CN113517825A - 一种基于纵振模态的微小型超声电机及其驱动方法 - Google Patents

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    • H02N2/062—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis

Abstract

本发明涉及一种基于纵振模态的微小型超声电机及其驱动方法，该微小型超声电机包括底座、定子和动子；定子固定连接在底座上，动子以自适应预紧的方式夹持在定子中的弹性体上，弹性体上粘结有两组压电片；该微小型超声电机利用这两组压电片作为驱动源，分别用以激发弹性体中纵振部位a和纵振部位b的纵振，两向纵振合成锯齿波，以驱动动子直线运动。优点在于：该微小型超声电机具有结构简单、尺寸微小、成本低、加工方便、易于集成等特点，可以实现大规模生产和进行商业化应用，在应用空间受限的场合中的精密驱动和定位方面有较高的实用价值。

Description

一种基于纵振模态的微小型超声电机及其驱动方法
技术领域
本发明涉及微特电机技术领域，特别涉及一种基于纵振模态的微小型超声电机，该超声电机利用超声激发弹性体共振合成锯齿波的原理，具有结构简单、尺寸小，速度快的特点，适用于微小空间内物体的精密定位以及驱动。
背景技术
随着科学技术的发展，诸如航空航天工程、生物医学工程、超精密加工和微机电系统等高精尖技术领域对驱动装置提出了高精度、小体积、大行程等的要求，而压电驱动器因具有结构简单、精度高、响应速度快、不受电磁干扰等优点而受到广泛关注。由于单一压电元件输出的位移行程非常有限,研究人员基于步进累积的思想,提出了诸如超声、粘滑、冲击、尺蠖等不同的步进式驱动原理,并研制了相应的压电驱动器。在这其中,超声电机具有噪声小、响应快、输出力大等优点，具有较高的实用性。目前的直线超声电机尺寸仍然存在尺寸不够紧凑的问题，无法满足在极小空间尺寸中的定位要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于纵振模态的微小型超声电机，其利用压电片作为动力源，结构设计灵活，可以实现超小尺寸的结构实现。采用超声共振合成锯齿波的方式驱动，具有结构简单紧凑、速度快、兼容性高的特点，可以实现在极小应用空间内对目标物体的精密定位。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于纵振模态的微小型超声电机，其特征在于：由底座1、定子2、动子3组成；所述的定子2固定连接在底座1上，所述的动子3以自适应预紧的方式夹持在定子2中的弹性体2-3上。
所述的定子2由压电片a2-1-1、压电片b2-1-2、压电片c2-2-1、压电片d2-2-2组成；所述的压电片a2-1-1和压电片b2-1-2分别粘贴在弹性体2-3的纵振部位a2-3-2的上下表面；所述的压电片c2-2-1和压电片d2-2-2分别粘贴在弹性体2-3的纵振部位b2-3-3的上下表面；
所述的弹性体2-3由固定端2-3-1、纵振部位a2-3-2、纵振部位b2-3-3和传动杆2-3-4组成。
所述的动子3由开口3-1、圆环臂3-2、直梁3-3和中空体3-4组成。其中开口3-1的作用是使得圆环臂3-2具有一定的弹性，可以以自适应预紧的方式夹持在定子2中的柔性铰链机构2-3上，直梁3-3起到导向作用，并且在其上表面还可以放置其他被驱物体。
本发明的另一目的在于提供一种基于纵振模态的微小型超声电机的驱动方法，主要包括以下步骤：
a)给定子2的压电片a2-1-1和压电片b2-1-2施加U＝Asin(4πft+φ1)的正弦电信号，激发纵振部位a2-3-2的纵振模态，产生沿x向的正弦机械振动；同时给压电片c2-2-1和压电片d2-2-2施加U＝Bsin(2πft+φ2)的正弦电信号，激发纵振部位b2-3-3的纵振模态，产生正弦机械振动；纵振部位a2-3-2和纵振部位b2-3-3的机械振动进行耦合，使得传动杆2-3-4上产生沿x向的类锯齿波机械振动，传动杆2-3-4将以粘滑驱动原理驱动动子3产生沿x向的直线步进运动；
b)通过控制压电片a2-1-1、压电片b2-1-2和压电片c2-2-1、压电片d2-2-2的激励信号的幅值A、B和相位φ1、φ2，可以实现运动速度以及运动正反向的调节。
本发明的有益效果在于：通过本发明提供的一种基于纵振模态的微小型超声电机，可以实现在微小应用空间内对目标物体的精密驱动与定位，具有结构简单、尺寸微小、速度快、精度高、易于加工等特点，具有大规模生产以及商业化应用的潜力。
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为本发明的一种基于纵振模态的微小型超声电机整体结构示意图；
图2为本发明的定子结构示意图；
图3为本发明的弹性体结构示意图；
图4为本发明的动子结构示意图；
