一种微小型设备用超薄压电超声电机及其驱动方法

本发明涉及精密机械领域，特别设计一种微小型设备用超薄压电超声电机及其驱动方法。中空的弹性体以及从动件可以放置大尺寸的光学镜片，利于相机变焦。

背景技术：

压电超声电机由于其不受电磁干扰、响应快、精度高等特点在精密仪器和航空航天中发挥着巨大作用。然而，现有可实现压电超声电机中，要么是旋转型电机，要么电机体积较大，要么电机不是中空结构，不适用于微小型设备的精密运动，如手机相机镜头调焦。类似与申请号为cn202020498538.0的高转矩密度超声电机，为旋转型电机，在手机相机镜头调焦领域并不适用。类似于申请号cn201610009699.7的直线超声电机，体积较大，也不适用于手机等微小型设备相机镜头调焦领域。三英精控(天津)仪器设备有限公司申请的专利cn2017114767690，其结构不是中空的，无法将相机的光学镜片集成在超声电机中，同样不适用于手机等微小型设备相机镜头调焦。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种微小型设备用超薄压电超声电机及其驱动方法，解决现有技术存在的上述问题。通过中空的弹性体以及从动件放置的大尺寸的光学镜片，利于相机调焦。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种微小型设备用超薄压电超声电机，其特征在于：包括谐振子和从动件；所述的谐振子包括矩形中空弹性体、弯曲压电片组和夹紧压电片组；所述的从动件成环状，可内置相机光学镜片；所述的从动件以紧配合的方式内置于矩形中空弹性体中；所述的用于激发矩形中空弹性体驱动从动件直线运动的弯曲压电片组沿厚度方向(z向)对称粘贴于矩形中空弹性体两端；用于激发矩形中空弹性体夹紧从动件的夹紧压电片组沿宽度方向(y向)对称粘贴于矩形中空弹性体两端。

所述的矩形中空弹性体包括薄连接部分、厚连接部分和安装固定孔；所述的矩形中空弹性体的中空部分为椭圆形，椭圆长轴沿矩形中空弹性体的长度方向(x向)布置；所述的矩形中空弹性体中空部分椭圆短轴方向与薄连接部分相交，椭圆长轴方向与厚连接部分相交；所述的安装固定孔用于安装固定。

所述的弯曲压电片组由第一弯曲压电片组和第二弯曲压电片组组成；所述的第一夹紧压电片组由压电片ⅰ和压电片ⅱ组成，压电片ⅰ和压电片ⅱ通过机械串联的方式沿厚度方向粘贴于矩形中空弹性体椭圆长轴的-x向一侧；所述的第二夹紧压电片组由压电片ⅲ和压电片ⅳ组成，压电片ⅲ和压电片ⅳ通过机械串联的方式沿厚度方向粘贴于矩形中空弹性体椭圆长轴的x向一侧；所述的压电片ⅰ和压电片ⅱ，压电片ⅲ和压电片ⅳ均通过电学并联的方式布线；通过给弯曲压电片组施加正弦电信号可使矩形中空弹性体定向弯曲。

所述的夹紧压电片组由第一夹紧压电片和第二夹紧压电片组成；所述的第一夹紧压电片和第二夹紧压电片通过机械并联的方式沿宽度方向(y轴)粘贴于矩形中空弹性体两侧；所述的第一夹紧压电片和第二夹紧压电片通过电学串联的方式布线；通过给夹紧压电片组施加正弦电信号可使矩形中空弹性体夹紧从动件。

本发明的另一目的在于提供一种微小型设备用超薄压电超声电机驱动方法，包括以下步骤：

a)给夹紧压电片组施加u＝asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体的纵向模态，使矩形中空弹性体夹紧从动件；

b)给弯曲压电片组施加u＝asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体的弯曲模态，在弯曲压电片组和夹紧压电片组共同激励下，矩形中空弹性体将会带动从动件沿z向直线运动；

c)给夹紧压电片组施加u＝asin(2πft)的电信号的同时，给弯曲压电片组施加u＝acos(2πft)的电信号，可使矩形中空弹性体带动从动件沿-z向直线运动。

本发明的有益效果在于：结构简单紧凑，通过中空的弹性体以及从动件放置的大尺寸的光学镜片，利于相机变焦。该发明也扩展了压电超声电机的应用领域和适用场合。

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所示为本发明的超薄压电超声电机的结构示意图；

图2所示为本发明的矩形中空弹性体结构示意图；

图3所示为本发明的压电片极化方向和粘贴位置示意图；

图4所示为本发明的xoy面接线示意图；

图5所示为本发明的xoz面接线示意图；

图6所示为本发明的纵向模态振型仿真示意图；

图7所示为本发明的弯曲模态振型仿真示意图；

其中：1、谐振子；1-1、矩形中空弹性体；1-1-1、薄连接部分；1-1-2、厚连接部分；1-1-3、安装固定孔；1-2、弯曲压电片组；1-2-1、第一弯曲压电片组；1-2-1-1、压电片ⅰ；1-2-1-2、压电片ⅱ；1-2-2、第二弯曲压电片组；1-2-2-1、压电片ⅲ；1-2-2-2、压电片ⅳ；1-3、夹紧压电片组；1-3-1、第一夹紧压电片；1-3-2、第二夹紧压电片；2、从动件。

