基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态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多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机，包括定子与动子，定子包括上表面压电陶瓷、左端压电陶瓷、右端压电陶瓷、左驱动足、右驱动足和金属弹性体，金属弹性体采用Z型金属弹性体，金属弹性体包括弹性体中部和凸出部，弹性体中部和凸出部整体呈现为Z型结构，凸出部与弹性体中部的两端分别形成左边槽、右边槽，左端压电陶瓷粘结在左边槽内，右端压电陶瓷粘结在右边槽内；本发明在电机定子的金属弹性体端部以及上表面粘贴压电陶瓷，与传统的单独在弹性体上表面粘结压电陶瓷相比，可以增大定子的振动幅度，体积小、结构紧凑、电机输出更大。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机。

背景技术

目前流行的驻波型直线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。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。

目前对于绝大多数单模态驻波型直线超声波电机来说，压电陶瓷只粘贴弹性体上表面，利用压电陶瓷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，存在着输出较小的问题。

上述问题是在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

本发明的目的是提供一种基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机，定子所包含的三片压电陶瓷一片粘贴于弹性体上表面，其余两片与Z型弹性体两端部凸出处形成的凹陷部位紧密粘结，与目前流行的直线型超声波电机相比，该电机结构紧凑，输出更大，适合小型精密装置的驱动，解决现有技术中存在的输出较小，相对不理想的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机，包括定子与动子，定子包括上表面压电陶瓷、左端压电陶瓷、右端压电陶瓷、左驱动足、右驱动足和金属弹性体，金属弹性体采用Z型金属弹性体，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伸出的凸出部，其中一端的凸出部紧挨金属弹性体的上表面，另一端的凸出部紧挨金属弹性体的下表面，弹性体中部和凸出部整体呈现为Z型结构，上表面压电陶瓷设于弹性体中部的上表面，弹性体中部的下表面两端分别设有左驱动足、右驱动足，且左驱动足、右驱动足均设于弹性体中部与动子间，凸出部与弹性体中部的两端分别形成左边槽、右边槽，左端压电陶瓷粘结在左边槽内，右端压电陶瓷粘结在右边槽内。

进一步地，左驱动足偏离定子左侧驻波波节位置，右驱动足偏离定子右侧驻波波节位置，偏离方向和偏离距离都相同，偏离距离均为八分之一基波波长，动子放置于左驱动足、右驱动足两驱动足下方。

进一步地，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的极化方向均为Z轴正方向，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷两块压电陶瓷施加电场方向分别为X轴正方向和X轴负方向，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的工作模式均为扭转振动模式；上表面压电陶瓷的极化方向为Z轴正方向，施加电场方向为Z轴负方向，上表面压电陶瓷的工作模式为伸缩振动模式；左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的扭转振动模式以及上表面压电陶瓷的伸缩振动模式两种模式共同工作。

进一步地，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的扭转振动通过Z型金属弹性体的凸出部传递给整个定子的金属弹性体，使金属弹性体发生弯振。

进一步地，上表面压电陶瓷、左端压电陶瓷和右端压电陶瓷三块压电陶瓷施加相同时间相位的交流电压，各自在定子的金属弹性体中激振出的一阶弯振具有相同时间相位和空间相位，三者互相叠加。

本发明的有益效果是：该种基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机具有以下优点：

一、本发明在电机定子的金属弹性体端部以及上表面粘贴压电陶瓷，利用端部压电陶瓷的扭转振动模式以及上表面压电陶瓷的横向振动模式共同在定子的金属弹性体中激发一阶弯振模态，与传统的单独在弹性体上表面粘结压电陶瓷相比，可以增大定子的振动幅度，电机输出更大。

