基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机

摘要

本发明提供一种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，由定子和动子组成，动子包括上动子和下动子，定子设于上动子和下动子间，定子包括左端压电陶瓷、右端压电陶瓷、金属弹性体、上驱动足组和下驱动足组，左下驱动足偏离定子左侧驻波波节位置与右下驱动足偏离定子右侧驻波波节位置的偏离方向相同，且偏离距离均为八分之一基波波长；左上驱动足偏离定子左侧驻波波节位置与左下驱动足偏离定子左侧驻波波节位置的偏离方向相反；本发明与目前流行的直线型超声波电机相比，该电机体积小、结构紧凑，定子的上下侧的上驱动足组、下驱动足组同速反向输出，适合小型精密装置的异向直线驱动。

权利要求

1.一种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，由定子和动子组成，其特征在于：动子包括上动子和下动子，定子设于上动子和下动子间，定子包括左端压电陶瓷、右端压电陶瓷、金属弹性体、上驱动足组和下驱动足组，左端压电陶瓷、右端压电陶瓷分别粘结在金属弹性体两端，上驱动足组设于金属弹性体的上表面，且上驱动足组设于金属弹性体与上动子间，下驱动足组设于金属弹性体的下表面，且下驱动足组设于金属弹性体与下动子间，上驱动足组包括左上驱动足和右上驱动足，左上驱动足偏离定子左侧驻波波节位置与右上驱动足偏离定子右侧驻波波节位置的偏离方向相同，且偏离距离均为八分之一基波波长；下驱动足组包括左下驱动足和右下驱动足，左下驱动足偏离定子左侧驻波波节位置与右下驱动足偏离定子右侧驻波波节位置的偏离方向相同，且偏离距离均为八分之一基波波长；左上驱动足偏离定子左侧驻波波节位置与左下驱动足偏离定子左侧驻波波节位置的偏离方向相反；金属弹性体采用Z型金属弹性体，金属弹性体的两端分别设有边槽，左端压电陶瓷、右端压电陶瓷分别粘结在金属弹性体两端的边槽，金属弹性体包括弹性体中部和凸出部，弹性体中部的两端分别设有凸出部，弹性体中部和凸出部共同呈现Z型，左端压电陶瓷极化方向为Z轴正方向，施加正方向为X轴正方向的交变电场；右端压电陶瓷极化方向为Z轴正方向，施加正方向为X轴负方向的交变电场；在电场作用下，由于逆压电效应，Z方向极化的左端压电陶瓷、右端压电陶瓷发生扭转振动，经由Z型金属弹性体的端部的凸出部激发出定子的一阶弯曲振动模态，继而驱使上驱动足组、下驱动足组进行斜直线运动，推动上动子、下动子同速反向移动。

2.如权利要求1所述的基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，其特征在于：左上驱动足和右上驱动足分别设于金属弹性体的上表面两端，右上驱动足和左上驱动足与上动子相接触。

3.如权利要求1所述的基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，其特征在于：左下驱动足和右下驱动足分别设于金属弹性体的下表面两端，右下驱动足和左下驱动足与下动子相接触。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，其特征在于：左端压电陶瓷、右端压电陶瓷上施加同相位、同频率、同幅值的电源。

说明书

基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波

电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机。

背景技术

[0002] 目前流行的直线型驻波超声波电机主要是基于压电陶瓷的横向振动模式和纵向振动模式来激励出定子的复合模态，压电陶瓷主要粘贴于金属弹性体的顶部、底部和正面用以同时激发出两种工作模态来复合而成一种定子的新型工作模态，形成椭圆运动，进而驱动动子直线运动。复合模态直线超声波电机定子结构必须同时考虑多个模态振型的激励，因此其定子设计过程相对复杂。

[0003] 现有的单模态直线型超声波电机只需考虑一种模态的激励，定子设计过程相对简单。对于目前出现的绝大多数单模态直线型超声波电机来说，压电陶瓷一般粘贴于弹性体上表面，通过陶瓷的横向振动模式激发出定子的金属弹性体的一阶弯振模态，使驱动足产生斜直线运动，推动动子前进。这种结构方式下，存在着不能实现在定子弹性体的上下两侧分别设置动子，更不能实现上下侧动子的异向同速直线运动的问题。

[0004] 上述问题是在单模态驻波型直线超声波电机的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，解决现有技术中存在的不能实现在定子弹性体的上下两侧分别设置动子，更不能实现上下侧动子的异向同速直线运动的问题。

