CN113114065B - 微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机及其驱动方法，属于精密机械领域。压电超声电机包括谐振子(1)和从动件(2)，其中谐振子(1)包括矩形中空弹性体(1‑1)、压电陶瓷片Ⅰ(1‑2)、压电陶瓷片Ⅱ(1‑3)、压电陶瓷片Ⅲ(1‑4)和压电陶瓷片Ⅳ(1‑5)组成；从动件(2)成开口环状；给压电陶瓷片Ⅰ(1‑2)、压电陶瓷片Ⅱ(1‑3)、压电陶瓷片Ⅲ(1‑4)和压电陶瓷片Ⅳ(1‑5)施加顺序控制电信号，可使矩形中空弹性体(1‑1)产生椭圆运动，驱动从动件(2)线性运动。本发明的有益效果是：结构紧凑、运动精度高、成本低，可用于有限空间内的精密驱动；同时，矩形中空弹性体内可放置较大的光学镜片，尤其适用于各种精密光学设备。
Description
技术领域
本发明涉及精密机械领域，特别涉及一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机及其驱动方法。通过激励谐振子产生椭圆运动，实现从动件实现线性运动。
背景技术
压压电超声电机由于其不受电磁干扰、响应快、精度高等特点在精密仪器和航空航天中发挥着巨大作用。然而，现有可实现压电超声电机中，要么是旋转型电机，要么电机体积较大，要么电机不是中空结构，不适用于微小型设备的精密运动，如手机相机镜头调焦。类似与申请号为CN 202020498538.0的高转矩密度超声电机，为旋转型电机，在手机等微小型设备相机镜头调焦领域并不适用。类似于申请号CN 201610009699.7的直线超声电机，体积较大，也不适用于手机等微小型设备相机镜头调焦领域。三英精控(天津)仪器设备有限公司申请的专利CN 2017114767690，其结构不是中空的，无法将相机的光学镜片集成在超声电机中，同样不适用于手机等微小型设备相机镜头调焦。
发明内容
本发明目的在于提供一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机及其驱动方法，解决现有技术存在的上述问题。通过激励谐振子产生椭圆运动，实现从动件实现线性运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机，其特征在于：包括谐振子(1)和从动件(2)；所述的谐振子(1)包括矩形中空弹性体(1-1)、压电陶瓷片Ⅰ(1-2)、压电陶瓷片Ⅱ(1-3)、压电陶瓷片Ⅲ(1-4)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)组成；所述的从动件(2)成开口环状，可内置相机光学镜片；所述的从动件(2)以紧配合的方式内置于矩形中空弹性体(1-1)中；所述的用于激发矩形中空弹性体(1-1)驱动从动件(2)直线运动的压电陶瓷片Ⅰ(1-2)、压电陶瓷片Ⅱ(1-3)、压电陶瓷片Ⅲ(1-4)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)均布粘贴与矩形中空弹性体(1-1)垂直于xoy面的四个平面上。
所述的矩形中空弹性体(1-1)中空部分为椭圆形，椭圆长轴沿矩形中空弹性体(1-1)的长度方向(y向)布置，短轴沿矩形中空弹性体(1-1)的宽度方向(x向)布置；所述的矩形中空弹性体(1-1)上设置有四个安装固定孔(1-1-1)，用于安装固定压电超声电机。
所述的压电陶瓷片Ⅰ(1-2)和压电陶瓷片Ⅲ(1-4)电极互联，压电陶瓷片Ⅱ(1-3)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)的电极互联，矩形中空弹性体(1-1)接地。
本发明的另一目的在于提供一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机驱动方法，包括以下步骤：
a)给压电陶瓷片Ⅰ(1-2)和压电陶瓷片Ⅲ(1-4)施加U1＝Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(2)的纵向模态，使矩形中空弹性体(2)夹紧从动件(2)；
b)给压电陶瓷片Ⅱ(1-3)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)施加U2＝Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(1-1)的弯曲模态，在压电陶瓷片Ⅰ(1-2)、压电陶瓷片Ⅲ(1-4)和压电陶瓷片Ⅱ(1-3)、压电陶瓷片Ⅳ(1-5)的共同激励下，矩形中空弹性体(1-1)会带动从动件(2)沿z向直线运动；
c)给压电陶瓷片Ⅰ(1-2)和压电陶瓷片Ⅲ(1-4)施加U1＝Acos(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(2)的纵向模态，给压电陶瓷片Ⅱ(1-3)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)施加U2＝Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(1-1)的弯曲模态，可使矩形中空弹性体(1-1)带动从动件(2)沿-z向直线运动。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1所示为本发明的压电超声电机的结构示意图；
图2所示为本发明的谐振子的结构示意图；
图3所示为本发明的矩形中空弹性体结构示意图；
图4所示为本发明的压电陶瓷片极化方向和粘贴位置示意图；
图5所示为本发明的谐振子的接线示意图；
图6所示为本发明的谐振子的弯曲模态三维仿真示意图；
图7所示为本发明的谐振子的弯曲模态xoz面仿真示意图；
图8所示为本发明的谐振子的纵向模态三维仿真示意图；
图9所示为本发明的谐振子的纵向模态xoy面仿真示意图；
其中：1、谐振子；1-1、矩形中空弹性体；1-1-1、安装固定孔；1-2、压电陶瓷片Ⅰ；1-3、压电陶瓷片Ⅱ；1-4、压电陶瓷片Ⅲ；1-5、压电陶瓷片Ⅳ；2、从动件。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图9，本发明涉及一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机，通过压电陶瓷片激励弹性体产生椭圆运动，实现从动件的线性运动。该发明也扩展了压电超声电机的应用领域和适用场合。
