CN107592029B - 基于口齿形压电振子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口齿形压电振子驱动的平面超声电机及其工作模态，其定子组件安装于动子组件与支座组件之间；利用定子组件特定的两相工作模态振动，其中，面外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。本发明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；能成倍增大电机输出动力，并使电机运行更趋稳定；有利于实现电机微型化、平板化设计，能够广泛应用于精密平面运动定位、小型和微型伺服执行机构的驱动。

Description

基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机及其工作模态

技术领域

本发明涉及压电超声电机领域，是利用口齿形结构板的面内振动工作模态和面外振动工作模态复合驱动的两自由度平面超声电机，具体涉及一种基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机及其工作模态。

背景技术

超声电机是基于压电材料的逆压电效应将电能转化成弹性体质点的机械能，并利用机械摩擦作用转换为宏观机械运动。超声电机与传统电磁式电机相比，结构简单、体积小、精度高、响应快、断电自锁、无电磁干扰等优点。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，1998年，富川义朗成功设计基于叠层式压电陶瓷的弯曲振动模态的单足式驻波直线型超声电机，该电机无负荷最大速度为90mm/s。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。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。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种利用口齿形结构板内四根两两对称的齿的面内弯振振动模态以及面外弯振振动模态驱动的平面超声电机，使电机具有微米级、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。

鉴于上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机，包括定子组件、动子组件和支座组件，所述定子组件安装于所述动子组件与所述支座组件之间；

所述定子组件包括口齿形结构板,口齿形结构板呈方框形，口齿形结构板四个内角的转角处设置有槽孔，且四角上设置有螺纹孔；口齿形结构板一对边的内侧设置有纵齿，另一对边的内侧设置有横齿；纵齿和横齿均呈方形条状，其端部呈锥形，纵齿和横齿的内部均设置有调整孔，调整孔的中轴线分别与纵齿和横齿中心线重合；纵齿和横齿的四周表面粘帖有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件包括面外纵振激励陶瓷和面内弯振激励陶瓷，纵齿和横齿的平面粘贴有面外纵振激励陶瓷，纵齿和横齿的侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷，纵齿和横齿的端部的平面均设置有驱动足，驱动足的厚度略高于面外纵振激励陶瓷的厚度，驱动足顶面涂覆有高性能耐磨擦材料；

所述动子组件包括平面滑板和动子支座，动子支座设置有凹坑，凹坑内装有滚珠，并覆盖于平面滑板上；

所述支座组件包括立板和底板，底板的上面固定有立板，立板呈“U”形，立板上设置有螺孔，立板的一侧底板上面固定有凸台并设有通孔，凸台上装有垫片，底板装有支座固定螺钉；

所述立板通过螺栓与动子支座连接，定子固定螺钉穿过立板上的凸台和垫片与结构板上的螺纹孔固定连接，驱动足的顶面与动子组件的平面滑板底面连接。

优选地，所述面外弯振激励陶瓷分别对称粘贴于纵齿和横齿的正反平面。

优选地，所述面内弯振激励陶瓷分别对称粘贴于纵齿和横齿的左右侧面。

优选地，所述高性能耐磨擦材料为聚偏氟乙烯基摩擦材料。

一种基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机的工作模态，利用定子组件特定的两相工作模态振动，其中，面外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，上下对称的纵齿和左右对称的横齿基于口齿形结构板平面的面外弯曲振动，驱使纵齿和横齿末端分别沿垂直于口齿形结构板平面的两反方向弯曲并高出口齿形结构板的平面，纵齿和横齿的面外弯曲振动振型相反，使得口齿形结构板的纵齿和横齿上的驱动足分为两组交替的保持和动子组件的平面滑板接触与分离；

所述面内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，激发纵齿和横齿基于口齿形结构板平面的面内弯曲振动，纵齿的面内弯曲振动振型对称，使得纵齿上的驱动足交替推动动子组件的平面滑板沿x向移动；横齿的面内弯曲振动振型对称，使得横齿上的驱动足交替的推动动子组件的平面滑板沿y向移动。

本发明的技术效果是：1、采用简单的口齿形结构定子，同时实现动子两直线自由度方向的直接驱动，避免了传统xOy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、电机利用设置在口齿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，能够广泛应用于精密平面运动定位、小型和微型伺服执行机构的驱动。

附图说明

图1为本发明的三维立体结构构型局部剖视图；

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为本发明中定子组件的一种工作模态面内反对称弯振模态平面示意图；

