动，能成倍增大电机输出动力，并使电机运行更趋稳定；利用设置在H形结构板平面内的驱动足对动子进行驱动，有利于实现电机微型化、平板化设计。

Description

基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机及其工作模态

技术领域

本发明涉及一种利用H形结构板的两相面内振动工作模态和一相面外振动工作模态复合驱动的两自由度平面超声电机，属于多自由度超声电机领域。

背景技术

超声电机是现代制造装备、航天器件、新式武器、家用及办公自动化设备不可或缺的重要执行部件，分为旋转型、直线型、单自由度、多自由度等多种形式。目前，旋转型和直线型超声电机技术日渐成熟，超声电机产业化也主要集中于这两类电机，而平面超声电机(PUSM)作为多自由度电机的一种特定型式，因存在运动和动力耦联特征，而使其技术冲突激增、设计复杂、驱动控制困难，从而造成其发展相对迟缓。迄今，已推出的PUSM主要有柱杆式、平板式、组合式等结构。国外研究方面，2001年，韩国Hong基于矩形板一纵和四弯模态实现一种平面超声电机，但该电机结构复杂。2006年，法国Dembele研制出一种小型三自由度平面超声电机，尺寸64mm×38mm×2.5mm；同年，比利时的Vijver研制出一种压电三自由度平面工作平台，精度达l0nm。2007年日本青山尚基于压电电致伸缩效应研制出一种具有纳米级定位精度平面电机，但电机速度极慢，只适于显微操作平台驱动；2012年Scuor设计出基于超声电机的五自由度定位平台。在国内，2002年刘俊标推出圆柱杆振动驱动的平面电机。2008年，时运来基于变截杆在正交方向上两个四阶弯振，研制出一种柱杆式两自由度平面电机，该电机最高速度190mm/s，最大推力19N。2009年，哈工大陈维山推出基于十字正交聚能器驱动的平面超声电机，推力达100N。2014年，严亮等研制出单定子两自由度平面超声驱动器。总体地看，由于发展时间不长，现已推出的平面超声电机结构型式还极其有限，电机的性能上普遍处于较低。尽管如此，由于平面超声电机实现了平面运动直接驱动，响应快、动力密度大、定位精密高，故在大集成度硅加工、精密光整加工、光纤装配、显微医学操作等众多领域内有着特殊重要的应用前景，在微驱动、微装配、机器人等许多高新技术领域中可发挥出其它电机难以替代的重要作用。基于上述背景，本发明提出一种利用H形结构板的面内面外弯振复合模态推动电机动子做平面运动的两自由度平面运动超声电机。迄今，在国内外还未见与本发明具有类似原理和结构的其他超声电机。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种利用H形结构板面内纵弯振动模态以及面外弯振模态驱动的平面超声电机，该电机具有微米级、亚微米级运动分辨率，毫秒级响应速度，能产生较大运动速度，并输出较大推力，在精密平面运动定位、小型和微型伺服执行机构驱动等应用中存在广泛应用前景。

鉴于上述目的，本发明采用以下技术方案。基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机，包括定子组件、动子组件和支座组件，所述支座组件通过其底板一侧固定的立板与所述动子组件连接，所述定子组件位于所述支座组件与所述动子组件之间，通过驱动足与动子组件连接，并通过所述支座组件的定子固定螺钉与底板连接；

所述定子组件包括H形结构板和压电陶瓷激励组件，H形结构板由两纵杆及位于纵杆中段连接的横杆构成，纵杆上设置有调整孔，横杆的中间设置有螺纹孔；纵杆呈方形条状结构，且方形的四面均粘帖有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件由面内纵振激励陶瓷、面内弯振激励陶瓷和面外弯振激励陶瓷组成；所述面内纵振激励陶瓷分别粘贴于的两纵杆与横杆交汇处的正、反面，所述面内弯振激励陶瓷分别粘贴于两纵杆端部的左、右侧面，所述面外弯振激励陶瓷分别粘贴于两纵杆端部的正、反面；纵杆正、反面的末端设置有驱动足，驱动足的厚度高于压电陶瓷激励组件的面内纵振激励陶瓷和面外弯振激励陶瓷的厚度，且驱动足平行于H形结构板平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，纵杆正面末端的驱动足与平面滑板的底面接触；

所述动子组件由平面滑板、滚珠和动子支座构成，动子支座与平面滑板之间夹装有滚珠，动子支座面向平面滑板的一面设置有凹坑，凹坑呈半球形结构，滚珠装于凹坑内；

所述支座组件包括立板、底板、橡胶块、侧板和碟簧，底板上面的一侧固定有立板，立板上设置有立板固定螺钉，底板上面的另一侧固定有侧板，侧板呈方框形且左右相对的内侧装有橡胶块，侧板方框形的中心安装有定子固定螺钉，侧板上设置有侧板固定螺钉和定位销，定子固定螺钉的外周套装有碟簧，碟簧位于定子组件与支座组件的底板之间，碟簧的高度高于H形结构板纵杆上驱动足的厚度，底板装有支座固定螺钉。

