一种双模式微小型直线超声电机及其驱动方法

摘要

本发明涉及一种双模式微小型直线超声电机及其驱动方法，双模式微小型直线超声电机包括定子、从动件和被驱元件，其中从动件以自适应预紧的方式安装在定子的圆形中空壁上，被驱元件固定连接在从动件的内壁。一种双模式微小型直线超声电机的驱动方法是：通过控制定子上的纵向夹紧压电片组和弯曲驱动压电片组的激励方式，实现该装置的超声非共振和超声共振两种工作模式。优点在于：本装置结构紧凑、运动精度高、成本低，可用于在有限应用空间的精密驱动；利用对应的驱动方法，提供了两种工作模式，可以更好地满足多工况的需求，在手机、微飞行器、微潜水器等微型设备内置摄像驱动方向有着广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及精密驱动技术领域，特别涉及一种双模式微小型直线超声电机及其驱动方法，其提供准静态和超声两种工作模式，可用于手机、微飞行器、微潜水器等微型设备内作为摄像驱动，来实现相机的大倍率变焦、快速自动对焦等功能。

背景技术

超声电机作为一种拥有精度高、体积小、响应快、不受电磁干扰、无噪声、输出速度快、输出推力/转矩大等特点的精密驱动装置，在光学与精密仪器、航空航天工程、生物细胞工程等领域起到了至关重要的作用。因为上述优点，其在微小型精密设备内置相机的光学变焦上具有广阔的应用前景，然而现有的超声电机不能有效地作为手机等微小型精密设备中作为摄像驱动，例如类似申请号为01127037.3的专利中提到的薄型行波超声电机，虽然结构简单、厚度薄等优点，然而旋转超声电机的输出为力矩，不适用一些需要直线定位或驱动的应用场合，无法实现相机的光学变焦。而类似于《IEEE Transactions on IndustrialElectronics》在2021年第68卷734页中(A Compact Cantilever-Type Ultrasonic MotorWith Nanometer Resolution Design and Performance Evaluation)提到的一种直线超声电机，虽然输出性能优异，但是尺寸问题限制了其在微小设备内的应用。另外，其他的微型直线超声电机，大都存在着从动件难以与例如摄像镜头等被驱元件有效连接在一起的问题，也使得直线超声电机难以集成到微型设备中。此外，现有的微型直线超声电机大多仅工作在共振工作模式之下，单工作模式也降低了其应用的适应性和灵活性。这些问题极大地限制了微型超声电机的实际应用拓展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双模式微小型直线超声电机及其驱动方法，解决了现有技术存在的上述问题，可以和微摄像镜头等小型被驱元件有效地集成在一起，并且利用其驱动方法，可以切换超声非共振和超声共振两种工作模式，在光学与精密仪器、微机器人、生物与细胞工程等领域具有潜在的应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种双模式微小型直线超声电机，由定子1、从动件2和被驱元件3组成；所述的从动件2成开口环状，具有一定的弹性，其外壁与定子1中的中空弹性体1-3接触，且以自适应预紧的方式内置于中空弹性体1-3中；被驱元件3与中空弹性体1-3的内壁固定连接在一起。

所述的定子包括纵向夹紧压电片组1-1、弯曲驱动压电片组1-2和中空弹性体1-3。

所述的中空弹性体1-3包括薄壁端a1-3-1-1、薄壁端b1-3-1-2、厚壁端a1-3-2-1、厚壁端b1-3-2-2、安装孔a1-3-3-1、安装孔b1-3-3-2、安装孔c1-3-3-3和安装孔d1-3-3-4；所述的中空弹性体1-3采用外部矩形、内部圆形中空状的布置。

所述的纵向夹紧压电片组1-1由夹紧压电片a1-1-1和夹紧压电片b1-1-2组成；所述的夹紧压电片a1-1-1和夹紧压电片b1-1-2沿宽度方向y向以对称分布的方式粘结于中空弹性体1-3的两端；所述的纵向夹紧压电片组1-1用于激励中空弹性体1-3的纵向运动以夹持从动件2。