图6为本发明中定子组件的另一种工作模态面内反对称弯振模态平面示意图；

图7为本发明中定子组件的工作模态面外反对称弯振模态侧视图；

图8为本发明中定子组件的工作模态面外反对称弯振模态立体示意图；

图9为本发明中定子组件的压电陶瓷位置布置及其压电极化供电配置平面示意图；

图10为本发明中定子组件的压电陶瓷位置布置及其压电极化供电配置侧视图；

图11为本发明中定子组件的一种工面内运动驱动原理面内反对称弯振示意图；

图12为本发明中定子组件的另一种工面内运动驱动原理面内反对称弯振示意图；

图13为本发明中定子组件的面外驱动原理面外反对称弯振立体示意图；

图14为本发明中动子X向运动驱动原理示意图；

图15为本发明中动子Y向运动驱动原理示意图。

图中:1.定子组件，11.口齿形结构板，111.驱动足，112.螺纹孔，113.调整孔，114.槽孔，115.纵齿，116.横齿，117.口字形结构板，12.压电陶瓷激励组件，121.面外纵振激励陶瓷，122.面内弯振激励陶瓷；2.动子组件，21.平面滑板，22.滚珠，23.动子支座，231.凹坑；3.支座组件，31.立板,32.底板,33.凸台,34.垫片,35.支座固定螺钉,36.定子固定螺钉,37.螺栓。

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4，基于口齿形压电振子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安装于所述动子组件2与所述支座组件3之间；

所述定子组件1包括口齿形结构板11,口齿形结构板11呈方框形，通过线切割技术在口齿形结构板11四个内角的转角处切割出槽孔114，且在口齿形结构板11四角上通过钻孔技术钻出螺纹孔112；口齿形结构板11一对边的内侧设置有纵齿115，另一对边的内侧设置有横齿116；纵齿115和横齿116均呈方形条状，其端部呈锥形；通过钻孔技术在纵齿115和横齿116的内部钻出调整孔113，其长度与纵齿115和横齿116锥形端部的底面平齐，调整孔113的中轴线分别与纵齿115和横齿116中心线重合；纵齿115和横齿116的四周表面粘帖有压电陶瓷激励组件12，压电陶瓷激励组件12包括面外纵振激励陶瓷121和面内弯振激励陶瓷122，纵齿115和横齿116的平面粘贴有面外纵振激励陶瓷121，所述面外弯振激励陶瓷121分别对称粘贴于纵齿115和横齿116的正反平面。纵齿115和横齿116的侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷122，所述面内弯振激励陶瓷122分别对称粘贴于纵齿115和横齿116的左右侧面。纵齿115和横齿116的端部的平面均设置有驱动足111，驱动足111的厚度略高于面外纵振激励陶瓷121的厚度，驱动足111顶面涂覆有高性能耐磨擦材料；所述高性能耐磨擦材料采用聚偏氟乙烯基摩擦材料。

所述动子组件2包括平面滑板21和动子支座23，动子支座23设置有凹坑231，凹坑231内装有滚珠22，并覆盖于平面滑板21上；

所述支座组件3包括立板31和底板32，底板32的上面固定有立板31，立板31呈“U”形，立板31上设置有螺孔，立板31的一侧底板32上面固定有凸台33并设有通孔，凸台33上装有垫片34，底板32装有支座固定螺钉35；

所述立板31通过螺栓37与动子支座23连接，定子固定螺钉36穿过立板31上的凸台33和垫片34与结构板11上的螺纹孔112固定连接，驱动足111的顶面与动子组件2的平面滑板21底面连接。

一种基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机的工作模态，利用定子组件1特定的两相工作模态振动，其中，面外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121施加特定的激励电压，上下对称的纵齿115和左右对称的横齿116基于口齿形结构板11平面的面外弯曲振动，驱使纵齿115和横齿116末端分别沿垂直于口齿形结构板11平面的两反方向弯曲并高出口齿形结构板11的平面，纵齿115和横齿116的面外弯曲振动振型相反，使得口齿形结构板11的纵齿115和横齿116上的驱动足111分为两组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，激发纵齿115和横齿116基于口齿形结构板11平面的面内弯曲振动，纵齿115的面内弯曲振动振型对称，使得纵齿115上的驱动足111交替推动动子组件2的平面滑板21沿x向移动；横齿116的面内弯曲振动振型对称，使得横齿116上的驱动足111交替的推动动子组件2的平面滑板21沿y向移动。