一种基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机的工作模态，利用定子组件特定的三相工作模态振动，其中，面外二阶反对称弯振模态用于实现动子组件与定子组件之间的接触与脱离，面内一阶反对称纵振模态和面内二阶对称弯振模态则分别实现驱动动子组件的平面滑板沿Y向和X向的运动；

所述面外二阶反对称弯振模态是基于压电陶瓷的逆压电效应，通过对面外弯振激励陶瓷施加特定的激励电压，激发两纵杆基于H形结构板平面的面外二阶弯曲振动，驱使同一纵杆两末端分别沿垂直于H形结构板平面的两反方向弯曲并高出H形结构板平面，左杆与右杆的面外二阶弯曲振动振型相反，使得H形结构板的两纵杆沿对角线方向分为两组的驱动足交替的保持和动子组件的平面滑板接触与分离；

所述面内一阶反对称纵振模态是通过对面内纵振激励陶瓷施加特定的激励电压，激发H形结构板的两纵杆沿杆长方向伸长或收缩振动，左杆与右杆分别保持其中一杆伸长而另一杆收缩的振动状态，使得两组驱动足交替的推动动子组件的平面滑板沿Y向移动；

所述面内二阶对称弯振模态是通过对面内弯振激励陶瓷施加特定的激励电压，激发两纵杆基于H形结构板平面的面内二阶弯曲振动，左杆与右杆的面内二阶弯曲振动振型对称，使得两组驱动足交替的推动动子组件的平面滑板沿X向移动。

本发明的技术效果是：1、采用简单的H形结构定子，同时实现动子两直线自由度方向的直接驱动，避免了传统XY平面移动装置中采用运动变换机构所带来的平面运动误差，从而使电机能产生微米级甚至更高精度等级的精密运动性，并使电机具有快速响应特性；2、定子组件的两对驱动足交替地推动动子组件作平面运动，能成倍增大电机输出动力，并使电机运行更趋稳定；3、电机利用设置在H形结构板平面内的驱动足对动子进行驱动，有利于实现电机微型化、平板化设计。

附图说明

图1为本发明的立体结构局部剖视图；

图2为本发明中定子组件的立体结构示意图；

图3为本发明中动子组件的立体结构示意图；

图4为本发明中支座组件的立体结构示意图；

图5为工作模态的面内一阶反对称纵振示意图；

图6为工作模态的面外二阶反对称弯振示意图；

图7为工作模态的面内二阶对称弯振示意图；

图8为压电陶瓷位置布置及其压电极化供电配置主视图；

图9为压电陶瓷位置布置及其压电极化供电配置左视图；

图10为Y向运动驱动原理面内一阶纵振示意图；

图11为Y向运动驱动原理面外二阶弯振示意图；

图12为X向运动驱动原理面内二阶弯振示意图(一)；

图13为X向运动驱动原理面内二阶弯振示意图(二)；

图14为X向运动驱动原理面外二阶弯振示意图；

图15为驱动足推动动子X向运动驱动原理俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图7，基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机，包括定子组件1、动子组件2和支座组件3，所述定子组件1包括H形结构板11和压电陶瓷激励组件12，H形结构板11由两纵杆114及位于两纵杆114中段并与两纵杆114连为一体的横杆115构成，纵杆114上设置有调整孔112，横杆115的中间设置有螺纹孔113；两纵杆114的四周表面粘帖有压电陶瓷激励组件12；所述纵杆114呈方形条状结构，纵杆114两端的正、反面均设置有驱动足111，驱动足111的厚度高于压电陶瓷激励组件12的面内纵振激励陶瓷121和面外弯振激励陶瓷123的厚度，且驱动足111平行于H形结构板11平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，纵杆114正面末端的驱动足111与平面滑板21的底面接触；

所述动子组件2包括平面滑板21、滚珠22和动子支座23，滚珠22夹装在动子支座23与平面滑板21之间，动子支座23面向平面滑板21的一面设置有凹坑231，凹坑231呈半球形结构，滚珠22装于凹坑231内；

所述支座组件3包括立板31、底板32、橡胶块33、侧板34和碟簧35，底板32上面的一侧固定有立板31，立板31上设置有螺钉，底板32上面的另一侧固定有侧板34，侧板34呈方框形且左右相对的内侧装有橡胶块33，侧板34方框形的中心安装有定子固定螺钉37，侧板34上设置有螺钉和定位销，定子固定螺钉37的外周固定套装有碟簧35，底板32装有支座固定螺钉36；

