一种直线超声电机及其电激励方法
专利名称：一种直线超声电机及其电激励方法
技术领域：
本发明涉及一种超声电机及其电激励方法，属于超声电机技术领域。
背景技术：
超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应和摩擦驱动原理的新型动力输出装 置，它利用逆压电效应将电能转换为超声电机定子的微幅振动，并通过电机的定子与动 子之间的摩擦作用，推动动子输出宏观运动。其中，直线超声电机的动子输出直线运 动。目前，直线超声电机可以直接输出直线运动带动负载，无需运动转换，从而具 有响应速度快、定位精度高。板直线超声电机体积小巧，推重比大，在宿主系统中所需 安装空间少，满足现代驱动技术对作动器要求，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于研制一种结构简单、大推重比、高精度、快响 应的直线超声电机。本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案
一种直线超声电机，包括定子和动子，在定子的一侧表面设置有驱动足，所述动子 由预压力压在定子的驱动足上，所述定子为矩形板状且设置有贯穿孔，在定子的另一侧 表面粘贴有5个压电陶瓷，用于激发定子在两个空间正交方向上的1阶弯曲振动和2阶弯 曲振动；
其中，所述压电陶瓷中的1片横向粘贴于定子上与驱动足相对称的位置，用于激发 定子在横向平面的1阶弯曲振动；
另外4片压电陶瓷两两平行地竖向粘贴于所述贯穿孔的两侧，用于激发定子在竖直 平面的2阶弯曲振动。进一步的，本发明的直线超声电机，所述驱动足位于横向平面的1阶弯曲振动 的波峰和竖直平面的2阶弯曲振动的节点处。进一步的，本发明的直线超声电机，所述定子上的贯穿孔位于横向平面的1阶 弯曲振动的波峰、竖直平面的2阶弯曲振动的波峰处。进一步的，本发明的直线超声电机，所述驱动足为横梁状。进一步的，本发明的直线超声电机，在定子的四个边角端分别有用于固定定子 的螺孔，在定子上设置驱动足的一侧表面上的螺孔位置下方分别横向设置有凹槽。进一步的，本发明的直线超声电机，所述贯穿孔的数量为2个，分别竖向设置 在定子的中心线上；在所述贯穿孔的横向轴线上位于定子板两端的位置，分别对应地开 设两个半圆孔。一种直线超声电机的电激励方法，包括以下步骤
A，用相位差为n/2的正弦信号同时激励定子在两个相互正交的1阶弯曲振动和2阶弯曲振动下，使定子的驱动足产生在时间上相互具有n/2相位差的椭圆运动，经摩擦传 力推动动子运动；
B，用相位差为负n/2的正弦信号同时激励定子在两个相互正交的1阶弯曲振动和2 阶弯曲振动下，使定子的驱动足产生在时间上相互具有负n/2相位差的椭圆运动，经摩 擦传力推动动子与步骤A相反的方向运动。本发明采用以上技术方案具有以下有益效果
本发明的带孔板直线超声电机利用单一振子两个正交方向的面外弯振模态工作，除 具有超声电机的一般特点外，采用板带驱动足作为定子，结构简单紧凑，工作模态容易 激发，且在结构设计上能保证频率一致性要求，工作可靠。带孔板结构简单，工艺性 好，大大降低了设计和制造的难度，有利于产业化。由两路同频有相位差的正弦电压信 号激励，驱动电路易于实现。
图1是带孔板直线超声电机定子结构示意图。图2是带孔板直线超声电机定子工作模态示意图。图3是带孔板直线超声电机压电陶瓷极化方向示意图。图4是带孔板直线超声电机结构示意图。图5是带孔板直线超声电机工作原理示意图。图中标号名称1-驱动足；2-定子；3、4、5、6、7_压电陶瓷；8_动子； 9、10-定子驱动足端面质点运动轨迹；11、12-动子运动方向；13-预压力；21、22-定 子的工作模态的振型。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明
