本发明涉及一种双冲程紧凑型的多模态复合式压电直线电机。它包括定子和动子，定子由上弹性块、下弹性块、第一组压电致动件、第二组压电致动件和紧固螺钉构成。其中第一组压电致动件被夹持在上弹性块和下弹性块之间，并用紧固螺钉均匀夹紧。第二组压电致动件则牢固地粘贴在下弹性块的两个相对的侧面上。电机的动子是直线导轨，其下方由两个平行设置的导向轮支撑。电机具有近似立方体的紧凑的外形，具有双冲程动力输出的特点，能量密度高，运动输出平稳、精密，机电转换效率高，结构简单易于微型化。
1.一种双冲程紧凑型压电直线电机，包括定子和动子，其特征在于：所述定子由上弹性块（1）、下弹性块（5）、第一组压电致动件（4）、第二组压电致动件（6）和紧固螺钉（12）构成；其中第一组压电致动件（4）被夹持在上弹性块（1）和下弹性块（5）之间，并用紧固螺钉（12）均匀夹紧，第二组压电致动件（6）则牢固地粘贴在下弹性块（5）的两个相对的侧面（11）上；所述动子是一个直线导轨（9），其下方由两个平行设置的导向轮（10）支撑；所述定子的下弹性块（5）有齿形凸起（8）与该直线导轨（9）的顶面相抵触，预压力作用在上弹性块（1）下方中点处（3），使所述动子和所述定子保持垂直压紧；所述定子沿左右方向和前后方向分别为完全对称的结构，其上弹性块（1）的上部带有4个凸块（2），其下弹性块（5）的下部带有2个凸脚（7）；所述第一组压电致动件（4）分左右两族，均由偶数片的压电陶瓷片叠成，同族压电陶瓷片的极化方向两两相对布置，在同极性接合面之间引出电极片，用于施加外电场；两族压电陶瓷片之间，对应片的极化方向互为异向布置，用于激励所述第一工作模态；所述第二组压电致动件（6）也分为左右两族，每族由前后两片压电陶瓷片组成，同族的两片压电陶瓷片的极化方向同向布置，左族和右族的对应压电陶瓷片极化方向互为异向，用于激励所述第二工作模态。
2.根据权利要求1所述的双冲程紧凑型压电直线电机，其特征在于所述下弹性块（5）由声阻抗率较小的材料制成，所述上弹性块（1）由声阻抗率较大的材料制成，即上弹性块（1）的材料声阻抗率大于下弹性块（5）的材料声阻抗率。
3.根据权利要求2所述的双冲程紧凑型压电直线电机，其特征在于所述上弹性块（1）的材料为钢，所述下弹性块（5）的材料为铝。
4.根据权利要求1所述的双冲程紧凑型压电直线电机，其特征在于所述第一组和第二组压电致动件（4、6）皆是上下两面均匀涂镀银极的、沿厚度方向均匀极化的压电陶瓷片。
5.根据权利要求1所述的双冲程紧凑型压电直线电机，其特征在于电机利用下弹性块（5）的2个凸脚（7）的互为反相的纵向振动模态为第一工作模态，利用该2个凸脚（7）的互为反相的横向偏摆振动模态为第二工作模态，两工作模态的频率相接近，在下弹性块（5）凸脚（7）下端有凸齿（8），由该两凸齿（8）的末端复合成运动输出所需的椭圆轨迹振动。
6.根据权利要求1所述的双冲程紧凑型压电直线电机，其特征在于电激励方式为：用两组相位差为π/2的同频简谐信号交变电场分别激励第一组压电致动件（4）和第二组压电致动件（6）的高频振动，其效果是使下弹性块（5）的凸齿（8）末端交替地以180°相位差与动子接触，并产生同方向双冲程摩擦驱动效果，推动动子输出连续的直线运动；两组电激励信号交换时，输出的运动方向反向。
双冲程紧凑型压电直线电机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种直线运动驱动和控制兼用的非电磁原理直线电机和线性致动器。特别是一种体积小、能量密度高的双冲程紧凑型压电直线电机。
背景技术
[0002] 超声电机是利用压电陶瓷或其他功能元件激发出弹性体的某种预定模态的高频共振振动，通过摩擦输出机械能的新型电机和动力装置。与传统的电磁电机相比，其明显的优势之一是可以用非常紧凑的结构和极少量的零件产生直线运动机械能的输出。由于是利用摩擦实现机械能的转换和输出，因此即使是断电以后，其预压力机构也使得定子紧紧压在动子上，使电机获得较大的自保持力。从工作原理区分，超声电机可分为行波型和驻波型两种。对于直线超声电机而言，目前利用复合模态工作的驻波型直线超声电机技术上相对成熟。在实际应用上，这种直线超声电机主要问题是输出力小。输出力相对较大的现有直线超声电机，横向尺寸（电机在垂直于直线滑轨方向的尺寸）又普遍偏大。而且在大推力工作时电机输出运动的平稳性变差。