所述支座组件3通过其底板32一侧固定的立板31与所述动子组件2的动子支座23连接，所述定子组件1的H形结构板11通过螺纹孔113用定子固定螺钉37固定于侧板34内，侧板34左右相对内侧的橡胶块33顶于H形结构板11的外侧，碟簧35位于H形结构板11与底板32之间，驱动足111与动子组件2的平面滑板21底面连接。

所述压电陶瓷激励组件12由多片压电陶瓷片组成，包括面内纵振激励陶瓷121、面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷123，面内纵振激励陶瓷121分别粘贴于的两纵杆114与横杆115交汇处的正、反面；面内弯振激励陶瓷122分别粘贴于两纵杆114端部的左、右侧面；面外弯振激励陶瓷123分别粘贴于两纵杆114端部的正、反面。

一种基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机的工作模态，利用定子组件1特定的三相工作模态振动，其中，面外二阶反对称弯振模态用于实现动子组件1与定子组件2之间的接触与脱离，面内一阶反对称纵振模态和面内二阶对称弯振模态则分别实现驱动动子组件2的平面滑板21沿Y向和X向的运动；

所述面外二阶反对称弯振模态是基于压电陶瓷的逆压电效应，通过对面外弯振激励陶瓷123施加特定的激励电压，激发两纵杆114基于H形结构板11平面的面外二阶弯曲振动，驱使同一纵杆114两末端分别沿垂直于H形结构板11平面的两反方向弯曲并高出H形结构板11平面，左杆1141与右杆1142的面外二阶弯曲振动振型相反，使得H形结构板11的两纵杆114沿对角线方向分为两组的驱动足111交替的保持和动子组件2的平面滑板21接触与分离；

所述面内一阶反对称纵振模态是通过对面内纵振激励陶瓷121施加特定的激励电压，激发H形结构板11的两纵杆114沿杆长方向伸长或收缩振动，左杆1141与右杆1142分别保持其中一杆伸长而另一杆收缩的振动状态，使得两组驱动足111交替的推动动子组件2的平面滑板21沿Y向移动；

所述面内二阶对称弯振模态是通过对面内弯振激励陶瓷122施加特定的激励电压，激发两纵杆114基于H形结构板11平面的面内二阶弯曲振动，左杆1141与右杆1142的面内二阶弯曲振动振型对称，使得两组驱动足111交替的推动动子组件2的平面滑板21沿X向移动。

实施例：本发明基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机，包括定子组件1、动子组件2和支座组件3，参见图1至图4。支座组件3通过其底板32一侧固定的立板31与动子组件2连接，定子组件1位于支座组件3与动子组件2之间，通过驱动足111与动子组件2连接，并通过支座组件3的定子固定螺钉37与底板32连接；定子组件1包括H形结构板11和压电陶瓷激励组件12，H形结构板11由两纵杆114及位于纵杆114中段连接的横杆115构成，纵杆114上设置有调整孔112，横杆115的中间设置有螺纹孔113；纵杆114呈方形条状结构，压电陶瓷激励组件12粘帖在H形结构板11的两纵杆114四周的表面；纵杆114两端的正、反面末端均设置有驱动足111，驱动足111的厚度高于压电陶瓷激励组件12的面内纵振激励陶瓷121和面外弯振激励陶瓷123的厚度，且驱动足111平行于H形结构板11平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，纵杆114正面末端的驱动足111与平面滑板21的底面接触；压电陶瓷激励组件12包括面内纵振激励陶瓷121、面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷123，面内纵振激励陶瓷121分别粘贴于的两纵杆114与横杆115交汇处的正、反面，面内弯振激励陶瓷122分别粘贴于两纵杆114端部的左、右侧面，面外弯振激励陶瓷123分别粘贴于两纵杆114端部的正、反面；动子组件2由平面滑板21、滚珠22和动子支座23构成，动子支座23与平面滑板21之间夹装有滚珠22，动子支座23面向平面滑板21的一面设置有凹坑231，凹坑231呈半球形结构，滚珠22装于凹坑231内；支座组件3包括立板31、底板32、橡胶块33、侧板34和碟簧35，底板32上面的一侧固定有立板31，立板31上设置有固定螺钉，底板32上面的另一侧固定有侧板34，侧板34呈方框形且左右相对的内侧装有橡胶块33，侧板34方框形的中心安装有定子固定螺钉37，侧板34上设置有固定螺钉和定位销，定子固定螺钉37的外周套装有碟簧35，碟簧35位于定子组件1与底板32之间，底板32装有支座固定螺钉36。