实施例：本发明基于“口齿”形压电振子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36与凸台33连接；

定子组件1包括口齿形结构板11,口齿形结构板11呈方框形，口齿形结构板11一对边的内侧设置有纵齿115，另一对边的内侧设置有横齿116；口齿形结构板11四个内角处设置有槽孔114，四角设置有螺纹孔112，纵齿115和横齿116的内部均设置有调整孔113，调整孔113的中心轴线分别与纵齿115和横齿116的中心线重合；纵齿115和横齿116均呈方形条状，其端部呈锥形，纵齿115和横齿116的四周表面粘帖有压电陶瓷激励组件12，压电陶瓷激励组件12由面外纵振激励陶瓷121和面内弯振激励陶瓷122构成，纵齿115和横齿116的平面粘贴有面外纵振激励陶瓷121，纵齿115和横齿116的侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷122，纵齿115和横齿116的端部的平面均设置有驱动足111，驱动足111的厚度略高于面外纵振激励陶瓷121的厚度，驱动足111顶面涂覆有高性能耐磨擦材料；

动子组件2包括平面滑板21和动子支座23，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，凹坑231内装有滚珠22；

支座组件3包括立板31和底板32，底板32的上面固定有立板31，立板31呈“U”形，立板31上设置有螺孔，立板31的一侧底板32上面固定有凸台33并设有通孔，凸台33上装有垫片34，底板32装有支座固定螺钉35；

立板31通过螺栓37与动子支座23连接，定子固定螺钉36穿过立板31上的凸台33和垫片34与结构板11上的螺纹孔112固定连接，驱动足111的顶面与动子组件2的平面滑板21底面连接。

如图2，在口齿形结构板11纵齿115和横齿116的端部的平面均设置有驱动足111，置于口齿形结构板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，置于口齿形结构板11背面的驱动足111，主要起改善定子工作模态的作用。在驱动足111平行于口齿形结构板11平面的表面均涂覆了一层高性能耐摩擦材料，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；口齿形结构板11四边的外侧中间设置有调整孔113，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；口齿形结构板11四个内角处设置有槽孔114，四角设置有螺纹孔112，螺纹孔112用以供定子组件1与支座组件3的连接，并起夹持固定的作用，通孔114用以改善定子结构的柔性。

如图3，动子组件2的动子支座23面向平面滑板21的一面上设置半球形凹坑231，凹坑231呈半球形，凹坑231内装有滚珠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的口齿形结构板11四角设置的螺纹孔112与支座组件3的凸台33之间装有垫片34用以实现定子组件1的预紧，垫片34和凸台33由中心孔进行同轴定位，通过支座组件3的定子固定螺钉36连接；定子组件1通过支座组件3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，使得口齿形结构板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35用于将支座组件3安装固定在其他机构上。

图5至图9，压电陶瓷激励组件12由面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷121构成，纵齿115和横齿116的平面粘贴有面外纵振激励陶瓷121，纵齿115和横齿116的侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷122，总共包含十六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口齿形结构板11粘帖表面，并与表面的法线方向平行；面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷121分别用于激励定子组件1面内对称弯振和面外反对称弯振两相工作模态。

如图9，面内弯振激励陶瓷122由八片压电陶瓷片组成，它们分别粘帖在纵齿115和横齿116的左、右侧面，处于纵齿115和横齿116面内弯振振型波峰(或波谷)处，且纵齿115和横齿116的面内弯振激励陶瓷片的布设方式相同。

如图9，面外弯振激励陶瓷121由8片压电陶瓷片组成，它们分别粘帖在纵齿115和横齿116的正、反两面，处于纵齿115和横齿116面外弯振振型波峰(或波谷)处，且纵齿115和横齿116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，驱使置于口齿形结构板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11至图13所示，所述的定子组件1特定工作模态主要包括口齿形结构板11的纵齿115和横齿116处于xOy面的面外反对称弯曲振动模态、面内对称弯曲振动模态等两相工作模态。其中，面外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，面内对称弯振模态则用于实现驱动动子组件2的y向和x向的运动。电机基于横齿116面内反对称弯振与面外反对称弯振，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；利用纵齿115面内弯曲模态振动与面外弯曲模态振动，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的两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，使两相工作模态频率处于超声频域且满足频率一致性。