如图1 (a)所示，定子2的一侧表面设置有驱动足1，定子2是由带有驱动足1的 带孔板构成；
如图1 (b)所示，定子2的背面对应地粘贴有5片压电陶瓷，用于激发定子板的弯 曲振动。其中，压电陶瓷6横向粘贴于定子2上与驱动足1相对称的位置，用于激发定 子2在横向平面的1阶弯曲振动；
另外4片压电陶瓷两两平行地竖向粘贴于所述贯穿孔的两侧，用于激发定子2在竖直 平面的2阶弯曲振动。下面结合图2所示，进一步解释本发明的结构设计原则
如图2 (a)所示，定子2为矩形板状，且在定子板的中心线上竖向开设有两个圆 孔，在这两个圆孔的横向轴线上位于定子板两端的位置，分别对应地开设两个半圆孔， 其设计目的是减小定子结构刚度，使压电陶瓷容易激发出所需工作模态并使模态振幅响 应增大。定子板的四个边角端各开一个螺孔，起固定定子2的作用，而靠近螺孔的位置 分别横向开个槽，用于削弱定子2局部刚度以减少固定螺钉对定子模态的影响，其固定 端刚好位于定子板振型22的节点处。驱动足1位于振动模态21波峰处和振动模态22的节点处，如图2 (b)所示，其中在压电陶瓷6上施加电信号Et= Vsin0af),可激发如
模态21所示的定子板的弯曲振动模态；其模态21使驱动足沿垂直于方板表面运动，具有 Z方向的位移；
如图2 (c)所示，在压电陶瓷3、4和5、6上分别施加电信号马+
和乓=1—0^+1/2)，可激发如模态22所示的定子的弯曲振动模态，而模态22使驱 动足端面沿Y轴方向运动，具有Y方向的位移。同理，在压电陶瓷3上施加电信号马=可激发如图2 (a)所示的定子 的1阶弯曲振动模态21;在压电陶瓷3、4和5、7上分别施加电信号乓
和马=1—(<^-;^/2)，可激发如图2 (b)所示的定子的弯曲振动模态22。压电陶瓷3、4和5、7用于激发定子板在Y-Z剖面的2阶弯曲振动模态22，由 于板弯曲时，其波峰或波谷处应变最大，应尽量将压电陶瓷粘贴于弯振模态22波峰或波 谷附近，以提高激励效率。如图3所示，本发明包括5个压电陶瓷，其中压电陶瓷6横向粘贴于定子2上与 驱动足1相对称的位置，用于激发定子2在横向平面的1阶弯曲振动；另外4片压电陶瓷 两两平行地竖向粘贴于所述贯穿孔的两侧，用于激发定子2在竖直平面的2阶弯曲振动。 对于上述5片压电陶瓷极化方向的要求为压电陶瓷3、4的极化方向与压电陶瓷5、6、
7的极化方向相反。压电陶瓷6用于激发定子板在x-z剖面的弯曲振动模态；压电陶瓷3、4、5、7 用于激发定子板在y-z剖面的2阶弯曲振动模态。驱动足1由于正背对着压电陶瓷6，而 由压电陶瓷6所激发的弯曲振动模态使驱动足整体呈弯曲状态，位于方板中间位置其驱 动足z向振幅最大；同时驱动足也位于由压电陶瓷3、4、5、7所激发的2阶弯曲振动模 态的节点处，由于弯曲振动节点处的旋转和驱动足有一定高度，驱动足表面的质点将沿y 轴振动。如图4所示，本发明的直线超声电机包括定子2和动子8，定子2为矩形板状且 设置有若干贯穿孔，在定子2的一侧表面设置有驱动足1，动子8由预压力13压在定子2 的驱动足1上。如图5 (a)所示，当同时分别在压电陶瓷6上施加电佶。马zFsinOaO、在压 电陶瓷3、4和5、6上分别施加电信号鸟二犷^(0^/2)和马=_1^1103 _1^/2),即当
这3个电信号(El、E2、E3)同时施加时，振动模态21、振动模态22响应的叠加可使 驱动足1与动子8接触处产生如图5 (a)所示的在x-z面上的相互之间具有n/2相位 差的椭圆运动9 ；驱动足1端面的运动经摩擦传力推动动子8沿图5 (a)所示的方向11 运动。如图5 (b)所示，当这3个电信号(El、E2、E3)同时施加时，两个振动 模态21、22的叠加可使驱动足与动子8接触处产生如图5 (b)所示的在x-z面上的相 互之间具有n/2相位差的椭圆运动10;驱动足端面的运动经摩擦传力推动动子8沿图5