如图2，在H形结构板11两个纵杆114的四个末端位置正、反面设置驱动足111，置于H形结构板11正面的驱动足111主要用于推动动子组件2做两自由度直线运动，置于H形结构板11背面的驱动足111，主要起改善定子工作模态的作用。正面上的四个驱动足111沿H形结构板11斜对角线方向分成两组，每组均包含两个驱动足111；在驱动足111平行于H形结构板11平面的表面均涂覆了一层高性能耐摩擦材料，如聚偏氟乙烯基摩擦材料，旨在增大定子组件1的驱动足111与动子组件2的平面滑板21间的摩擦驱动力和延长电机使用寿命；在两个纵杆114上分别开设两个调整孔112，以利于实现定子三相工作模态的频率一致性和改善定子结构柔性；在H形结构板11的横杆115上开设螺纹孔113，以供定子组件1与支座组件3的连接，并起夹持固定的作用。

如图3，动子组件2的动子支座23面向平面滑板21的一面上开设半球形凹坑231，凹坑231内装入滚珠22，以使平面滑板21与滚珠22之间实现点接触。

如图1和图4，定子组件1的H形结构板11中部的横杆115与支座组件3的底板32之间装有碟簧35用以实现定子组件1的预紧，碟簧35和底板32由中心孔进行同轴定位，通过支座组件3的定子固定螺钉37连接；并通过侧板34两内侧装有的橡胶块33的辅助约束作用，对定子组件1的微幅摆动进行约束；侧板34通过定位销定位，通过螺钉固定在底板32上；定子组件1通过支座组件3一侧的立板31连接动子组件2的动子支座23，并通过螺钉连接固定，使得H形结构板11上的驱动足111与平面滑板21形成移动副连接；底板32装有支座固定螺钉36用于将支座组件3安装固定在其他机构上。

如图2、图5至图7，压电陶瓷激励组件12由面内纵振激励陶瓷121、面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷123构成，包含20片高性能压电陶瓷片PZT8，各压电陶瓷片的压电极化方向均垂直于H形结构板11粘帖表面，并与表面的法线方向平行；3组压电陶瓷分别用于激励定子组件1面内一阶反对称纵振、面内二阶对称弯振和面外二阶反对称弯振三相工作模态。

如图2、图5，面内纵振激励陶瓷121由4片压电陶瓷片组成，它们分别粘帖在H形结构板11正、反面上的纵杆114中部与横杆115交汇处，处于两纵杆114面内一阶反对称纵振模态节线位置。

如图2、图6、图7，面内弯振激励陶瓷122由8片压电陶瓷片组成，它们分别粘帖在左、右纵杆114末端的左、右侧面，处于两纵杆114面内二阶弯振振型波峰(或波谷)处，且左、右纵杆114的面内弯振激励陶瓷片的布设方式相同。

如图2、图5、图6，面外弯振激励陶瓷123由8片压电陶瓷片组成，它们分别粘帖在左、右纵杆114末端的正、反两面，处于两纵杆114面外二阶弯振振型波峰(或波谷)处，且左、右纵杆114的面外弯振激励陶瓷片的布置方式相同。

本发明的平面超声电机的工作原理是通过激发定子组件1的特定振动工作模态，驱使置于H形结构板11正面上的驱动足111同时沿XOZ平面与YOZ平面做椭圆运动，并借助驱动足111与动子组件2之间的摩擦耦合，推动动子组件2的平面滑板21同时沿着X方向和Y方向做平面运动。

如图5至图7所示，所述的定子组件1特定工作模态主要包括H形结构板11的纵杆114处于XOY面的面内一阶反对称纵向振动模态、面外二阶反对称弯曲振动模态、面内二阶对称弯曲振动模态等三相工作模态。其中，面外二阶反对称弯振模态主要用于实现动子组件1与定子组件2之间瞬时接触与分离，面内一阶反对称纵振模态和面内二阶对称弯振模态则分别实现驱动动子组件2的Y向和X向的运动。电机基于两纵杆114面内一阶反对称纵振与面外二阶反对称弯振，在驱动足111上合成出沿YOZ面的椭圆运动轨迹，并据此推动动子组件2的平面滑板21沿Y向移动；利用两纵杆114面内二阶弯曲模态振动与面外二阶弯曲模态振动，在驱动足111上合成出沿XOZ面的椭圆运动轨迹，并据此推动动子组件2的平面滑板21沿X向移动。

为保证在驱动足111上同时合成出沿XOZ和YOZ面的椭圆运动，要求定子组件1的三相工作模态的固有频率相等或尽可能接近，同时为防止电机工作时产生机械噪声，必须通过合理配置定子组件1的各项结构尺寸，使三相工作模态频率处于超声频域且满足频率一致性。