[0003] 现有技术有一种双驱动足直线超声电机（发明专利申请号：2007 1 0024372.8），该电机的定子采用了两个夹心式压电振子，并且呈V字形布置，两振子的前盖合并成了门字形弹性体结构，由此形成双驱动足。该电机的主要不足在于：1）电机的外形尺寸较大，能量密度不高；2）电机缺少一个能使能量损失降为最小的固支点。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种双冲程紧凑型压电直线电机，具有近似立方体的紧凑的外形、体积小、能量密度高、推力和自保持力大、运动输出平稳、运动分辨率高、机电转换效率高。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案。
[0006] 一种双冲程紧凑型的压电直线电机，包括定子和动子，其特征在于：所述定子由上弹性块、下弹性块、第一组压电致动件、第二组压电致动件和紧固螺钉构成，其中第一组压电致动件被夹持在上弹性块和下弹性块之间，并用紧固螺钉均匀夹紧；第二组压电致动件则牢固地粘贴在下弹性块的两个相对的侧面上；下弹性块用声阻抗率较小的材料如硬铝等制作，上弹性块用声阻抗率较大的材料如钢等制作。所述的动子是一个具有光滑工作表面的直线导轨，其下方由两个平行设置的导向轮支撑。所述定子的下弹性块有凸齿与该直线导轨的光滑顶面相抵触，通过外围封装结构将预压力作用在上弹性块下方中点处，该点是整个定子在按预定模态振动时的相对静止点，该预压力使所述定子和所述动子保持垂直压紧。
[0007] 所述的定子沿左右方向和前后方向分别为完全对称的结构。其上弹性块的上部带有4个凸块。其下弹性块的下部带有2个凸脚。电机利用下弹性块的2个凸脚的互为反相的纵向振动模态为第一工作模态，利用该2个凸脚的互为反相的横向偏摆振动模态为第二工作模态。两工作模态的频率相接近，并在下弹性块的凸齿末端复合成运动输出所需的椭圆轨迹振动。
[0008] 所述的第一组压电致动件和第二组压电致动件都是上下两面均匀涂镀银极的、沿厚度方向均匀极化的压电陶瓷片。所述的第一组压电致动件分左右两族，均为偶数片的压电陶瓷片叠成，同族压电陶瓷片的极化方向两两相对布置，在同极性接合面之间引出电极片，用于施加外电场。两族压电陶瓷片之间，对应片的极化方向互为异向布置。用于激励所述的第一工作模态。所述的第二组压电致动件也分为左右两族，每族由前后两片压电陶瓷片组成。同族的两片压电陶瓷片的极化方向同向布置，并与另一族的对应压电陶瓷片极化方向互为异向。用于激励所述的第二工作模态。
[0009] 电机的电激励方式是用两组相位差为π/2的同频简谐信号交变电场分别激励第一组压电致动件和第二组压电致动件的高频振动。其效果是使下弹性块的凸齿末端交替地以180°相位差与动子接触，并产生同方向双冲程摩擦驱动效果，推动动子输出连续的直线运动。两组电激励信号交换时，输出的运动方向反向。
[0010] 本发明与现有技术相比具有如下突出实质性特点和显著优点：
[0011] 1.具有两个凸脚的下弹性块交替驱动，达成类似于双缸发动机的双冲程驱动效果，使电机整体体积减小，能量密度加大；
[0012] 2.夹心式压电致动件结构设计利用了压电元件的厚度振动模式，机电耦合系数大，而且由于可以提供较大的预压力，因此振动力大，使得电机所产生的推力和自保持力大；
[0013] 3.除了电机定子纵向振动激励使用了多组压电致动件外，电机定子的横向偏摆振动激励也使用了多组压电致动件，因此压电元件的有效使用率高，使得电机的能量密度加大；
[0014] 4.利用了电机定子的两个相互正交的反对称振动模态，这两个模态间存在公共的振动节点，方便电机在此处固支，承受预压力，从而最大程度减少了固支点对于振动波的反射和振动能量的消耗，使得电机机电转换效率提高；
[0015] 5.本发明电机定子的双冲程工作模式比普通单一驱动足定子接触动子的时间提高了一倍，电机工作更加平稳，输出的直线运动精度提高。