(b)所示的方向12运动。
该超声电机结构紧凑，有利于小型化；电机本身质量小，可实现大的推重比； 容易激发电机所需工作模态，结构设计上能保证频率一致性要求，有利于产业化；工作
稳定、可靠。
权利要求
1.一种直线超声电机，包括定子(2)和动子(8)，在定子(2)的一侧表面设置 有驱动足(1)，所述动子(8)由预压力压在定子(2)的驱动足(1)上；其特征在 于所述定子(2)为矩形板状且设置有贯穿孔，在定子(2)的另一侧表面粘贴有5个 压电陶瓷，用于激发定子(2)在两个空间正交方向上的1阶弯曲振动和2阶弯曲振动；其中，所述压电陶瓷中的1片横向粘贴于定子(2)上与驱动足(1)相对称的位 置，用于激发定子(2)在横向平面的1阶弯曲振动；另外4片压电陶瓷两两平行地竖向粘贴于所述贯穿孔的两侧，用于激发定子(2)在 竖直平面的2阶弯曲振动。
2.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述驱动足(1)位于横向平 面的1阶弯曲振动的波峰和竖直平面的2阶弯曲振动的节点处。
3.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述定子(2)上的贯穿孔位 于横向平面的1阶弯曲振动的波峰、竖直平面的2阶弯曲振动的波峰处。
4.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述驱动足(1)为横梁状。
5.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于在所述定子(2)的四个边角 端分别有用于固定定子(2)的螺孔，在定子(2)上设置驱动足的一侧表面上，在所述 螺孔的位置下方分别横向设置有凹槽。
6.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述贯穿孔的数量为2个，分 别竖向设置在定子(2)的中心线上；在所述贯穿孔的横向轴线上位于定子板两端的位 置，分别对应地开设两个半圆孔。
7.—种如权利要求1所述的直线超声电机的电激励方法，其特征在于，包括如下步骤A，用相位差为η/2的正弦信号同时激励定子(2)在两个相互正交的1阶弯曲振动 和2阶弯曲振动下，使定子(2)的驱动足(1)产生在时间上相互具有η/2相位差的椭 圆运动，经摩擦传力推动动子(8)运动；B，用相位差为负η/2的正弦信号同时激励定子(2)在两个相互正交的1阶弯曲振 动和2阶弯曲振动下，使定子(2)的驱动足(1)产生在时间上相互具有负π/2相位差 的椭圆运动，经摩擦传力推动动子(8)与步骤A相反的方向运动。
全文摘要
本发明提供一种直线超声电机及其电激励方法，属超声电机技术领域。该电机包括定子、动子及压电陶瓷；所述定子为一个面上带有1个横梁状驱动足的矩形带孔板，另一个面上粘贴有5个压电陶瓷，用于同时激发定子板的1阶弯曲振动模态和2阶弯曲振动模态。本发明用相位差为π/2的正弦信号同时激励定子板的两个相互正交的弯振，使板上的驱动足产生具有π/2相位差的椭圆运动，经摩擦传力推动压在定子驱动足上的动子运动；用相位差为－π/2的正弦信号激励时，可使动子反方向运动。在工作状态下，定子板两端通过孔用螺钉固定。该超声电机结构紧凑、质量小、驱动效率高、推力较大、工作可靠。
文档编号H02N2/02GK102013832SQ20101060395
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者王寅, 陈培洪, 黄卫清 申请人:南京航空航天大学