如图5、图8、图9，为了有效、正确的激发定子组件1的XOY面内一阶反对称纵振工作模态振动，需在两纵杆114正、反表面粘贴的面内纵振激励陶瓷121通入频率与面内一阶反对称纵振模态频率相接近的电功率驱动信号。左杆1141中部正、反面粘帖的面内纵振激励陶瓷121压电极化方向垂直于粘帖表面，与法线方向相同均背向定子组件1实体，图8中用“+”表示，“(+)”表示反面粘帖的压电陶瓷片的压电极化方向；右杆1142中部正、反面粘帖的面内纵振激励陶瓷121压电极化方向垂直于粘帖表面，与法线方向相反均指向定子组件1实体，图8中用“-”表示，“(-)”表示反面粘帖的压电陶瓷片的压电极化方向。所有的面内纵振激励陶瓷121的表面均通入同频正弦sinωt激励电压，面内纵振激励陶瓷121与H形结构板11的粘帖面均接地接入零激励电压。

如图6至图9，为了有效、正确的激发定子组件1的面内二阶对称弯曲工作模态振动，需在两纵杆114末端左、右侧面粘帖的面内弯振激励陶瓷122上通入高频电功率驱动信号，该驱动信号频率应与面内纵振激励信号相同；分别将左杆1141、右杆1142左、右两侧的4片面内弯振激励陶瓷122沿杆对角线方向分成两组，同组内的陶瓷片采用相同极化方向，同一杆两组之间的压电陶瓷片采用相反的极化方向。如图8，以“+”表示压电极化方向垂直于粘帖表面且与法线方向相同背向定子组件1实体，以“-”表示压电极化方向垂直于粘帖表面且与法线方向相反指向定子组件1实体，左杆1141与右杆1142的面内弯振激励陶瓷122的极化方向呈对称布置。所有的面内弯振激励陶瓷122的表面均通入同频正弦sin ωt激励电压，面内弯振激励陶瓷122与H形结构板11的粘帖面均接地接入零激励电压。

如图5至图6、图8至图9，为有效、正确的激发定子组件1的面外二阶反对称弯曲工作模态振动，需在两纵杆114末端正、反面粘帖的面外弯振激励陶瓷123上通入高频电功率驱动信号，该驱动信号频率应与面内弯振激励信号相同。如图8，位于左杆1141、右杆1142正面上同一高度的两片面外弯振激励陶瓷123采用相反的压电极化方向，位于同一纵杆114正面上、下不同位置的激励陶瓷123也采用相反的压电极化方向，两纵杆114反面的面外弯振激励陶瓷123的压电极化方向与正面对应的面外弯振激励陶瓷123的压电极化方向相反。所有的面外弯振激励陶瓷123的表面均通入同频余弦cos ωt激励电压，面外弯振激励陶瓷123与H形结构板11的粘帖面均接地接入零激励电压。

如图10、图11，所述定子组件1的驱动足111沿YOZ平面的椭圆运动，是在以时间相位差为90°的两相同频正弦sin ωt电压，分别激发出定子的面内一阶纵振模态工作振动与面外二阶模态工作振动后，通过两相振动耦合促成的。将定子的一个振动周期T分为以下四个阶段，则相应的椭圆轨迹由四部分组成：

如图10、图11(Step 1)，在0～T/4振动时段内，定子面外二阶弯振使左杆1141上部由最大前弯状恢复成直杆状，使左杆1141上部的驱动足111与动子组件2保持接触并使下部的驱动足111与动子组件2脱离接触；定子面内一阶纵振使左杆1141由初始长度L₀伸长至最大长度L_max，驱使左杆1141上部驱动足111质点由最大前弯位置A行进至最大伸长位置B，并使下部驱动足111质点由最大后弯位置E行至最大伸长位置F。与此同时，定子面外二阶弯振使右杆1142上部由最大后弯状恢复成直杆状，右杆1142上部的驱动足111与动子组件2保持脱离而下部驱动足111与动子组件2保持接触；定子的一阶反对称纵振则使右杆1142由原始长度L₀收缩至最小长度L_min，使右杆1142上部驱动足111质点由最大后弯位置C行进到最大收缩位置D，而右杆1142下部驱动足111质点由最大前弯位置G行至最大收缩位置H。在该时段，定子组件1左杆1141上部驱动足111与右杆1142下部驱动足111同时与动子组件2接触，共同推动平面滑板21沿Y向移进第一个步距λ。

如图10、图11(Step 2)，在T/4～T/2振动时段内，定子面外二阶弯振驱使左杆1141上部由直杆状弯成最大后弯状，使左杆1141上部的驱动足111与动子组件2脱离接触且使左杆1141下部驱动足111与动子组件2保持接触；定子面内一阶纵振使左杆1141最大长度L_max恢复至初始长度L₀，从而使左杆1141上部驱动足111质点由最大伸长位置B行进到最大后弯位置C，下部驱动足111质点则由最大伸长位置F行至最大前弯位置G。与此同时，定子面外二阶弯振使右杆1142上部由直杆状弯成最大前弯状，使右杆1142上部驱动足111与动子组件2保持接触而下部驱动足111与动子组件2脱离接触；定子面内一阶纵振则使右杆1142由最小长度L_min恢复至初始长度L₀，从而使右杆1142上部驱动足111质点由最大收缩位置D行至最大前弯位置A并使下部驱动足111质点由最大收缩位置H行至最大后弯位置E。在该时段，定子左杆1141下部驱动足111和右杆1142上部驱动足111同时与动子组件2接触，共同推动平面滑板21沿Y向移进第二个步距λ。