[0006] 本发明的技术解决方案是：

[0007] 一种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，由定子和动子组成，动子包括上动子和下动子，定子设于上动子和下动子间，定子包括左端压电陶瓷、右端压电陶瓷、金属弹性体、上驱动足组和下驱动足组，左端压电陶瓷、右端压电陶瓷分别粘结在金属弹性体两端，上驱动足组设于金属弹性体的上表面，且上驱动足组设于金属弹性体与上动子间，下驱动足组设于金属弹性体的下表面，且下驱动足组设于金属弹性体与下动子间，上驱动足组包括左上驱动足和右上驱动足，左上驱动足偏离定子左侧驻波波节位置与右上驱动足偏离定子右侧驻波波节位置的偏离方向相同，且偏离距离均为八分之一基波波长；下驱动足组包括左下驱动足和右下驱动足，左下驱动足偏离定子左侧驻波波节位置与右下驱动足偏离定子右侧驻波波节位置的偏离方向相同，且偏离距离均为八分之一基波波长；左上驱动足偏离定子左侧驻波波节位置与左下驱动足偏离定子左侧驻波波节位置的偏离方向相反。

[0008] 进一步地，左上驱动足和右上驱动足分别设于金属弹性体的上表面两端，右上驱动足和左上驱动足与上动子相接触。

[0009] 进一步地，左下驱动足和右下驱动足分别设于金属弹性体的下表面两端，右下驱动足和左下驱动足与下动子相接触。

[0010] 进一步地，金属弹性体采用Z型金属弹性体，金属弹性体的两端分别设有边槽，左端压电陶瓷、右端压电陶瓷分别粘结在金属弹性体两端的边槽，金属弹性体包括弹性体中部和凸出部，弹性体中部的两端分别设有凸出部，弹性体中部和凸出部共同呈现Z型。

[0011] 进一步地，左端压电陶瓷极化方向为Z轴正方向，施加正方向为X轴正方向的交变电场；右端压电陶瓷极化方向为Z轴正方向，施加正方向为X轴负方向的交变电场；在电场作用下，由于逆压电效应，Z方向极化的左端压电陶瓷、右端压电陶瓷发生扭转振动，经由Z型金属弹性体的端部的凸出部激发出定子的一阶弯曲振动模态，推动上动子、下动子同速反向移动。

[0012] 进一步地，左端压电陶瓷、右端压电陶瓷上施加同相位、同频率、同幅值的电源。

[0013] 本发明的有益效果是：

[0014] 一、该种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，定子的金属弹性体为Z型，金属弹性体的端部凹陷部位粘结左端压电陶瓷、右端压电陶瓷，与目前流行的直线型超声波电机相比，该电机体积小、结构紧凑，定子的上下侧的上驱动足组、下驱动足组同速反向输出，适合小型精密装置的异向直线驱动。

[0015] 二、该种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，左端压电陶瓷、右端压电陶瓷位于定子的Z型金属弹性体端部，利用Z型金属弹性体端部凸出部，将左端压电陶瓷、右端压电陶瓷的扭振转化为定子的Z型金属弹性体的振动，电机结构紧凑。

[0016] 三、本发明的基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，上驱动足组与下驱动足组上下不对称放置于金属弹性体两端，可实现上动子、下动子异向同速直线运动。

附图说明

[0017] 图1是本发明实施例基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机的结构示意图。

[0018] 其中：1-金属弹性体中部，2-右端压电陶瓷，3-左端压电陶瓷，4-右上驱动足，5-左上驱动足，6-右下驱动足，7-左下驱动足，8-下动子，9-上动子，12-金属弹性体右凸出部，13-金属弹性体左凸出部。

[0019] 图2是实施例中左端压电陶瓷布置方案的说明示意图。

[0020] 其中：1L、2L、3L、4L、5L、6L-左端压电陶瓷六个自由度方向，XYZ-空间笛卡尔坐标系。

[0021] 图3是实施例中右端压电陶瓷布置方案的说明示意图。

[0022] 其中：1R、2R、3R、4R、5R、6R-右端压电陶瓷六个自由度方向，XYZ-空间笛卡尔坐标系。

[0023] 图4是实施例中电机上拱阶段振动波型产生机理图。

[0024] 其中：P-极化方向，E-电场方向，V-动子运动方向。

[0025] 图5是实施例中电机下凹阶段振动波型产生机理图。

[0026] 其中：P-极化方向，E-电场方向，V-动子运动方向。

[0027] 图6是实施例中右上驱动足、右下驱动足、左上驱动足和左下驱动足运动机理图。

[0028] 其中：1-金属弹性体中部，2-右端压电陶瓷，3-左端压电陶瓷，4-右上驱动足，5-左上驱动足，6-右下驱动足，7-左下驱动足，8-下动子，9-上动子，10-振幅最大时的定子中性线，11-振幅为零时的定子中性线，A-定子左侧驻波波节位置，B-定子右侧驻波波节位置，12-金属弹性体右凸出部，13-金属弹性体左凸出部。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。实施例