[0016] 6.下弹性块做成2个较长的凸起结构，用声阻抗率较小的材料制作，上弹性块做成4个短粗的凸起结构，用声阻抗率较大的材料制作，使得电机定子的振动能量在电机驱动足端部聚集，放大了振动振幅，提高了电机的输出推力和速度。
附图说明
[0017] 图1是本发明的一个实施例的结构示意图；
[0018] 图2是本发明的一个实施例的电机定子的第一工作模态；
[0019] 图3是对应图2的第二工作模态；
[0020] 图4是本发明的一个实施例的电机定子压电致动件极化方向和外加电场信号接入示意图；
[0021] 图5是本发明的一个实施例的定子以第一工作模态和第二工作模态复合振动时，下弹性块振动运动轨迹分解示意图。其纵向振动和横向振动之间相位互差90°。其中图（a）是纵向振动达到正向最大振幅的情况，图（b）是横向振动达到正向最大振幅的情况，图（c）是纵向振动达到负向最大振幅的情况，图（d）是横向振动达到负向最大振幅的情况。
[0022] 具体实施方式：
[0023] 本发明的优选实施例结合附图详述如下：
[0024] 实施例一：参见图1，本双冲程紧凑型压电直线电机，包括定子和动子，所述定子由上弹性块1、下弹性块5、第一组压电致动件4、第二组压电致动件6和紧固螺钉12构成；其中第一组压电致动件4被夹持在上弹性块1和下弹性块5之间，并用紧固螺钉12均匀夹紧，第二组压电致动件6则牢固地粘贴在下弹性块5的两个相对的侧面11上；所述动子是一个直线导轨9，其下方由两个平行设置的导向轮10支撑；所述定子的下弹性块5有齿形凸起8与该直线导轨9的顶面相抵触，预压力作用在上弹性块1下方中点处3，使所述动子和所述定子保持垂直压紧。
[0025] 实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述下弹性块5由声阻抗率较小的材料制成，所述上弹性块1由声阻抗率较大的材料制成，即上弹性块1的材料声阻抗率大于下弹性块5的材料声阻抗率。所述定子沿左右方向和前后方向分别为完全对称的结构，其上弹性块1的上部带有4个凸块2，其下弹性块5的下部带有2个凸脚7。所述上弹性块1的材料为钢，所述下弹性块5的材料为铝。所述第一组和第二组压电致动件4、6皆是上下两面均匀涂镀银极的、沿厚度方向均匀极化的压电陶瓷片。所述电机利用下弹性块5的2个凸脚7的互为反相的纵向振动模态为第一工作模态，利用该2个凸脚7的互为反相的横向偏摆振动模态为第二工作模态，两工作模态的频率相接近，在下弹性块5凸脚7下端有凸齿8，由该两凸齿8的末端复合成运动输出所需的椭圆轨迹振动。
[0026] 所述第一组压电致动件4分左右两族，均由偶数片的压电陶瓷片叠成，同族压电陶瓷片的极化方向两两相对布置，在同极性接合面之间引出电极片，用于施加外电场；两族压电陶瓷片之间，对应片的极化方向互为异向布置，用于激励所述第一工作模态；所述第二组压电致动件6也分为左右两族，每族由前后两片压电陶瓷片组成。同族的两片压电陶瓷片的极化方向同向布置，并与另一族的对应压电陶瓷片极化方向互为异向，用于激励所述第二工作模态。
[0027] 电激励方式为：用两组相位差为π/2的同频简谐信号交变电场分别激励第一组压电致动件4和第二组压电致动件6的高频振动，其效果是使下弹性块5的凸齿8末端交替地以180°相位差与动子接触，并产生同方向双冲程摩擦驱动效果，推动动子输出连续的直线运动；两组电激励信号交换时，输出的运动方向反向。
[0028] 实施例三：本实施例与实施例二基本相同，特别之处是：电机定子整体外形尺寸是20.2mm×15.6mm×12.0mm。所述的动子是断面尺寸为12mm×6mm的具有光滑工作表面平直钢质直线导轨，在电机定子振动的节点位置施加预压力，使前述动子驱动足端面与导轨光滑工作表面相接触，并压紧。
[0029] 电机的定子为沿左右方向和前后方向分别完全对称的结构，并构成了一个整体的复合材料弹性体，利用该弹性体的两个下部凸起结构的互为反相的纵向振动模态为第一工作模态，利用该弹性体的两驱动足的互为反相的横向偏摆振动模态为第二工作模态。利用有限元数值计算，得到使两模态的频率相互接近的具体结构尺寸。计算得到的工作模态频率在110kHz附近，在该频率下激励时，电机定子在下弹性块齿形凸起末端复合成运动输出所需的椭圆轨迹振动。