图中：1、底座；2、定子；2-1-1、压电片a；2-1-2、压电片b；2-2-1、压电片c；2-2-2、压电片d；2-3、弹性体；2-3-1、固定端；2-3-2、纵振部位a；2-3-3、纵振部位b；2-3-4、传动杆；3、动子；3-1、开口；3-2、圆环臂；3-3、直梁；3-4、中空体。
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4所示，一种基于纵振模态的微小型超声电机，其特征在于：由底座1、定子2、动子3组成；所述的定子2固定连接在底座1上，所述的动子3以自适应预紧的方式夹持在定子2中的弹性体2-3上。
所述的定子2由压电片a2-1-1、压电片b2-1-2、压电片c2-2-1、压电片d2-2-2组成；所述的压电片a2-1-1和压电片b2-1-2分别粘贴在弹性体2-3的纵振部位a2-3-2的上下表面；所述的压电片c2-2-1和压电片d2-2-2分别粘贴在弹性体2-3的纵振部位b2-3-3的上下表面；
所述的弹性体2-3由固定端2-3-1、纵振部位a2-3-2、纵振部位b2-3-3和传动杆2-3-4组成。
所述的动子3由开口3-1、圆环臂3-2、直梁3-3和中空体3-4组成。其中开口3-1的作用是使得圆环臂3-2具有一定的弹性，可以以自适应预紧的方式夹持在定子2中的柔性铰链机构2-3上，直梁3-3起到导向作用，并且在其上表面还可以放置其他被驱物体。
所述的一种基于纵振模态的微小型超声电机的驱动方法包括以下步骤：
a)给定子2的压电片a2-1-1和压电片b2-1-2施加U＝Asin(4πft+φ1)的正弦电信号，激发纵振部位a2-3-2的纵振模态，产生沿x向的正弦机械振动；同时给压电片c2-2-1和压电片d2-2-2施加U＝Bsin(2πft+φ2)的正弦电信号，激发纵振部位b2-3-3的纵振模态，产生正弦机械振动；纵振部位a2-3-2和纵振部位b2-3-3的机械振动进行耦合，使得传动杆2-3-4上产生沿x向的类锯齿波机械振动，传动杆2-3-4将以粘滑驱动原理驱动动子3产生沿x向的直线步进运动；
b)通过控制压电片a2-1-1、压电片b2-1-2和压电片c2-2-1、压电片d2-2-2的激励信号的幅值A、B和相位φ1、φ2，可以实现运动速度以及运动正反向的调节。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于纵振模态的微小型超声电机，其特征在于：由底座(1)、定子(2)、动子(3)组成；所述的定子(2)固定连接在底座(1)上，所述的动子(3)以自适应预紧的方式夹持在定子(2)中的弹性体(2-3)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于纵振模态的微小型超声电机，其特征在于：所述的定子(2)由压电片a(2-1-1)、压电片b(2-1-2)、压电片c(2-2-1)、压电片d(2-2-2)组成；所述的压电片a(2-1-1)和压电片b(2-1-2)分别粘贴在弹性体(2-3)的纵振部位a(2-3-2)的上下表面；所述的压电片c(2-2-1)和压电片d(2-2-2)分别粘贴在弹性体(2-3)的纵振部位b(2-3-3)的上下表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于纵振模态的微小型超声电机，其特征在于：所述的弹性体(2-3)由固定端(2-3-1)、纵振部位a(2-3-2)、纵振部位b(2-3-3)和传动杆(2-3-4)组成。
4.根据权利要求1所述的一种基于纵振模态的微小型超声电机，其特征在于：所述的动子(3)由开口(3-1)、圆环臂(3-2)、直梁(3-3)和中空体(3-4)组成。
5.一种基于纵振模态的微小型超声电机的驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)给定子(2)的压电片a(2-1-1)和压电片b(2-1-2)施加U＝Asin(4πft+φ1)的正弦电信号，激发纵振部位a(2-3-2)的纵振模态，产生沿x向的正弦机械振动；同时给压电片c(2-2-1)和压电片d(2-2-2)施加U＝Bsin(2πft+φ2)的正弦电信号，激发纵振部位b(2-3-3)的纵振模态，产生沿x向的正弦机械振动；纵振部位a(2-3-2)和纵振部位b(2-3-3)的机械振动进行耦合，使得传动杆(2-3-4)上产生沿x轴的类锯齿波机械振动，传动杆(2-3-4)将以粘滑驱动原理驱动动子(3)产生沿x轴的直线步进运动；
b)通过控制压电片a(2-1-1)、压电片b(2-1-2)和压电片c(2-2-1)、压电片d(2-2-2)的激励信号的幅值A、B和相位φ1、φ2，可以实现运动速度以及运动正反向的调节。
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