如图10、图11(Step 3)，在T/2～3T/4振动时段内，定子面外二阶弯振使左杆1141上部由最大后弯状恢复成直杆状，使左杆1141上部驱动足111与动子组件2保持脱离且使左杆1141下部驱动足111与动子组件2保持接触；定子面内一阶纵振使左杆1141由初始长度L₀收缩至最小长度L_min，驱使左杆1141上部驱动足111质点由最大后弯位置C行进到最大收缩位置D并使下部驱动足111质点由最大前弯位置G行至最大收缩位置H。与此同时，面外二阶弯振使右杆1142上部由最大前弯状弯成直杆状，使右杆1142上部驱动足111与动子组件2保持接触且使右杆1142下部驱动足111与动子组件2保持脱离，定子面内一阶纵振使右杆1142由初始长度L₀伸长至最大长度L_max，驱使右杆1142上部驱动足111质点由最大前弯位置A行至最大伸长位置B，而下部驱动足111质点则由最大后弯位置E行至最大伸长位置F。在该时段，定子左杆1141下部驱动足111和右杆1142上部驱动足111同时与动子组件2接触，共同推动平面滑板21沿Y向移进第三个步距λ。

如图10、图11(Step 4)，在3T/4～T振动时段内，定子面外二阶弯振驱使左杆1141上部由直杆状弯成最大前弯状，使左杆1141上部驱动足111与动子组件2保持接触并使下部驱动足111与动子组件2保持脱离；定子面内一阶纵振则使左杆1141由最小长度L_min恢复到初始长度L₀，驱使左杆1141上部驱动足111质点由最大收缩位置D返回至最大前弯位置A，下部驱动足111质点由最大收缩位置H返回至最大后弯位置E。与此同时，定子面外二阶弯振使右杆1142上部由直杆状弯成最大后弯状，使右杆1142上部驱动足111与动子组件2保持脱离并使右杆1142下部驱动足111与动子组件2保持接触；定子的面内一阶纵振则使右杆1142由最大长度L_max恢复到初始长度L₀，驱使右杆1142上部驱动足111质点由最大伸长位置B返回至最大后弯位置C，下部驱动足111质点由最大伸长位置F返回至最大前弯位置G。在该时段，定子左杆1141上部驱动足111和右杆1142下部驱动足111同时与动子组件2接触，共同推动平面滑板21沿Y向移进第四个步距λ。

如图10、图11所示，定子组件1每完成上述一个振动周期T，左杆1141上部驱动足111将完成从最大前弯位置A-最大伸长位置B-最大后弯位置C-最大收缩位置D-最大前弯位置A的一个椭圆运动轨迹，左杆1141下部驱动足111将完成从最大后弯位置E-最大伸长位置F-最大前弯位置G-最大收缩位置H-最大后弯位置E的一个椭圆运动轨迹，右杆1142上部驱动足111将完成从最大后弯位置C-最大收缩位置D-最大前弯位置A-最大伸长位置B-最大后弯位置C的一个椭圆运动轨迹，右杆1142下部驱动足111将完成从最大前弯位置G-最大收缩位置H-最大后弯位置E-最大伸长位置F-最大前弯位置G的一个椭圆运动轨迹；所以定子组件1每完成上述一个振动周期T，就将推动动子组件2的平面滑板21沿Y向前移4步距。当定子组件1不断重复上述振动周期时，它将推动动子组件2的平面滑板21不断沿Y向前移。如果逆转一阶纵振与面外二阶弯振之间超前滞后相位关系，则动子组件2的平面滑板21将沿Y轴的反方向移动。

如图12至图15，所述定子组件1的驱动足111沿XOZ平面的椭圆运动轨迹，是在以时间相位差为90°的两相同频正弦sinωt电压，分别激发出定子面内二阶弯曲模态工作振动与面外二阶弯曲模态工作振动后，通过两相振动耦合促成的。若将定子的一个振动周期T分为四个阶段，则驱动足111在XOZ面内的椭圆运动可看成由四部分组成：

