[發(fā)明專利]一種基于縱振模態(tài)的微小型超聲電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)方法

在審

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• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN113517825A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃虎;李軒;徐智
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/02
• 分類號(hào): H02N2/02;H02N2/06
• 代理公司: 長春市恒譽(yù)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

本發(fā)明涉及一種基于縱振模態(tài)的微小型超聲電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)方法，該微小型超聲電機(jī)包括底座、定子和動(dòng)子；定子固定連接在底座上，動(dòng)子以自適應(yīng)預(yù)緊的方式夾持在定子中的彈性體上，彈性體上粘結(jié)有兩組壓電片；該微小型超聲電機(jī)利用這兩組壓電片作為驅(qū)動(dòng)源，分別用以激發(fā)彈性體中縱振部位a和縱振部位b的縱振，兩向縱振合成鋸齒波，以驅(qū)動(dòng)動(dòng)子直線運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)在于：該微小型超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸微小、成本低、加工方便、易于集成等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，在應(yīng)用空間受限的場合中的精密驅(qū)動(dòng)和定位方面有較高的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微特電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于縱振模態(tài)的微小型超聲電機(jī)，該超聲電機(jī)利用超聲激發(fā)彈性體共振合成鋸齒波的原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，速度快的特點(diǎn)，適用于微小空間內(nèi)物體的精密定位以及驅(qū)動(dòng)。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，諸如航空航天工程、生物醫(yī)學(xué)工程、超精密加工和微機(jī)電系統(tǒng)等高精尖技術(shù)領(lǐng)域?qū)︱?qū)動(dòng)裝置提出了高精度、小體積、大行程等的要求，而壓電驅(qū)動(dòng)器因具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。由于單一壓電元件輸出的位移行程非常有限,研究人員基于步進(jìn)累積的思想,提出了諸如超聲、粘滑、沖擊、尺蠖等不同的步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)原理,并研制了相應(yīng)的壓電驅(qū)動(dòng)器。在這其中,超聲電機(jī)具有噪聲小、響應(yīng)快、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用性。目前的直線超聲電機(jī)尺寸仍然存在尺寸不夠緊湊的問題，無法滿足在極小空間尺寸中的定位要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于縱振模態(tài)的微小型超聲電機(jī)，其利用壓電片作為動(dòng)力源，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，可以實(shí)現(xiàn)超小尺寸的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。采用超聲共振合成鋸齒波的方式驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、速度快、兼容性高的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在極小應(yīng)用空間內(nèi)對(duì)目標(biāo)物體的精密定位。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于縱振模態(tài)的微小型超聲電機(jī)，其特征在于：由底座1、定子2、動(dòng)子3組成；所述的定子2固定連接在底座1上，所述的動(dòng)子3以自適應(yīng)預(yù)緊的方式夾持在定子2中的彈性體2-3上。

所述的定子2由壓電片a2-1-1、壓電片b2-1-2、壓電片c2-2-1、壓電片d2-2-2組成；所述的壓電片a2-1-1和壓電片b2-1-2分別粘貼在彈性體2-3的縱振部位a2-3-2的上下表面；所述的壓電片c2-2-1和壓電片d2-2-2分別粘貼在彈性體2-3的縱振部位b2-3-3的上下表面；

所述的彈性體2-3由固定端2-3-1、縱振部位a2-3-2、縱振部位b2-3-3和傳動(dòng)桿2-3-4組成。

所述的動(dòng)子3由開口3-1、圓環(huán)臂3-2、直梁3-3和中空體3-4組成。其中開口3-1的作用是使得圓環(huán)臂3-2具有一定的彈性，可以以自適應(yīng)預(yù)緊的方式夾持在定子2中的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)2-3上，直梁3-3起到導(dǎo)向作用，并且在其上表面還可以放置其他被驅(qū)物體。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于縱振模態(tài)的微小型超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法，主要包括以下步驟：

a)給定子2的壓電片a2-1-1和壓電片b2-1-2施加U＝Asin(4πft+φ1)的正弦電信號(hào)，激發(fā)縱振部位a2-3-2的縱振模態(tài)，產(chǎn)生沿x向的正弦機(jī)械振動(dòng)；同時(shí)給壓電片c2-2-1和壓電片d2-2-2施加U＝Bsin(2πft+φ2)的正弦電信號(hào)，激發(fā)縱振部位b2-3-3的縱振模態(tài)，產(chǎn)生正弦機(jī)械振動(dòng)；縱振部位a2-3-2和縱振部位b2-3-3的機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行耦合，使得傳動(dòng)桿2-3-4上產(chǎn)生沿x向的類鋸齒波機(jī)械振動(dòng)，傳動(dòng)桿2-3-4將以粘滑驅(qū)動(dòng)原理驅(qū)動(dòng)動(dòng)子3產(chǎn)生沿x向的直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；

b)通過控制壓電片a2-1-1、壓電片b2-1-2和壓電片c2-2-1、壓電片d2-2-2的激勵(lì)信號(hào)的幅值A(chǔ)、B和相位φ1、φ2，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度以及運(yùn)動(dòng)正反向的調(diào)節(jié)。