所述的一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机，其特征在于：包括谐振子(1)和从动件(2)；所述的谐振子(1)包括矩形中空弹性体(1-1)、压电陶瓷片Ⅰ(1-2)、压电陶瓷片Ⅱ(1-3)、压电陶瓷片Ⅲ(1-4)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)组成；所述的从动件(2)成开口环状，可内置相机光学镜片；所述的从动件(2)以紧配合的方式内置于矩形中空弹性体(1-1)中；所述的用于激发矩形中空弹性体(1-1)驱动从动件(2)直线运动的压电陶瓷片Ⅰ(1-2)、压电陶瓷片Ⅱ(1-3)、压电陶瓷片Ⅲ(1-4)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)均布粘贴与矩形中空弹性体(1-1)垂直于xoy面的四个平面上。
所述的矩形中空弹性体(1-1)中空部分为椭圆形，椭圆长轴沿矩形中空弹性体(1-1)的长度方向(y向)布置，短轴沿矩形中空弹性体(1-1)的宽度方向(x向)布置；所述的矩形中空弹性体(1-1)上设置有四个安装固定孔(1-1-1)，用于安装固定压电超声电机。
所述的压电陶瓷片Ⅰ(1-2)和压电陶瓷片Ⅲ(1-4)电极互联，压电陶瓷片Ⅱ(1-3)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)的电极互联，矩形中空弹性体(1-1)接地。
本发明的另一目的在于提供一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机驱动方法，包括以下步骤：
a)给压电陶瓷片Ⅰ(1-2)和压电陶瓷片Ⅲ(1-4)施加U1＝Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(2)的纵向模态，使矩形中空弹性体(2)夹紧从动件(2)；
b)给压电陶瓷片Ⅱ(1-3)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)施加U2＝Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(1-1)的弯曲模态，在压电陶瓷片Ⅰ(1-2)、压电陶瓷片Ⅲ(1-4)和压电陶瓷片Ⅱ(1-3)、压电陶瓷片Ⅳ(1-5)的共同激励下，矩形中空弹性体(1-1)会带动从动件(2)沿z向直线运动；
c)给压电陶瓷片Ⅰ(1-2)和压电陶瓷片Ⅲ(1-4)施加U1＝Acos(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(2)的纵向模态，给压电陶瓷片Ⅱ(1-3)和压电陶瓷片Ⅳ(1-5)施加U2＝Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(1-1)的弯曲模态，可使矩形中空弹性体(1-1)带动从动件(2)沿-z向直线运动。
Claims (2)
1.一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机，其特征在于：包括谐振子（1）和从动件（2）；所述的谐振子（1）包括矩形中空弹性体（1-1）、压电陶瓷片Ⅰ（1-2）、压电陶瓷片Ⅱ（1-3）、压电陶瓷片Ⅲ（1-4）和压电陶瓷片Ⅳ（1-5）组成；所述的从动件（2）呈开口环状；所述的从动件（2）以紧配合的方式内置于矩形中空弹性体（1-1）中；用于激发矩形中空弹性体（1-1）驱动从动件（2）直线运动的压电陶瓷片Ⅰ（1-2）、压电陶瓷片Ⅱ（1-3）、压电陶瓷片Ⅲ（1-4）和压电陶瓷片Ⅳ（1-5）均布粘贴于矩形中空弹性体（1-1）垂直于xoy面的四个平面上；给压电陶瓷片Ⅰ（1-2）、压电陶瓷片Ⅱ（1-3）、压电陶瓷片Ⅲ（1-4）和压电陶瓷片Ⅳ（1-5）施加顺序控制电信号，可使矩形中空弹性体（1-1）产生椭圆运动，驱动从动件（2）线性运动；
所述的矩形中空弹性体（1-1）中空部分为椭圆形，椭圆长轴沿矩形中空弹性体（1-1）的长度方向布置，短轴沿矩形中空弹性体（1-1）的宽度方向布置；所述的矩形中空弹性体（1-1）上设置有四个安装固定孔（1-1-1），用于安装固定压电超声电机；
所述的压电陶瓷片Ⅰ（1-2）和压电陶瓷片Ⅲ（1-4）电极互联，压电陶瓷片Ⅱ（1-3）和压电陶瓷片Ⅳ（1-5）的电极互联，矩形中空弹性体（1-1）接地。
2.权利要求1所述的一种微小型设备用纵弯模态复合的压电超声电机的驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）给压电陶瓷片Ⅰ（1-2）和压电陶瓷片Ⅲ（1-4）施加U 1= Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体（1-1）的纵向模态，使矩形中空弹性体（1-1）夹紧从动件（2）；
b）给压电陶瓷片Ⅱ（1-3）和压电陶瓷片Ⅳ（1-5）施加U 2= Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体（1-1）的弯曲模态，在压电陶瓷片Ⅰ（1-2）、压电陶瓷片Ⅲ（1-4）和压电陶瓷片Ⅱ（1-3）、压电陶瓷片Ⅳ（1-5）的共同激励下，矩形中空弹性体（1-1）产生椭圆运动，带动从动件（2）沿z向直线运动；
c）给压电陶瓷片Ⅰ（1-2）和压电陶瓷片Ⅲ（1-4）施加U 1= Acos(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体（1-1）的纵向模态，给压电陶瓷片Ⅱ（1-3）和压电陶瓷片Ⅳ（1-5）施加U 2= Asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体（1-1）的弯曲模态，可使矩形中空弹性体（1-1）带动从动件（2）沿-z向直线运动。
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