所述的弯曲驱动压电片组1-2由弯曲压电片a1-2-1、弯曲压电片b1-2-2、弯曲压电片c1-2-3、弯曲压电片d1-2-4组成；所述的弯曲压电片a1-2-1和弯曲压电片b1-2-2沿厚度方向z向以对称分布的方式粘结于中空弹性体1-3中的厚壁端a1-3-2-1的上下两面；所述的弯曲压电片c1-2-3和弯曲压电片d1-2-4沿厚度方向z向以对称分布的方式粘结于中空弹性体1-3中的厚壁端b1-3-2-2的上下两面；所述的弯曲驱动压电片组1-2用于激励中空弹性体1-3的弯曲运动以驱动从动件2。

本发明的另一目的在于提供一种双模式微小型直线超声电机的驱动方法，包括以下步骤：

通过调控纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2的激励信号，可以令一种双模式微小型直线超声电机实现超声非共振以及超声共振两种工作模式；超声非共振工作模式的驱动方法包括以下步骤：

a)给纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2同时施加频率超过20KHz，但不在中空弹性体1-3固有频率上的正弦信号，其中纵向夹紧压电片组1-1比弯曲驱动压电片组1-2的信号相位超前π/2，使得夹紧压电片a1-1-1和夹紧压电片b1-1-2沿宽度方向y向上缩短，从而使中空弹性体1-3的厚壁端a1-3-2-1和厚壁端b1-3-2-2夹紧从动件2；在夹紧的同时，弯曲压电片a1-2-1和弯曲压电片c1-2-3沿宽度方向y向上伸长，弯曲压电片b1-2-2和弯曲压电片d1-2-4沿宽度方向y向上缩短，从而使中空弹性体1-3的厚壁端a1-3-2-1和厚壁端b1-3-2-2产生向z轴的弯曲，纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2配合，使中空弹性体1-3在与从动件2的接触面上产生顺时针的椭圆运动，在摩擦力的作用下，中空弹性体1-3带动从动件2沿z轴正向做直线运动；

b)给纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2同时施加频率超过20KHz，但不在中空弹性体1-3固有频率上的正弦信号，其中纵向夹紧压电片组1-1比弯曲驱动压电片组1-2的信号相位滞后π/2，使得夹紧压电片a1-1-1和夹紧压电片b1-1-2沿宽度方向y向上缩短，从而使中空弹性体1-3的厚壁端a1-3-2-1和厚壁端b1-3-2-2夹紧从动件2；在夹紧的同时，弯曲压电片a1-2-1和弯曲压电片c1-2-3沿宽度方向y向上伸长，弯曲压电片b1-2-2和弯曲压电片d1-2-4沿宽度方向y向上缩短，从而使中空弹性体1-3的厚壁端a1-3-2-1和厚壁端b1-3-2-2产生向z轴的弯曲，纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2配合，使中空弹性体1-3在与从动件2的接触面上产生逆时针的椭圆运动，在摩擦力的作用下，中空弹性体1-3带动从动件2沿z轴负向做直线运动；

超声共振工作模式包括以下步骤：

c)给纵向夹紧压电片组1-1施加频率超过20KHz，且为中空弹性体1-3的纵向共振频率的正弦信号，以激发中空弹性体1-3的纵向振动模态，使得中空弹性体1-3夹紧从动件2；同时给弯曲驱动压电片组1-2施加频率超过20KHz，且为中空弹性体1-3的弯曲共振频率的正弦信号，以激发中空弹性体1-3的弯曲振动模态；施加给弯曲驱动压电片组1-2的信号比给纵向夹紧压电片组1-1施加的信号的相位超前π/2，纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2配合，使中空弹性体1-3在与从动件2的接触面上产生顺时针的椭圆运动，在摩擦力的作用下，中空弹性体1-3带动从动件2沿z轴正向做直线运动；

d)给纵向夹紧压电片组1-1施加频率超过20KHz，且为中空弹性体1-3的纵向共振频率的正弦信号，以激发中空弹性体1-3的纵向振动模态，使得中空弹性体1-3夹紧从动件2；同时给弯曲驱动压电片组1-2施加频率超过20KHz，且为中空弹性体1-3的弯曲共振频率的正弦信号，以激发中空弹性体1-3的弯曲振动模态；施加给弯曲驱动压电片组1-2的信号比给纵向夹紧压电片组1-1施加的信号的相位滞后π/2，纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2配合，使中空弹性体1-3在与从动件2的接触面上产生逆时针的椭圆运动，在摩擦力的作用下，中空弹性体1-3带动从动件2沿z轴负向做直线运动。

