[發明專利]基于不對稱振動模態的三棱柱形直線超聲電機

有效

• 申請號: 201310229534.7
• 申請日: 2013-06-09
• 公開（公告）號: CN103326615A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 張健滔;劉揚;劉剛長;李朝東
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術領域

本發明涉及一種直線超聲電機，特別涉及一種基于不對稱振動模態的三棱柱形直線超聲電機。

背景技術

直線超聲電機是一種利用壓電材料的逆壓電效應和彈性體的超聲振動工作的新型微電機，具有結構簡單、形式多樣化、體積小、質量輕、能直接輸出直線運動、位置與速度控制性好、定位精度高等優點，在光學儀器儀表、智能機器人、精密運動系統、航空航天、醫學儀器等領域有廣泛的應用前景。目前直線超聲電機包括利用單相電信號激勵一個振動模態，而且只利用這一個振動模態來工作的單相直線超聲電機，例如CN200580015994.3，CN201110180280.5；利用兩相電信號分別激勵兩個振動模態，并利用這兩個振動模態來工作的兩相直線超聲電機，例如CN200480032928.2，CN200720170508.1。目前單相直線超聲電機僅需單相超聲電機驅動器來驅動，但其體積往往較大；兩相直線超聲電機體積可以小型化，但其需要兩相驅動器來驅動，對驅動器的設計要求高，不利于在便攜式的電子設備上推廣應用。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種基于不對稱振動模態的三棱柱形直線超聲電機，其可利用一個電信號激勵出兩個振動工作模態，可利用單相電信號進行工作，也可利用兩相電信號進行工作。利用單相電信號來工作時，其僅需單相超聲電機驅動器驅動，降低了對驅動器的設計要求。同時該電機具有工作頻域寬、運行效率高、結構緊湊、直線定位精度高、易于小型化、低速直接驅動等特點。

本發明的構思是：

利用的工作振動模態為兩個一階彎振模態，這兩個彎振模態在空間上正交，但由于三棱柱振子的不對稱性，兩個彎振模態頻率不相等。不同于現有的利用兩個彎振模態工作的超聲電機，其結構往往是對稱的，模態頻率往往是相等的。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種基于不對稱振動模態的三棱柱形直線超聲電機，包括定子和圓柱體動子，所述定子為三棱柱結構的壓電振子，其中間圓孔加工有內螺紋，在所述定子二個側面粘貼有第一壓電陶瓷片和第二壓電陶瓷片，所述定子中間圓孔的內螺紋與圓柱體動子的外螺紋相配合；所述定子結構具有不對稱性，兩個空間正交的工作模態的頻率不相等；第一壓電陶瓷片和第二壓電陶瓷片所產生的激勵力方向都與兩個工作模態振動方向成夾角關系，每片壓電陶瓷片都能激勵出兩個工作模態振動，但兩個工作模態振動的響應存在相位差；單相電信號激勵其中一片壓電陶瓷片，驅動圓柱體動子沿著一個方向進行旋轉直線運動，單相電信號激勵另一片壓電陶瓷片，兩個工作振動模態的響應相位差改變，驅動圓柱體動子沿著相反方向進行旋轉直線運動；兩相相位差為λ的電信號同時分別激勵第一壓電陶瓷片和第二壓電陶瓷片，激勵出的兩個工作振動模態的響應相位差為ζ，此時，定子驅動圓柱體動子沿著一個方向進行旋轉直線運動，通過調節兩相電信號的相位差λ，進而改變兩個工作振動模態的響應相位差ζ，能控制圓柱體動子直線運動的方向。

與現有技術相比，本發明具有如下突出的實質性特點和顯著地優點：

本發明利用了電機定子結構的不對稱性以及激勵力與兩個振動模態的振動方向不一致性，即使只激勵單片壓電陶瓷工作，也能激發出兩個工作振動模態，而且兩者響應存在一個相位差。該電機可利用單相電信號工作，也可利用兩相電信號工作。利用單相電信號工作，可以降低超聲電機驅動器設計的復雜度，利于該直線超聲電機與便攜式移動電子設備集成應用的推廣。同時該電機具有工作頻域寬、運行效率高、零部件少、結構緊湊、易于小型化、能直接輸出低速直線驅動力等特點。

附圖說明

圖1是本發明基于不對稱振動模態的三棱柱形直線超聲電機結構示意圖。

圖2是本發明直線超聲電機定子第一個工作模態的振型圖。其中圖2（a）是第一個工作模態振型的主視圖，圖2（b）是第一個工作模態振型的俯視圖，圖2（b）中箭頭41是定子彈性體振動方向。

圖3是本發明直線超聲電機定子第二個工作模態的振型圖。其中圖3（a）是第二個工作模態振型的主視圖，圖3（b）是第二個工作模態振型的俯視圖，圖3（b）中箭頭42是定子彈性體振動方向。

圖4是本發明直線超聲電機單相/兩相激勵接線圖及壓電陶瓷片極化方向示意圖，圖中箭頭代表壓電陶瓷片的極化方向。

圖5是本發明直線超聲電機單相電信號激勵時壓電陶瓷片激勵力方向示意圖，圖中箭頭代表壓電陶瓷片激勵力的作用方向。

圖6是本發明直線超聲電機兩相電信號激勵時壓電陶瓷片激勵力方向示意圖，圖中箭頭代表壓電陶瓷片激勵力的作用方向。