技术领域：
本发明涉及一种超声电机及其电激励方法，属于超声电机技术领域。
背景技术：
超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应和摩擦驱动原理的新型动力输出装 置，它利用逆压电效应将电能转换为超声电机定子的微幅振动，并通过电机的定子与动 子之间的摩擦作用，推动动子输出宏观运动。其中，直线超声电机的动子输出直线运 动。目前，直线超声电机可以直接输出直线运动带动负载，无需运动转换，从而具 有响应速度快、定位精度高。板直线超声电机体积小巧，推重比大，在宿主系统中所需 安装空间少，满足现代驱动技术对作动器要求，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于研制一种结构简单、大推重比、高精度、快响 应的直线超声电机。本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案
一种直线超声电机，包括定子和动子，在定子的一侧表面设置有驱动足，所述动子 由预压力压在定子的驱动足上，所述定子为矩形板状且设置有贯穿孔，在定子的另一侧 表面粘贴有5个压电陶瓷，用于激发定子在两个空间正交方向上的1阶弯曲振动和2阶弯 曲振动；
其中，所述压电陶瓷中的1片横向粘贴于定子上与驱动足相对称的位置，用于激发 定子在横向平面的1阶弯曲振动；
另外4片压电陶瓷两两平行地竖向粘贴于所述贯穿孔的两侧，用于激发定子在竖直 平面的2阶弯曲振动。进一步的，本发明的直线超声电机，所述驱动足位于横向平面的1阶弯曲振动 的波峰和竖直平面的2阶弯曲振动的节点处。进一步的，本发明的直线超声电机，所述定子上的贯穿孔位于横向平面的1阶 弯曲振动的波峰、竖直平面的2阶弯曲振动的波峰处。进一步的，本发明的直线超声电机，所述驱动足为横梁状。进一步的，本发明的直线超声电机，在定子的四个边角端分别有用于固定定子 的螺孔，在定子上设置驱动足的一侧表面上的螺孔位置下方分别横向设置有凹槽。进一步的，本发明的直线超声电机，所述贯穿孔的数量为2个，分别竖向设置 在定子的中心线上；在所述贯穿孔的横向轴线上位于定子板两端的位置，分别对应地开 设两个半圆孔。一种直线超声电机的电激励方法，包括以下步骤
A，用相位差为n/2的正弦信号同时激励定子在两个相互正交的1阶弯曲振动和2阶弯曲振动下，使定子的驱动足产生在时间上相互具有n/2相位差的椭圆运动，经摩擦传 力推动动子运动；
B，用相位差为负n/2的正弦信号同时激励定子在两个相互正交的1阶弯曲振动和2 阶弯曲振动下，使定子的驱动足产生在时间上相互具有负n/2相位差的椭圆运动，经摩 擦传力推动动子与步骤A相反的方向运动。本发明采用以上技术方案具有以下有益效果
本发明的带孔板直线超声电机利用单一振子两个正交方向的面外弯振模态工作，除 具有超声电机的一般特点外，采用板带驱动足作为定子，结构简单紧凑，工作模态容易 激发，且在结构设计上能保证频率一致性要求，工作可靠。带孔板结构简单，工艺性 好，大大降低了设计和制造的难度，有利于产业化。由两路同频有相位差的正弦电压信 号激励，驱动电路易于实现。
图1是带孔板直线超声电机定子结构示意图。图2是带孔板直线超声电机定子工作模态示意图。图3是带孔板直线超声电机压电陶瓷极化方向示意图。图4是带孔板直线超声电机结构示意图。图5是带孔板直线超声电机工作原理示意图。图中标号名称1-驱动足；2-定子；3、4、5、6、7_压电陶瓷；8_动子； 9、10-定子驱动足端面质点运动轨迹；11、12-动子运动方向；13-预压力；21、22-定 子的工作模态的振型。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明