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7，本发明涉及一种微小型设备用超薄压电超声电机，通过激发谐振子的纵向模态夹紧和弯曲模态的，实现从动件的线性运动。结构简单紧凑，通过中空的弹性体以及从动件放置的大尺寸的光学镜片，利于相机变焦。该发明也扩展了压电超声电机的应用领域和适用场合。

所述的一种微小型设备用超薄压电超声电机，其特征在于：包括谐振子(1)和从动件(2)；所述的谐振子(1)包括矩形中空弹性体(1-1)、弯曲压电片组(1-2)和夹紧压电片组(1-3)；所述的从动件(2)成环状，可内置相机光学镜片；所述的从动件(2)以紧配合的方式内置于矩形中空弹性体(1-1)中；所述的用于激发矩形中空弹性体(1-1)驱动从动件(2)直线运动的弯曲压电片组(1-2)沿厚度方向(z向)对称粘贴于矩形中空弹性体(1-1)两端；用于激发矩形中空弹性体(1-1)夹紧从动件(2)的夹紧压电片组(1-3)沿宽度方向(y向)对称粘贴于矩形中空弹性体(1-1)两端。

所述的矩形中空弹性体(1-1)包括薄连接部分(1-1-1)、厚连接部分(1-1-2)和安装固定孔(1-1-3)；所述的矩形中空弹性体(1-1)的中空部分为椭圆形，椭圆长轴沿矩形中空弹性体(1-1)的长度方向(x向)布置；所述的矩形中空弹性体(1-1)中空部分椭圆短轴方向与薄连接部分(1-1-1)相交，椭圆长轴方向与厚连接部分相交；所述的安装固定孔(1-1-3)用于安装固定。

所述的弯曲压电片组(1-2)由第一弯曲压电片组(1-2-1)和第二弯曲压电片组(1-2-2)组成；所述的第一夹紧压电片组(1-2-1)由压电片ⅰ(1-2-1-1)和压电片ⅱ(1-2-1-2)组成，压电片ⅰ(1-2-1-1)和压电片ⅱ(1-2-1-2)通过机械串联的方式沿厚度方向粘贴于矩形中空弹性体(2)椭圆长轴的-x向一侧；所述的第二夹紧压电片组(1-2-2)由压电片ⅲ(1-2-2-1)和压电片ⅳ(1-2-2-2)组成，压电片ⅲ(1-2-2-1)和压电片ⅳ(1-2-2-2)通过机械串联的方式沿厚度方向粘贴于矩形中空弹性体(2)椭圆长轴的x向一侧；所述的压电片ⅰ(1-2-1-1)和压电片ⅱ(1-2-1-2)，压电片ⅲ(1-2-2-1)和压电片ⅳ(1-2-2-2)均通过电学并联的方式布线；通过给弯曲压电片组(1-2)施加正弦电信号可使矩形中空弹性体(1-1)定向弯曲。

所述的夹紧压电片组(1-3)由第一夹紧压电片(1-3-1)和第二夹紧压电片(1-3-2)组成；所述的第一夹紧压电片(1-3-1)和第二夹紧压电片(1-3-2)通过机械并联的方式沿宽度方向(y轴)粘贴于矩形中空弹性体(2)两侧；所述的第一夹紧压电片(1-3-1)和第二夹紧压电片(1-3-2)通过电学串联的方式布线；通过给夹紧压电片组(1-3)施加正弦电信号可使矩形中空弹性体(1-1)夹紧从动件(2)。

本发明的另一目的在于提供一种微小型设备用超薄压电超声电机驱动方法包括以下步骤：

a)给夹紧压电片组(1-3)施加u＝asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(2)的纵向模态，使矩形中空弹性体(2)夹紧从动件(2)；

b)给弯曲压电片组(1-2)施加u＝asin(2πft)的电信号激发矩形中空弹性体(2)的弯曲模态，在弯曲压电片组(1-2)和夹紧压电片组(1-3)共同激励下，矩形中空弹性体(2)将会带动从动件(2)沿z向直线运动；

c)给夹紧压电片组(1-3)施加u＝asin(2πft)的电信号的同时，给弯曲压电片组(1-2)施加u＝acos(2πft)的电信号，可使矩形中空弹性体(2)带动从动件(2)沿-z向直线运动。