本发明的有益效果在于：通过本发明提供的一种双模式微小型直线超声电机及其驱动方法，可以实现在应用空间有限的场合对微摄像镜头等被驱元件的精密驱动及定位，可以实现驱动装置与外部设备的有效集成，并且通过调控纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2的激励信号，可以令所述的一种双模式微小型直线超声电机实现超声非共振以及超声共振两种工作模式，在精密机械与微小设备等领域有着广阔的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的一种双模式微小型直线超声电机整体结构示意图；

图2为本发明的定子结构示意图；

图3为本发明的中空弹性体结构示意图；

图4为本发明的超声非共振状态的夹紧动作仿真示意图；

图5为本发明的超声非共振状态的弯曲动作仿真示意图；

图6为本发明的纵向模态振型仿真示意图；

图7为本发明的弯曲模态振型仿真示意图；

图中：1、定子；1-1、纵向夹紧压电片组；1-2、弯曲驱动压电片组；1-3、中空弹性体；1-1-1、夹紧压电片a；1-1-2、夹紧压电片b；1-2-1、弯曲压电片a；1-2-2、弯曲压电片b；1-2-3、弯曲压电片c；1-2-4、弯曲压电片d；1-3、中空弹性体；1-3-1-1、薄壁端a；1-3-1-2、薄壁端b；1-3-2-1、厚壁端a；1-3-2-2、厚壁端b；1-3-3-1、安装孔a；1-3-3-2、安装孔b；1-3-3-3、安装孔c；1-3-3-4、安装孔d；2、从动件；3、被驱元件。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本发明的一种双模式微小型直线超声电机，由定子1、从动件2和被驱元件3组成；所述的从动件2成开口环状，具有一定的弹性，其外壁与定子1中的中空弹性体1-3接触，且以自适应预紧的方式内置于中空弹性体1-3中；被驱元件3与中空弹性体1-3的内壁固定连接在一起。

所述的定子包括纵向夹紧压电片组1-1、弯曲驱动压电片组1-2和中空弹性体1-3。

所述的中空弹性体1-3包括薄壁端a1-3-1-1、薄壁端b1-3-1-2、厚壁端a1-3-2-1、厚壁端b1-3-2-2、安装孔a1-3-3-1、安装孔b1-3-3-2、安装孔c1-3-3-3和安装孔d1-3-3-4；所述的中空弹性体1-3采用外部矩形、内部圆形中空状的布置。

所述的纵向夹紧压电片组1-1由夹紧压电片a1-1-1和夹紧压电片b1-1-2组成；所述的夹紧压电片a1-1-1和夹紧压电片b1-1-2沿宽度方向y向以对称分布的方式粘结于中空弹性体1-3的两端；所述的纵向夹紧压电片组1-1用于激励中空弹性体1-3的纵向运动以夹持从动件2。

所述的弯曲驱动压电片组1-2由弯曲压电片a1-2-1、弯曲压电片b1-2-2、弯曲压电片c1-2-3、弯曲压电片d1-2-4组成；所述的弯曲压电片a1-2-1和弯曲压电片b1-2-2沿厚度方向z向以对称分布的方式粘结于中空弹性体1-3中的厚壁端a1-3-2-1的上下两面；所述的弯曲压电片c1-2-3和弯曲压电片d1-2-4沿厚度方向z向以对称分布的方式粘结于中空弹性体1-3中的厚壁端b1-3-2-2的上下两面；所述的弯曲驱动压电片组1-2用于激励中空弹性体1-3的弯曲运动以驱动从动件2。