如图9，为了有效、正确的激发定子组件1的面内对称弯曲工作模态振动，需在纵齿115和横齿116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；分别将纵齿115和横齿116左、右两侧的8片面内弯振激励陶瓷122按对称性分成两组，同组内的陶瓷片采用相同极化方向。如图9，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，纵齿115和横齿116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sinωt激励电压，面内弯振激励陶瓷122与口齿形结构板11的粘帖面均接地接入零激励电压。

如图10，为有效、正确的激发定子组件1的面外反对称弯曲工作模态振动，需在纵齿115和横齿116正、反面粘帖的面外弯振激励陶瓷121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10，位于纵齿115和横齿116正、反面面外弯振激励陶瓷121采用相反的压电极化方向，单根齿反面的面外弯振激励陶瓷121的压电极化方向与正面对应的面外弯振激励陶瓷121的压电极化方向相反。所有的面外弯振激励陶瓷121的表面均通入同频余弦cosωt激励电压，面外弯振激励陶瓷121与口齿形结构板11的粘帖面均接地接入零激励电压。

如图11至图14，所述定子组件1的驱动足111沿xOz平面的椭圆运动，是在以时间相位差为90°的两相同频正弦sinωt电压，分别激发出定子的面内一阶纵振模态工作振动与面外模态工作振动后，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14(Step 1)，在0～T/4振动时段内，定子面外弯振使纵齿115由最大面外弯状恢复成直杆状，使纵齿115上部的驱动足111与动子组件2保持接触,而此时横齿116由反向最大面外弯状恢复成直杆，并且与动子21不接触；定子面内弯振使纵齿115由初始位置A面内弯曲至B处。在该时段，定子组件1的纵齿115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向移进第一个步距λ。

如图14(Step 2)，在T/4～T/2振动时段内，定子面外弯振驱使纵齿115由直杆状弯成最大后弯状，使纵齿115上的驱动足111与动子组件2脱离接触；而此时横齿116由直杆状向面外弯至最大位移处，且横齿116上的驱动足111与动子组件21接触；定子面内弯振使纵齿115由面内最大弯曲处B恢复成直杆C处，在该时段，定子横齿116上的驱动足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14(Step 3)，在T/2～3T/4振动时段内，定子面外弯振使纵齿115由最大后弯状恢复成直杆状，同时纵齿115上的驱动足111与动子组件2保持脱离；而此时横齿116由最大位移处恢复至直杆状，且横齿116上的驱动足111与动子组件21接触；定子面内弯振使纵齿115由面内直杆处C面内弯曲至最大弯曲处D，在该时段，横齿116上的驱动足111与动子组件21接触，共同推动平面滑板21沿y向移进第三个步距λ。

如图14(Step 4)，在3T/4～T振动时段内，定子面外弯振驱使纵齿115上由直杆状弯成最大前弯状，使纵齿115上驱动足111与动子组件2保持接触；而此时横齿116由直杆状面外弯至反向最大位移处，且横齿116上的驱动足111与动子组件2脱离；在该时段，定子面内弯振使纵齿115由面内最大弯曲处D恢复至直杆处A；在该时段，纵齿115上的驱动足111与动子组件21接触共同推动平面滑板21沿x向移进第四个步距λ。

如图14所示，定子组件1每完成上述一个振动周期T，纵齿115上部驱动足111将完成从最大面外前弯位置A-最大面内前曲位置B-最大面外后弯位置C-最大面内后湾位置D-最大面外前弯位置A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x向前移2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x向前移。如果逆转面内弯振与面外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。

如图11、图12、图13和图15，所述定子组件1的驱动足111沿yOz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弯曲模态工作振动与面外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yOz面内的椭圆运动可看成由四部分组成：

如图15(Step 1)，在0～T/4振动时段内，定子面外弯振使横齿116由最大面外弯状恢复成直杆状，使横齿116上部的驱动足111与动子组件2保持接触,而此时纵齿115由反向最大面外弯状恢复成直杆，并且与动子21不接触；定子面内弯振使横齿116由初始位置E面内弯曲至F处。在该时段，定子组件1的横齿116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向移进第一个步距λ。