二、本发明体积小、结构紧凑，利用端部布置扭转振动的两片陶瓷，因此在增加电机输出的同时，不会破坏电机结构的紧凑性。

三、本发明的压电陶瓷容易安装，Z型结构定子的金属弹性体端部凸出部简单，且能有效地将端部压电陶瓷的扭振转换为定子的金属弹性体的一阶弯振。

附图说明

图1是本发明实施例基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机的结构示意图。

其中：1-弹性体中部，2-上表面压电陶瓷，3-右端压电陶瓷，4-左端压电陶瓷，5-右驱动足，6-左驱动足，7-动子，10-右凸出部，11-左凸出部。

图2是实施例中左端压电陶瓷布置方案的说明示意图。

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。

图3是实施例中右端压电陶瓷布置方案的说明示意图。

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。

图4是实施例中上表面压电陶瓷布置方案的说明示意图。

其中：1T、2T、3T、4T、5T、6T-上表面压电陶瓷六个自由度方向，XYZ-空间笛卡尔坐标系。

图5是实施例中电机上拱阶段振动波型产生机理图。

其中：P-极化方向，E-电场方向，V-动子运动方向。

图6是实施例中电机下凹阶段振动波型产生机理图。

其中：P-极化方向，E-电场方向，V-动子运动方向。

图7是实施例中左驱动足与右驱动足的运动机理图。

其中：1-弹性体中部，2-上表面压电陶瓷，3-右端压电陶瓷，4-左端压电陶瓷，5-右驱动足，6-左驱动足，7-动子，8-振幅为零时的定子中性线，9-振幅最大时的定子中性线，10-右凸出部，11 -左凸出部，A-定子左侧驻波波节位置，B-定子右侧驻波波节位置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

如图1，一种基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机，包括定子与动子7，定子包括上表面压电陶瓷2、左端压电陶瓷4、右端压电陶瓷3、左驱动足6、右驱动足5和金属弹性体，金属弹性体采用Z型金属弹性体，金属弹性体包括弹性体中部1、右凸出部10和左凸出部11，弹性体中部1的两端分别设有伸出的右凸出部10和左凸出部11，其中右凸出部10紧挨金属弹性体的上表面，左凸出部11紧挨金属弹性体的下表面，弹性体中部1、右凸出部10和左凸出部11整体呈现为Z型结构，上表面压电陶瓷2设于弹性体中部1的上表面，弹性体中部1的下表面两端分别设有左驱动足6、右驱动足5，且左驱动足6、右驱动足5均设于弹性体中部1与动子7间，右凸出部10与弹性体中部1的右端形成右边槽，左凸出部11与弹性体中部1的左端形成左边槽。左端压电陶瓷4粘结在左边槽内，右端压电陶瓷3粘结在右边槽内。

该种基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机，定子所包含的三片压电陶瓷一片粘贴于弹性体上表面，其余两片与Z型弹性体两端部凸出处形成的凹陷部位紧密粘结，与目前流行的直线型超声波电机相比，该电机结构紧凑，输出更大，适合小型精密装置的驱动。

实施例中，左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3的极化方向均为Z轴正方向，左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3两块压电陶瓷施加电场方向分别为X轴正方向和X轴负方向，左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3的工作模式均为扭转振动模式；上表面压电陶瓷2的极化方向为Z轴正方向，施加电场方向为Z轴负方向，上表面压电陶瓷2的工作模式为伸缩振动模式；左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3的扭转振动模式以及上表面压电陶瓷2的伸缩振动模式两种模式共同工作。

该种基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机中，左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3的扭转振动通过金属弹性体的右凸出部10和左凸出部11传递给整个定子的金属弹性体，使金属弹性体发生弯振。

工作时，对上表面压电陶瓷2、左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3三片压电陶瓷施加同时间相位、同频率的交变电压，在电场作用下，由于逆压电效应，金属弹性体上表面Z方向极化的上表面压电陶瓷2发生横向伸缩振动，在定子的金属弹性体中激发出一阶弯曲振动模态，金属弹性体的两端部Z方向极化的左端压电陶瓷4和右端压电陶瓷3发生扭转振动，再经由金属右凸出部10和左凸出部11同样激发出定子的一阶弯曲振动模态，三片陶瓷的两种振动模式共同激励定子形成一阶弯曲振动，具有相同时间相位和空间相位，三者互相叠加，继而驱使驱动足进行斜直线运动，推动动子7进行移动。

该种基于压电陶瓷多振动模式的Z型结构单模态驻波型直线超声波电机，在电机定子的金属弹性体端部以及上表面粘贴压电陶瓷，利用端部压电陶瓷的扭转振动模式以及上表面压电陶瓷2的横向振动模式共同在定子的金属弹性体中激发一阶弯振模态，与传统的单独在弹性体上表面粘结压电陶瓷相比，可以增大定子的振动幅度，电机输出更大。

如图2，Z型金属弹性体1的左端压电陶瓷4处于空间笛卡尔坐标系XYZ中，左端压电陶瓷4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，弹性体左端压电陶瓷4发生扭转振动，产生5L自由度方向的形变，再经由Z型定子左凸出部11在定子的金属弹性体中激发出一阶弯曲振动模态。