参见图4及图5所示，图4与图5分别是本发明的一种双模式微小型直线超声电机的一项有效实例在超声非共振工作模式的夹紧和弯曲变形图，该项实例的结构参数为：l＝19mm，w＝18mm，t＝2mm；在超声非共振工作模式下，一种双模式微小型直线超声电机驱动方法，包括以下步骤：

a)给纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2同时施加频率超过20KHz，但不在中空弹性体1-3固有频率上的正弦信号，其中纵向夹紧压电片组1-1比弯曲驱动压电片组1-2的信号相位超前π/2，使得夹紧压电片a1-1-1和夹紧压电片b1-1-2沿宽度方向y向上缩短，从而使中空弹性体1-3的厚壁端a1-3-2-1和厚壁端b1-3-2-2夹紧从动件2；在夹紧的同时，弯曲压电片a1-2-1和弯曲压电片c1-2-3沿宽度方向y向上伸长，弯曲压电片b1-2-2和弯曲压电片d1-2-4沿宽度方向y向上缩短，从而使中空弹性体1-3的厚壁端a1-3-2-1和厚壁端b1-3-2-2产生向z轴的弯曲，纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2配合，使中空弹性体1-3在与从动件2的接触面上产生顺时针的椭圆运动，在摩擦力的作用下，中空弹性体1-3带动从动件2沿z轴正向做直线运动；

b)给纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2同时施加频率超过20KHz，但不在中空弹性体1-3固有频率上的正弦信号，其中纵向夹紧压电片组1-1比弯曲驱动压电片组1-2的信号相位滞后π/2，使得夹紧压电片a1-1-1和夹紧压电片b1-1-2沿宽度方向y向上缩短，从而使中空弹性体1-3的厚壁端a1-3-2-1和厚壁端b1-3-2-2夹紧从动件2；在夹紧的同时，弯曲压电片a1-2-1和弯曲压电片c1-2-3沿宽度方向y向上伸长，弯曲压电片b1-2-2和弯曲压电片d1-2-4沿宽度方向y向上缩短，从而使中空弹性体1-3的厚壁端a1-3-2-1和厚壁端b1-3-2-2产生向z轴的弯曲，纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2配合，使中空弹性体1-3在与从动件2的接触面上产生逆时针的椭圆运动，在摩擦力的作用下，中空弹性体1-3带动从动件2沿z轴负向做直线运动；

参见图6及图7所示，图6与图7分别是本发明的一种双模式微小型直线超声电机的一项有效实例在超声共振工作模式下的纵向和弯曲模态振型图，在超声共振工作模式下，一种双模式微小型直线超声电机驱动方法，包括以下步骤：

c)给纵向夹紧压电片组1-1施加频率超过20KHz，且为中空弹性体1-3的四阶纵向共振频率的正弦信号，以激发中空弹性体1-3的四阶纵向振动模态，使得中空弹性体1-3的薄壁端a1-3-1-1和薄壁端b1-3-1-2夹紧从动件2；同时给弯曲驱动压电片组1-2施加频率超过20KHz，且为中空弹性体1-3的五阶弯曲共振频率的正弦信号，以激发中空弹性体1-3的五阶弯曲振动模态；施加给弯曲驱动压电片组1-2的信号比给纵向夹紧压电片组1-1施加的信号的相位超前π/2，纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2配合，使中空弹性体1-3在与从动件2的接触面上产生顺时针的椭圆运动，在摩擦力的作用下，中空弹性体1-3带动从动件2沿z轴正向做直线运动；

d)给纵向夹紧压电片组1-1施加频率超过20KHz，且为中空弹性体1-3的四阶纵向共振频率的正弦信号，以激发中空弹性体1-3的四阶纵向振动模态，使得中空弹性体1-3的薄壁端a1-3-1-1、和薄壁端b1-3-1-2夹紧从动件2；同时给弯曲驱动压电片组1-2施加频率超过20KHz，且为中空弹性体1-3的五阶弯曲共振频率的正弦信号，以激发中空弹性体1-3的五阶弯曲振动模态；施加给弯曲驱动压电片组1-2的信号比给纵向夹紧压电片组1-1施加的信号的相位滞后π/2，纵向夹紧压电片组1-1和弯曲驱动压电片组1-2配合，使中空弹性体1-3在与从动件2的接触面上产生逆时针的椭圆运动，在摩擦力的作用下，中空弹性体1-3带动从动件2沿z轴负向做直线运动；

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。