专利名称：具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机及其工作模态的制作方法
具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机及其工作模态技术领域-
本发明的具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机及其工作模态，属超声电机领域。
背景技术：
超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子宏观直线或旋转运动的新型电机。直线型超声电机体积小，结构简单，重量轻，运动精度高，直接输出直线运动的特点，使得直线型超声电机得到了很大的发展。利用面内模态设计的直线型超声电机更利于微型化，更能体现超声电机结构简单，经济实用的特性
发明内容
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本发明旨在研制一种结构简单、效率高、响应速度快、更适于微型化，应用范围更广的直线型超声电机。
本发明的具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机的作动单元为单振子结构，利用弹性体的弯曲振动模态和纵振模态的相互耦合作用来实现驱动足的椭圆运动，通过摩擦力的作用，把运动传递出去。本发明的具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机，包括振子组件、动子组件。振子组件由金属薄板和2块分别粘贴在该金属薄板底面的单向极化矩形压电陶瓷片组成；金属薄板为矩形结构叠加三角形结构的金属弹性体，其中以三角形结构部分作为驱动足。动子组件采用滑条，并在其上粘贴了摩擦条。通过弹簧元件提供振子和动子之间所需的预压力。
本发明的具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机利用逆压电
效应，当对2块压电陶瓷片施加相位差为180度的正弦电压信号时，2片压电陶瓷片作反相的面内伸縮振动，金属薄板的面内弯曲振动模态被有效激发。在弯曲振动模态下，金属薄板所具有的三角形结构部分，其与金属薄板矩形结构部分相连接的两个顶点一个上升， 一个下降，从而在电机振子驱动足上产生水平上的位移；当对2块压电陶瓷片施加相位差为0度的正弦电压信号时，2片压电陶瓷片作同相的面内伸縮振动，金属薄板的纵向振动模态被有效激发。在纵向振动模态下，金属薄板所具有的三角形结构部分把纵向振动位移转换成竖直方向位移并放大，从而使得电机振子驱动足上产生竖直方向上的位移。当对2块压电陶瓷片施加相位差为h/2的正弦电压信号时，金属薄板的面内二阶弯曲振动模态和一阶纵向振动模态被同时激发出来。此两个方向上的位移在空间上具有"/2的相位差，在时间上也具有"/2的相位差，从而在金属薄板的驱动足上形成一个面内椭圆运动轨迹。
该电机整体结构紧凑、易于小型化，使得电机具有更广阔的应用空间。
图1是具有三角型位移放大机构的面内模态直线型超声电机结构示意图。图2是电机振子工作模态图。
图3是激励电机振子产生所需振动的驱动信号施加方式示意图。
图4是电机振子在电压信号驱动下使得振子驱动足产生逆时针椭圆运动的
状态示意图。其中，1 IV为电机振子在一个周期过程中的4个状态示意图。
图l、图2中标号及符号名称1金属薄板，2压电陶瓷片，3滑条，4摩
擦片，5弹簧。
图3中标号名称p为压电陶瓷片极化方向；6、 7、 8为电机振子驱动信号输入端。
具体实施例方式
下面具体说明具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机工作原理及具体实施方式
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如图1所示，本发明的具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电
机，由振子组件、动子组件构成。所述振子组件由金属薄板1和2块分别粘贴在该金属薄板1底面的单向极化矩形压电陶瓷片2组成，金属薄板1为矩形结构叠加三角形结构的金属弹性体，其中以三角形结构部分作为驱动足；所述动子组件包括滑条3和摩擦片4;通过弹簧元件5提供金属薄板1和压电陶瓷片2所组成的振子组件和摩擦片5之间的预压力。分别对2块压电陶瓷片2施加的具有90度相位差的正弦电压信号进行驱动，可在金属薄板1的驱动足上产生椭圆运动，