如图15(Step 2)，在T/4～T/2振动时段内，定子面外弯振驱使横齿116由直杆状弯成最大后弯状，使横齿116上的驱动足111与动子组件2脱离接触；而此时纵齿115由直杆状向面外弯至最大位移处，且纵齿115上的驱动足111与动子组件21接触；定子面内弯振使横齿116由面内最大弯曲处F恢复成直杆G处，在该时段，定子纵齿115上的驱动足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15(Step 3)，在T/2～3T/4振动时段内，定子面外弯振使横齿116由最大后弯状恢复成直杆状，同时横齿116上的驱动足111与动子组件2保持脱离；而此时纵齿115由最大位移处恢复至直杆状，且纵齿115上的驱动足111与动子组件21接触；定子面内弯振使横齿116由面内直杆处G面内弯曲至最大弯曲处H，在该时段，纵齿115上的驱动足111与动子组件21接触，共同推动平面滑板21沿x向移进第三个步距λ。

如图15(Step 4)，在3T/4～T振动时段内，定子面外弯振驱使横齿116上由直杆状弯成最大前弯状，使横齿116上驱动足111与动子组件2保持接触；而此时纵齿115由直杆状面外弯至反向最大位移处，且纵齿115上的驱动足111与动子组件2脱离；在该时段，定子面内弯振使横齿116由面内最大弯曲处H恢复至直杆处E；在该时段，横齿116上的驱动足111与动子组件21接触共同推动平面滑板21沿y向移进第四个步距λ。

如图15所示，定子组件1每完成上述一个振动周期T，横齿116上部驱动足111将完成从最大面外前弯位置E-最大面内前曲位置F-最大面外后弯位置G-最大面内后弯位置H-最大面外前弯位置E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2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。如果逆转面内弯振与面外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。

Claims (3)

1.基于口齿形压电振子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，所述定子组件安装于所述动子组件与所述支座组件之间；

所述定子组件包括口齿形结构板, 口齿形结构板呈方框形，口齿形结构板四个内角的转角处设置有槽孔，且四角上设置有螺纹孔；口齿形结构板一对边的内侧设置有纵齿，另一对边的内侧设置有横齿；纵齿和横齿均呈方形条状，其端部呈锥形，纵齿和横齿的内部均设置有调整孔，其长度与纵齿和横齿锥形端部的底面平齐,调整孔的中轴线分别与纵齿和横齿中心线重合；纵齿和横齿的四周表面粘帖有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件包括面外纵振激励陶瓷和面内弯振激励陶瓷，纵齿和横齿的平面粘贴有面外纵振激励陶瓷，所述面外纵振激励陶瓷分别对称粘贴于纵齿和横齿的正反平面；纵齿和横齿的侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷，所述面内弯振激励陶瓷分别对称粘贴于纵齿和横齿的左右侧面；纵齿和横齿的端部的平面均设置有驱动足，驱动足的厚度略高于面外纵振激励陶瓷的厚度，驱动足顶面涂覆有高性能耐磨擦材料；

所述动子组件包括平面滑板和动子支座，动子支座设置有凹坑，凹坑内装有滚珠，并覆盖于平面滑板上；

所述支座组件包括立板和底板，底板的上面固定有立板，立板呈“U”形，立板上设置有螺孔，立板的一侧底板上面固定有凸台并设有通孔，凸台上装有垫片，底板装有支座固定螺钉；

所述立板通过螺栓与动子支座连接，定子固定螺钉穿过立板上的凸台和垫片与结构板上的螺纹孔固定连接，驱动足的顶面与动子组件的平面滑板底面连接。

2.根据权利要求1所述的基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机，其特征在于，所述高性能耐磨擦材料为聚偏氟乙烯基摩擦材料。

3.一种如权利要求1所述的基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机的工作方法，其特征在于，利用定子组件特定的两相工作模态振动，其中，面外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，通过对面外纵振激励陶瓷施加特定的激励电压，上下对称的纵齿和左右对称的横齿基于口齿形结构板平面的面外弯曲振动，驱使纵齿和横齿末端分别沿垂直于口齿形结构板平面的两反方向弯曲并高出口齿形结构板的平面，纵齿和横齿的面外弯曲振动振型相反，使得口齿形结构板的纵齿和横齿上的驱动足分为两组交替的保持和动子组件的平面滑板接触与分离；

所述面内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，激发纵齿和横齿基于口齿形结构板平面的面内弯曲振动，纵齿的面内弯曲振动振型对称，使得纵齿上的驱动足交替推动动子组件的平面滑板沿x向移动；横齿的面内弯曲振动振型对称，使得横齿上的驱动足交替的推动动子组件的平面滑板沿y向移动。

Images