如图1 (a)所示，定子2的一侧表面设置有驱动足1，定子2是由带有驱动足1的 带孔板构成；
如图1 (b)所示，定子2的背面对应地粘贴有5片压电陶瓷，用于激发定子板的弯 曲振动。其中，压电陶瓷6横向粘贴于定子2上与驱动足1相对称的位置，用于激发定 子2在横向平面的1阶弯曲振动；
另外4片压电陶瓷两两平行地竖向粘贴于所述贯穿孔的两侧，用于激发定子2在竖直 平面的2阶弯曲振动。下面结合图2所示，进一步解释本发明的结构设计原则
如图2 (a)所示，定子2为矩形板状，且在定子板的中心线上竖向开设有两个圆 孔，在这两个圆孔的横向轴线上位于定子板两端的位置，分别对应地开设两个半圆孔， 其设计目的是减小定子结构刚度，使压电陶瓷容易激发出所需工作模态并使模态振幅响 应增大。定子板的四个边角端各开一个螺孔，起固定定子2的作用，而靠近螺孔的位置 分别横向开个槽，用于削弱定子2局部刚度以减少固定螺钉对定子模态的影响，其固定 端刚好位于定子板振型22的节点处。驱动足1位于振动模态21波峰处和振动模态22的节点处，如图2 (b)所示，其中在压电陶瓷6上施加电信号Et= Vsin0af),可激发如
模态21所示的定子板的弯曲振动模态；其模态21使驱动足沿垂直于方板表面运动，具有 Z方向的位移；
如图2 (c)所示，在压电陶瓷3、4和5、6上分别施加电信号马+
和乓=1—0^+1/2)，可激发如模态22所示的定子的弯曲振动模态，而模态22使驱 动足端面沿Y轴方向运动，具有Y方向的位移。同理，在压电陶瓷3上施加电信号马=可激发如图2 (a)所示的定子 的1阶弯曲振动模态21;在压电陶瓷3、4和5、7上分别施加电信号乓
和马=1—(<^-;^/2)，可激发如图2 (b)所示的定子的弯曲振动模态22。压电陶瓷3、4和5、7用于激发定子板在Y-Z剖面的2阶弯曲振动模态22，由 于板弯曲时，其波峰或波谷处应变最大，应尽量将压电陶瓷粘贴于弯振模态22波峰或波 谷附近，以提高激励效率。如图3所示，本发明包括5个压电陶瓷，其中压电陶瓷6横向粘贴于定子2上与 驱动足1相对称的位置，用于激发定子2在横向平面的1阶弯曲振动；另外4片压电陶瓷 两两平行地竖向粘贴于所述贯穿孔的两侧，用于激发定子2在竖直平面的2阶弯曲振动。 对于上述5片压电陶瓷极化方向的要求为压电陶瓷3、4的极化方向与压电陶瓷5、6、
7的极化方向相反。压电陶瓷6用于激发定子板在x-z剖面的弯曲振动模态；压电陶瓷3、4、5、7 用于激发定子板在y-z剖面的2阶弯曲振动模态。驱动足1由于正背对着压电陶瓷6，而 由压电陶瓷6所激发的弯曲振动模态使驱动足整体呈弯曲状态，位于方板中间位置其驱 动足z向振幅最大；同时驱动足也位于由压电陶瓷3、4、5、7所激发的2阶弯曲振动模 态的节点处，由于弯曲振动节点处的旋转和驱动足有一定高度，驱动足表面的质点将沿y 轴振动。如图4所示，本发明的直线超声电机包括定子2和动子8，定子2为矩形板状且 设置有若干贯穿孔，在定子2的一侧表面设置有驱动足1，动子8由预压力13压在定子2 的驱动足1上。如图5 (a)所示，当同时分别在压电陶瓷6上施加电佶。马zFsinOaO、在压 电陶瓷3、4和5、6上分别施加电信号鸟二犷^(0^/2)和马=_1^1103 _1^/2),即当
这3个电信号(El、E2、E3)同时施加时，振动模态21、振动模态22响应的叠加可使 驱动足1与动子8接触处产生如图5 (a)所示的在x-z面上的相互之间具有n/2相位 差的椭圆运动9 ；驱动足1端面的运动经摩擦传力推动动子8沿图5 (a)所示的方向11 运动。如图5 (b)所示，当这3个电信号(El、E2、E3)同时施加时，两个振动 模态21、22的叠加可使驱动足与动子8接触处产生如图5 (b)所示的在x-z面上的相 互之间具有n/2相位差的椭圆运动10;驱动足端面的运动经摩擦传力推动动子8沿图5