4在一定预压力的作用下，金属薄板l的驱动足驱动滑条产生直线运动，通过切换驱动信号，可实现反方向的直线运动。
图2为电机振子工作模态图。图2(a)为电机振子二阶弯曲振动模态。在弯曲
振动模态下，金属薄板所具有的三角形结构部分，其与金属薄板矩形结构部分相连接的两个顶点一个上升， 一个下降，从而在电机振子驱动足上产生水平上的位
移；图2(b)为电机振子一阶纵向振动模态。在纵向振动模态下，金属薄板所具有的三角形结构部分把纵向振动位移转换成竖直方向位移并放大，从而使得电机振子驱动足上产生竖直方向上的位移。图中虚线部分为电机振子未发生变形前的形状。
如图3所示，压电陶瓷的极化方向为p方向。当电机振子驱动信号输入端6和7分别输入￡=-￥3^(0^^^=-￥003加驱动信号，8接地时，电机振子的驱动足会产生:coj;平面内的椭圆运动，在一定预压力的作用下，可推动滑条产生直线运动。
其中V为电压值；CO为拱形振子的工作模态频率；t为时间。
图4为按图3中电机振子驱动信号输入端6和7分别输入E- -Vsino)t和E=-Vcoswt驱动信号，8接地时，电机振子在一个周期内的4个状态。图4 (I)为某时刻状态，电机振子处于弯曲振动的最大位置状态，而处于纵向振动的平衡状态，从而使得电机振子驱动足处于右侧的最大偏转状态。随着时间的推进，驱动足的运动轨迹，经历图4 (11)、图4 (m)、图4 (IV)所示状态，完成一个周期。在这个过程中，电机振子驱动足上形成了逆时针方向的椭圆运动。
当按图3中电机振子驱动信号输入端6和7分别输入E= -Vcoscot和E=-Vsina)t驱动信号时，可在电机振子驱动足上形成顺时针方向的椭圆运动。其电机振子在一个周期内的4个状态与图4类似。
由此，当通过一定的预压力作用把电机振子的驱动足和滑条上的摩擦片表面接触后，在上述驱动信号的激励下，可使滑条产生直线运动。
权利要求
1、一种具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机，包括振子组件、动子组件；所述振子组件由金属薄板(1)和2块分别粘贴在该金属薄板(1)底面的单向极化矩形压电陶瓷片(2)组成；所述动子组件包括滑条(3)和摩擦片(4)；该超声电机还包括用于提供振子组件中的金属薄板(1)和动子组件中的摩擦片(4)之间预压力的弹簧元件(5)；其特征在于上述金属薄板(1)为矩形结构叠加三角形结构的金属弹性体，其中以三角形结构部分作为驱动足。
2、 根据权利要求1所述的具有三角形位移放大机构的面内模态直线型超声电机的工作模态，其特征在于-二阶弯曲振动模态利用逆压电效应，当对2块压电陶瓷片施加相位差为180度的正弦电压信号时，2片压电陶瓷片(2)作反相的面内伸縮振动，金属薄 板(1)的面内弯曲振动模态被有效激发，从而使得电机振子驱动足上产生水平 方向上的位移；一阶纵向振动模态当对2块压电陶瓷片施加相位差为0度的正弦电压信号时，2片压电陶瓷片(2)作同相的面内伸縮振动，金属薄板(1)的纵向振动模态被有效激发，利用金属薄板(1)所具有的三角形结构部分把纵向振动位移转 换成竖直方向位移并放大，从而使得电机振子驱动足上产生竖直方向上的位移。当对2块压电陶瓷片施加相位差为90度的正弦电压信号时，金属薄板(1) 的面内二阶弯曲振动模态和一阶纵向振动模态被同时激发出来，从而在金属薄板 (1)的驱动足上形成一个面内椭圆运动轨迹。
全文摘要
本发明的具有三角型位移放大机构的面内模态直线型超声电机及其工作模态，属超声电机领域。包括振子组件、动子组件；所述振子组件由金属薄板(1)和2块分别粘贴在该金属薄板(1)底面的单向极化矩形压电陶瓷片(2)组成；所述动子组件包括滑条(3)和摩擦片(4)；该超声电机还包括用于提供振子组件中的金属薄板(1)和动子组件中的摩擦片(4)之间预压力的弹簧元件(5)；其特征在于上述金属薄板(1)为矩形结构叠加三角形结构的金属弹性体，其中以三角形结构部分作为驱动足。分别对2块压电陶瓷片进行驱动，可使振子的驱动足上产生椭圆运动，在一定预压力的作用下，使得滑条产生直线运动。
文档编号H02N2/02GK101499739SQ20091002464
公开日2009年8月5日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者时运来, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学