[0030] 一种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，如图1，由定子和动子组成，动子包括上动子9和下动子8，定子设于上动子9和下动子8间，定子包括左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2、金属弹性体、上驱动足组和下驱动足组，左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2分别粘结在金属弹性体两端，上驱动足组设于金属弹性体的上表面，且上驱动足组设于金属弹性体与上动子9间，下驱动足组设于金属弹性体的下表面，且下驱动足组设于金属弹性体与下动子8间，上驱动足组包括左上驱动足5和右上驱动足4，左上驱动足5偏离定子左侧驻波波节位置与右上驱动足4偏离定子右侧驻波波节位置的偏离方向相同，且偏离距离均为八分之一基波波长；下驱动足组包括左下驱动足7和右下驱动足6，左下驱动足7偏离定子左侧驻波波节位置与右下驱动足6偏离定子右侧驻波波节位置的偏离方向相同，且偏离距离均为八分之一基波波长；左上驱动足5偏离定子左侧驻波波节位置与左下驱动足7偏离定子左侧驻波波节位置的偏离方向相反。

[0031] 该种基于压电陶瓷扭转振动模式的异向双动子驻波型直线超声波电机，定子的金属弹性体为Z型，金属弹性体的端部凹陷部位粘结左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2，与目前流行的直线型超声波电机相比，该电机体积小、结构紧凑，定子的上下侧的上驱动足组、下驱动足组同速反向输出，适合小型精密装置的异向直线驱动。

[0032] 实施例中，上驱动足组包括左上驱动足5和右上驱动足4，左上驱动足5和右上驱动足4分别设于金属弹性体的上表面两端，右上驱动足4和左上驱动足5与上动子9相接触，下驱动足组包括左下驱动足7和右下驱动足6，左下驱动足7和右下驱动足6分别设于金属弹性体的下表面两端，右下驱动足6和左下驱动足7与下动子8相接触。上驱动足组与下驱动足组上下不对称放置于金属弹性体两端，可实现上动子9、下动子8异向同速直线运动。

[0033] 实施例中，金属弹性体采用Z型金属弹性体，金属弹性体的两端分别设有边槽，左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2分别粘结在金属弹性体两端的边槽，金属弹性体包括金属弹性体中部1、金属弹性体右凸出部12和金属弹性体左凸出部13，金属弹性体中部1的两端分别设有金属弹性体右凸出部12和金属弹性体左凸出部13，金属弹性体中部1、金属弹性体右凸出部12和金属弹性体左凸出部13共同呈现Z型。左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2位于定子的Z型金属弹性体的端部，金属弹性体右端凸出部12将右端压电陶瓷2的扭转振动转化为定子的振动，金属弹性体左凸出部13将左端压电陶瓷3的扭转振动转化为定子的振动，，电机结构紧凑。

[0034] 实施例中，左端压电陶瓷3极化方向为Z轴正方向，施加正方向为X轴正方向的交变电场；右端压电陶瓷2极化方向为Z轴正方向，施加正方向为X轴负方向的交变电场；工作时，对左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2上施加同相位、同频率、同幅值的交变电压，在电场作用下，由于逆压电效应，Z方向极化的左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2发生扭转振动，经由Z型定子的金属弹性体左凸出部13和金属弹性体右凸出部12激发出定子的一阶弯曲振动模态，继而驱使上驱动足组、下驱动足组进行斜直线运动，推动上动子9、下动子8同速反向移动。

[0035] 如图2，Z型金属弹性体的左端压电陶瓷3处于空间笛卡尔坐标系XYZ中，左端压电陶瓷3极化方向为3L自由度方向，施加方向为1L自由度方向的交变电场，在电场作用下，由于逆压电效应，Z型金属弹性体的左端压电陶瓷3发生扭转振动，产生5L自由度方向的形变，再经由定子的金属弹性体右凸出部12在定子中激发出一阶弯曲振动模态。