(b)所示的方向12运动。
该超声电机结构紧凑，有利于小型化；电机本身质量小，可实现大的推重比； 容易激发电机所需工作模态，结构设计上能保证频率一致性要求，有利于产业化；工作
稳定、可靠。
权利要求
1.一种直线超声电机，包括定子(2)和动子(8)，在定子(2)的一侧表面设置 有驱动足(1)，所述动子(8)由预压力压在定子(2)的驱动足(1)上；其特征在 于所述定子(2)为矩形板状且设置有贯穿孔，在定子(2)的另一侧表面粘贴有5个 压电陶瓷，用于激发定子(2)在两个空间正交方向上的1阶弯曲振动和2阶弯曲振动；其中，所述压电陶瓷中的1片横向粘贴于定子(2)上与驱动足(1)相对称的位 置，用于激发定子(2)在横向平面的1阶弯曲振动；另外4片压电陶瓷两两平行地竖向粘贴于所述贯穿孔的两侧，用于激发定子(2)在 竖直平面的2阶弯曲振动。
2.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述驱动足(1)位于横向平 面的1阶弯曲振动的波峰和竖直平面的2阶弯曲振动的节点处。
3.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述定子(2)上的贯穿孔位 于横向平面的1阶弯曲振动的波峰、竖直平面的2阶弯曲振动的波峰处。
4.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述驱动足(1)为横梁状。
5.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于在所述定子(2)的四个边角 端分别有用于固定定子(2)的螺孔，在定子(2)上设置驱动足的一侧表面上，在所述 螺孔的位置下方分别横向设置有凹槽。
6.根据权利要求1所述的直线超声电机，其特征在于所述贯穿孔的数量为2个，分 别竖向设置在定子(2)的中心线上；在所述贯穿孔的横向轴线上位于定子板两端的位 置，分别对应地开设两个半圆孔。
7.—种如权利要求1所述的直线超声电机的电激励方法，其特征在于，包括如下步骤A，用相位差为η/2的正弦信号同时激励定子(2)在两个相互正交的1阶弯曲振动 和2阶弯曲振动下，使定子(2)的驱动足(1)产生在时间上相互具有η/2相位差的椭 圆运动，经摩擦传力推动动子(8)运动；B，用相位差为负η/2的正弦信号同时激励定子(2)在两个相互正交的1阶弯曲振 动和2阶弯曲振动下，使定子(2)的驱动足(1)产生在时间上相互具有负π/2相位差 的椭圆运动，经摩擦传力推动动子(8)与步骤A相反的方向运动。
全文摘要
本发明提供一种直线超声电机及其电激励方法，属超声电机技术领域。该电机包括定子、动子及压电陶瓷；所述定子为一个面上带有1个横梁状驱动足的矩形带孔板，另一个面上粘贴有5个压电陶瓷，用于同时激发定子板的1阶弯曲振动模态和2阶弯曲振动模态。本发明用相位差为π/2的正弦信号同时激励定子板的两个相互正交的弯振，使板上的驱动足产生具有π/2相位差的椭圆运动，经摩擦传力推动压在定子驱动足上的动子运动；用相位差为－π/2的正弦信号激励时，可使动子反方向运动。在工作状态下，定子板两端通过孔用螺钉固定。该超声电机结构紧凑、质量小、驱动效率高、推力较大、工作可靠。
文档编号H02N2/02GK102013832SQ20101060395
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者王寅, 陈培洪, 黄卫清 申请人:南京航空航天大学
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