如图12至图15(Step 1)，在0～T/4振动时段内，定子面外二阶弯振使左杆1141上部由最大前弯状恢复成直杆状，使左杆1141上部驱动足111与动子组件2保持接触而下部驱动足111与动子组件2保持脱离；定子面内二阶弯振使左杆1141由直杆状弯成上部呈右弯状而下部呈左弯状，驱使左杆1141上部驱动足111质点沿XOZ平面由最大前弯位置A1行至最大右弯位置B1，使左杆1141下部驱动足111质点由最大后弯位置C1行至最大左弯位置D1。与此同时，定子面外二阶弯振使右杆1142上部由最大后弯状恢复成直杆状，使右杆1142上部驱动足111与动子组件2保持脱离并使右杆1142下部驱动足111与动子组件2保持接触；定子面内二阶弯振使右杆1142由直杆状弯成上部呈左弯状而下部呈右弯状，从而使右杆1142上部驱动足111质点由最大后弯位置E1行至最大左弯位置F1，并使右杆1142下部驱动足111质点由最大前弯位置G1行至最大右弯位置H1。在该时段，定子左杆1141上部驱动足111与右杆1142下部驱动足111同时与动子组件2接触，共同推动平面滑板21沿X向移进第一个步距λ。

如图12至图15(Step 2)，在T/4～T/2振动时段内，定子面外二阶弯振驱使左杆1141上部由直杆状弯成最大后弯状，使左杆1141上部驱动足111与动子组件2保持脱离且使左杆1141下部驱动足111与动子组件2保持接触；定子面内二阶弯振使左杆1141由上部右弯状、下部左弯状弯成到直杆状，从而使左杆1141上部驱动足111质点由最大右弯位置B1行至最大后弯位置C1，下部驱动足111质点由最大左弯位置D1行至最大前弯位置A1。与此同时，定子面外二阶弯振使右杆1142上部由直杆状弯成最大前弯状，使右杆1142上部驱动足111与动子组件2保持接触且使下部驱动足111与动子组件2保持脱离，定子面内二阶弯振使右杆1142由上部呈左弯状、下部右弯状恢复到直杆状，使右杆1142上部驱动足111质点由最大左弯位置F1行至最大前弯位置G1，并使下部驱动足111质点由最大右弯位置H1行至最大后弯位置E1。在该时段，定子左杆1141下部驱动足111和右杆1142上部驱动足111同时与动子组件2接触，共同推动平面滑板21沿X向移进第二个步距λ。

如图12至图15(Step 3)，在T/2～3T/4振动时段内，定子面外二阶弯振使左杆1141上部由最大后弯状恢复成直杆状，使左杆1141上部驱动足111与动子组件2保持脱离且使左杆1141下部驱动足111与动子组件2保持接触；定子面内二阶弯振使左杆1141由直杆状弯成上部呈左弯状而下部呈右弯状，驱使左杆1141上部驱动足111质点由最大后弯位置C1行至最大左弯位置D1，并使下部驱动足111质点由最大前弯位置A1行至最大右弯位置B1。于此同时，面外二阶弯振使右杆1142上部由最大前弯状弯成直杆状，使右杆1142上部驱动足111与动子组件2保持接触，右杆1142下部驱动足111与动子组件2保持脱离，定子面内二阶弯振使右杆1142由直杆状弯成上部呈右弯状而下部呈左弯状，从而驱使右杆1142上部驱动足111质点由最大前弯位置G1行至最大右弯位置H1，下部驱动足111质点由最大后弯位置E1行至于最大左弯位置F1。在该时段，定子左杆1141下部驱动足111和右杆1142上部驱动足111同时与动子组件2接触，共同推动平面滑板21沿X向移进第三个步距λ。

如图12至图15(Step 4)，在3T/4～T振动时段内，定子面外二阶弯振驱使左杆1141上部由直杆状弯成最大前弯状，使左杆1141上部驱动足111与动子组件2保持接触并使下部驱动足111与动子组件2保持脱离；定子面内二阶弯振使左杆1141由上部呈左弯状、下部呈右弯状弯成直杆状，驱使左杆1141上部驱动足111质点由最大左弯位置D1返回至最大前弯位置A1，下部驱动足111质点由最大右弯位置B1返回至最大后弯位置C1。于此同时，定子面外二阶弯振使右杆1142上部由直杆状弯成最大后弯状，使右杆1142上部驱动足111与动子组件2保持并使右杆1142下部驱动足111与动子组件2保持接触；定子面内二阶弯振使右杆1142由上部呈右弯状、下部呈左弯状弯成直杆状，驱使右杆1142上部驱动足111质点由最大右弯位置H1返回至最大后弯位置E1，下部驱动足111质点由最大左弯位置F1返回至最大前弯位置G1。在该时段，定子左杆1141上部驱动足111和右杆1142下部驱动足111同时与动子组件2接触，共同推动平面滑板21沿X向移进第四个步距λ。