如图3，Z型金属弹性体1的右端压电陶瓷3处于空间笛卡尔坐标系XYZ中，右端压电陶瓷3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，弹性体右端压电陶瓷3发生扭转振动，产生形变方向为5R的形变，再经由Z型定子右凸出部10在定子的金属弹性体中激发出一阶弯曲振动模态。

如图4，Z型金属弹性体1的上表面压电陶瓷2处于空间笛卡尔坐标系XYZ中，上表面压电陶瓷2极化方向为3T自由度方向，施加与之平行的交变电场，在电场作用下，由于逆压电效应，弹性体上表面的压电陶瓷发生横向振动，产生形变方向为1T的形变，在定子的金属弹性体中激发出一阶弯曲振动模态。

三片陶瓷的两种振动模式共同激励定子一阶弯曲振动，继而驱使驱动足进行斜直线运动，推动动子7进行移动。

如图5，电机上拱阶段振动波型产生机理：（1）上表面压电陶瓷2施加Z轴负方向电场E，即上表面压电陶瓷2内部电场方向为3T自由度方向的反方向，上表面陶瓷在1T和2T方向伸张，上表面压电陶瓷2在1T方向的伸张带动与其粘结的定子的金属弹性体的上表面伸张，从而使定子的金属弹性体上拱；（2）左端压电陶瓷4施加X轴正方向电场E，即左端压电陶瓷4内部电场方向为1L自由度方向，左端压电陶瓷4在5L方向扭转，左端压电陶瓷4将Z型定子的金属左凸出部11的右部上拉、左部下压，从而使定子的金属弹性体上拱；（3）右端压电陶瓷3施加X轴反方向电场E，即右端压电陶瓷3内部电场方向为1L自由度方向的反方向，右端压电陶瓷3在5L反方向扭转，右端压电陶瓷3将Z型定子的金属右凸出部10的右部下拉、左部上压，从而使定子的金属弹性体上拱。三块压电陶瓷共同驱使定子的金属弹性体上拱。

如图6，电机下凹阶段振动波型产生机理：（1）上表面压电陶瓷2施加Z轴正方向电场E，即上表面压电陶瓷2内部电场方向为3T自由度方向，上表面压电陶瓷2在1T和2T方向收缩，上表面陶瓷2在1T方向的收缩带动与其粘结的定子的金属弹性体单元上表面收缩，从而使定子的金属弹性体下凹；（2）左端压电陶瓷4施加X轴反方向电场E，即左端压电陶瓷4内部电场方向为1L自由度方向的反方向，左端压电陶瓷4在5L反方向扭转，左端压电陶瓷4将Z型定子的金属左凸出部11的左部上拉、右部下压，从而使定子的金属弹性体下凹；（3）右端压电陶瓷3施加X轴正方向电场E，即右端压电陶瓷3内部电场方向为1L自由度方向，右端压电陶瓷3在5L方向扭转，右端压电陶瓷3将Z型定子的金属右凸出部10的左部下拉、右部上压，从而使定子的金属弹性体下凹。三块压电陶瓷共同驱使定子的金属弹性体下凹。

结合附图7电机驱动足运动机理如下：

A、B分别为定子振幅为零时的定子中性线8与定子振幅最大时的定子中性线9的左右交点，即定子左侧驻波波节位置与定子右侧驻波波节位置。

左驱动足6和右驱动足5偏离定子左侧驻波波节位置A与定子右侧驻波波节位置B，偏离方向相同，左驱动足6向左偏离定子左侧驻波波节节点位置A八分之一基波波长，右驱动足5向左偏离定子右侧驻波波节节点位置B八分之一基波波长，动子7放置于左驱动足6以及右驱动足5下方。

对左端压电陶瓷4、右端压电陶瓷3以及上表面压电陶瓷2施加激励电压，假设金属弹性体中部1首先中间向上拱起，则左驱动足6受到向右下方的推力，与动子7接触，右驱动足5受到向左上方的拉力，与动子7逐渐脱离，左驱动足6底部摩擦力大于右驱动足5底部的摩擦力，则动子7向右移动一步。

接下来金属弹性体中部1中间下凹两端上翘，左驱动足6受到向左上方的拉力，逐渐与动子7脱离，右驱动足5受到向右下方的推力，与动子7接触，动子7继续向右移动一步。