[0036] 如图3，Z型金属弹性体的右端压电陶瓷2处于空间笛卡尔坐标系XYZ中，右端压电陶瓷2极化方向为3R自由度方向，施加方向为1R自由度方向的交变电场，在电场作用下，由于逆压电效应，Z型金属弹性体的右端压电陶瓷2发生扭转振动，产生形变方向为5R的形变，再经由定子的金属弹性体右凸出部12在定子中激发出一阶弯曲振动模态。

[0037] 左端压电陶瓷3和右端压电陶瓷2两片陶瓷的扭转振动模式共同激励定子一阶弯曲振动，继而驱使上驱动足组和下驱动足组进行斜直线运动，推动上动子9、下动子8进行移动。

[0038] 如图4，电机上拱阶段振动波型产生机理，Z型金属弹性体的左端压电陶瓷3极化方向P为Z轴正方向，施加正方向为X轴正方向的交变电场E，即左端压电陶瓷3内部电场方向为1L自由度方向；Z型金属弹性体的右端压电陶瓷2极化方向P为Z轴正方向，施加正方向为X轴负方向的交变电场E，即右端压电陶瓷2内部电场方向为1R自由度方向的反方向。在电场作用下，由于逆压电效应，弹性体两端部Z方向极化的左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2发生扭转振动，再经由金属弹性体右凸出部12和金属弹性体左凸出部13激发出定子的一阶弯曲振动模态，左端压电陶瓷3和右端压电陶瓷2两片陶瓷的扭转振动模式共同激励定子上拱，下动子8向右，即V1方向移动，上动子9向左，即V2方向移动。

[0039] 如图5，电机下凹阶段振动波型产生机理，Z型金属弹性体的左端压电陶瓷3极化方向P为Z轴正方向，施加正方向为X轴负方向的交变电场E，即左端压电陶瓷3内部电场方向为1L自由度方向的反方向；Z型金属弹性体的右端压电陶瓷2极化方向P为Z轴正方向，施加正方向为X轴正方向的交变电场E，即右端压电陶瓷2内部电场方向为1R自由度方向。在电场作用下，由于逆压电效应，弹性体两端部Z方向极化的压电陶瓷发生扭转振动，再经由金属弹性体右凸出部12和金属弹性体左凸出部13激发出定子的一阶弯曲振动模态，左端压电陶瓷
3、右端压电陶瓷2两片陶瓷的扭转振动模式共同激励定子下凹，下动子8向右，即V1方向移动，上动子9向左，即V2方向移动。

[0040] 结合附图6电机驱动足运动机理如下：

[0041] A、B分别为定子振幅为零时的定子中性线11与定子振幅最大时的定子中性线10的左右交点，即定子驻波左侧波节位置与定子驻波右侧波节位置。

[0042] 左上驱动足5、左下驱动足7、右上驱动足4、右下驱动足6偏离定子左、右驻波波节位置A与B，偏离距离相同均为八分之一基波波长。左上驱动足5向右偏离定子左侧驻波波节位置A八分之一基波波长，左下驱动足7向左偏离定子左侧驻波波节位置A八分之一基波波长；右上驱动足4向右偏离定子右侧驻波波节位置B八分之一基波波长，右下驱动足6向左偏离定子右侧驻波波节位置B八分之一基波波长。上动子9放置于左上驱动足5以及右上驱动足4上方，下动子8放置于左下驱动足7以及右下驱动足6下方。

[0043] 对左端压电陶瓷3以及右端压电陶瓷2施加激励电压，假设Z型金属弹性体首先中间向上拱起，则左下驱动足7受到向右下方的推力，与下动子8接触，右下驱动足6受到向左上方的拉力，与下动子8逐渐脱离，左下驱动足7底部摩擦力大于右下驱动足6底部的摩擦，下动子8向右移动一步；左上驱动足5受到向左上方的推力，与上动子9接触，右上驱动足4受到向右下方的拉力，与上动子9逐渐脱离，且左上驱动足5顶部摩擦力大于右上驱动足4顶部摩擦力，上动子9向左移动一步。实现上动子9、下动子8异向同速直线运动。

[0044] 接下来Z型金属弹性体中间下凹两端上翘，右下驱动足6受到向右下方的推力，与下动子8接触，左下驱动足7受到向左上方的拉力，与下动子8逐渐脱离，右下驱动足6底部摩擦力大于左下驱动足7底部摩擦力，下动子8向右移动一步；右上驱动足4受到向左上方的推力，与上动子9接触，左上驱动足5受到向右下方的拉力，与上动子9逐渐脱离，右上驱动足4顶部摩擦力大于左上驱动足5顶部摩擦力，则上动子9向左移动一步。实现上动子9、下动子8异向同速直线运动。