如图12至图15，定子组件1每完成上述一个振动周期T，左杆1141上部驱动足111将完成从最大前弯位置A1-最大右弯位置B1-最大后弯位置C1-最大左弯位置D1-最大前弯位置A1的一个椭圆运动轨迹，左杆1141下部驱动足111将完成从最大后弯位置C1-最大左弯位置D1-最大前弯位置A1-最大右弯位置B1-最大后弯位置C1的一个椭圆运动轨迹，右杆1142上部驱动足111将完成从最大后弯位置E1-最大左弯位置F1-最大前弯位置G1-最大右弯位置H1-最大后弯位置E1的一个椭圆运动轨迹，右杆1142下部驱动足111将完成从最大前弯位置G1-最大右弯位置H1-最大后弯位置E1-最大左弯位置F1-最大前弯位置G1的一个椭圆运动轨迹；所以定子组件1每完成一个上述振动周期T，就将推动动子组件2的平面滑板21沿X向前移4步距。当定子组件1不断重复上述循环时，它将推动动子组件2的平面滑板21沿X向不断前移。如果逆转面外二阶弯振与面内二阶弯振之间超前滞后相位关系，则动子组件2的平面滑板21将沿X轴的反方向移动。

Claims (2)

1.基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机，包括定子组件、动子组件和支座组件，其特征在于，所述支座组件通过其底板一侧固定的立板与所述动子组件连接，所述定子组件位于所述支座组件与所述动子组件之间，通过驱动足与动子组件连接，并通过所述支座组件的定子固定螺钉与底板连接；

所述定子组件包括H形结构板和压电陶瓷激励组件，H形结构板由两纵杆及位于纵杆中段连接的横杆构成，纵杆上设置有调整孔，横杆的中间设置有螺纹孔；纵杆呈方形条状结构，且方形的四面均粘帖有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件由面内纵振激励陶瓷、面内弯振激励陶瓷和面外弯振激励陶瓷组成；所述面内纵振激励陶瓷分别粘贴于两纵杆与横杆交汇处的正、反面，所述面内弯振激励陶瓷分别粘贴于两纵杆端部的左、右侧面，所述面外弯振激励陶瓷分别粘贴于两纵杆端部的正、反面；纵杆正、反面的末端设置有驱动足，驱动足的厚度高于压电陶瓷激励组件的面内纵振激励陶瓷和面外弯振激励陶瓷的厚度，且驱动足平行于H形结构板平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，纵杆正面末端的驱动足与平面滑板的底面接触；

所述动子组件由平面滑板、滚珠和动子支座构成，动子支座与平面滑板之间夹装有滚珠，动子支座面向平面滑板的一面设置有凹坑，凹坑呈半球形结构，滚珠装于凹坑内；

所述支座组件包括立板、底板、橡胶块、侧板和碟簧，底板上面的一侧固定有立板，立板上设置有立板固定螺钉，底板上面的另一侧固定有侧板，侧板呈方框形且左右相对的内侧装有橡胶块，侧板方框形的中心安装有定子固定螺钉，侧板上设置有侧板固定螺钉和定位销，定子固定螺钉的外周套装有碟簧，碟簧位于定子组件与支座组件的底板之间，碟簧的高度高于H形结构板纵杆上驱动足的厚度，底板装有支座固定螺钉。

2.一种如权利要求1所述的基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机的工作模态，其特征在于，利用定子组件特定的三相工作模态振动，其中，面外二阶反对称弯振模态用于实现动子组件与定子组件之间的接触与脱离，面内一阶反对称纵振模态和面内二阶对称弯振模态则分别实现驱动动子组件的平面滑板沿Y向和X向的运动；

所述面外二阶反对称弯振模态是基于压电陶瓷的逆压电效应，通过对面外弯振激励陶瓷施加特定的激励电压，激发两纵杆基于H形结构板平面的面外二阶弯曲振动，驱使同一纵杆两末端分别沿垂直于H形结构板平面的两反方向弯曲并高出H形结构板平面，左杆与右杆的面外二阶弯曲振动振型相反，使得H形结构板的两纵杆沿对角线方向分为两组的驱动足交替的保持和动子组件的平面滑板接触与分离；

所述面内一阶反对称纵振模态是通过对面内纵振激励陶瓷施加特定的激励电压，激发H形结构板的两纵杆沿杆长方向伸长或收缩振动，左杆与右杆分别保持其中一杆伸长而另一杆收缩的振动状态，使得两组驱动足交替的推动动子组件的平面滑板沿Y向移动；

所述面内二阶对称弯振模态是通过对面内弯振激励陶瓷施加特定的激励电压，激发两纵杆基于H形结构板平面的面内二阶弯曲振动，左杆与右杆的面内二阶弯曲振动振型对称，使得两组驱动足交替的推动动子组件的平面滑板沿X向移动。