一种复合振动的贴片式超声电机振子、方法及超声电机

本发明涉及超声电机，特别是涉及一种复合振动的贴片式超声电机振子、方法及超声电机。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、超声电机是一种利用逆压电效应将电能转化为机械能的新型电机，具备结构简单、响应速度快，噪声低、定位精度高、断电自锁、不受电磁干扰等优点，可应用于精密仪器、航空航天、微定位平台、直线电机等诸多领域。直线超声电机是超声电机一种很重要的类型和分支，主要由振子和直线导轨(或滑块)组成，通过二者之间的摩擦耦合输出直线运动和推力。一般来说，单个振子的直线电机重量轻但机械输出低。以目前常见的正交弯曲型和弯曲/纵向复合型振动模式为例，该类型电机由振子的弯曲振动为其提供驱动力。然而，弯曲振动的机电耦合性能差，导致电机驱动力较小，严重阻碍了直线超声电机的实际应用。

3、研究发现，通过改变直线超声电机中振子的材料特性、振动模式和驱动结构等因素，可以减轻超声电机重量，提高电机功率密度，从而增加驱动力和机械输出。

4、中国专利文献cn102437782b提供一种《夹心式工字型四足直线超声电机振子》，该振子包括两个水平复合梁和一个竖直复合梁，两个水平复合梁和竖直复合梁呈工字形排布，其水平复合梁和竖直复合梁上的压电陶瓷片分别采用两相电压激励，利用压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个振动模态，两个振动模态叠加在四个驱动足上，即四个水平变幅杆的末端，驱动足表面质点产生椭圆运动轨迹，当四个驱动足和其两侧的动子在一定预压力下接触时，通过驱动足和动子之间的摩擦耦合即实现了动子的宏观运动输出。

5、中国专利文献cn101626203b提供一种《弯振模态梁式直线超声电机振子》，该电机由两个驱动足、两个端盖、两个绝缘套、两对极化方向为厚度方向的压电陶瓷片、法兰盘、两个薄壁梁和安装座组成，法兰盘的端面上沿其轴线各伸出一根螺柱，每个螺柱上套有一对压电陶瓷片，每个螺柱的悬伸端端部旋合有端盖，每个端盖的末端上都设置一个驱动足，所述每片压电陶瓷片由切分后组合的、对称的两个半片压电陶瓷片组成，两个半片压电陶瓷片之间极化方向相反，法兰两侧的两对压电陶瓷片的切分线相互垂直，每对压电陶瓷片中的压电陶瓷片的极化方向相反。

6、中国专利文献cn101630924b提供一种《t型直线超声电机振子》，该电机的t型前端盖由三个变幅杆小端面结合并按t型布置，驱动足连接变幅杆的连接位置，且三个变幅杆和驱动足为一体件；压电陶瓷片沿厚度方向极化，同一个变幅杆上每相邻两片的极化方向相反，在同一轴线上的两个变幅杆上的压电陶瓷片的极化方式相反，每个紧固螺钉都穿过后端盖、压电陶瓷片和法兰连在盲孔上，压电陶瓷片和法兰位于后端盖和变幅杆之间，且压电陶瓷片分别位于法兰的两侧；每对压电陶瓷片之间、变幅杆和压电陶瓷片之间，以及压电陶瓷片与法兰之间均有一片电极片；紧固螺钉外部固定有绝缘套。

7、直线超声电机现有技术的不足包括：

8、一方面，现有超声电机采用弯曲振动模态，机电耦合程度低，限制了超声电机体积的减小和功率密度的提高。

9、另一方面，现有超声电机多采用“单足”驱动方式，即定子驱动转子的时间为四分之一工作周期，导致定子产生驱动力不足及电机整体功率密度低的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种复合振动的贴片式超声电机振子、方法及超声电机，设计扭转/弯曲复合振型的四足振动体，设计“反向极化、同步激发”的扭转激振方式，提高了直线超声电机的机电耦合程度，解决传统振子振动模式产生的驱动力小，机械输出较低的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种复合振动的贴片式超声电机振子，包括：振动体和pzt板组；所述pzt板组包括扭转pzt板和弯曲pzt板；

4、所述振动体的顶部设有驱动脚；

5、在所述振动体的顶面和底面设扭转pzt板，扭转pzt板沿振动体的厚度方向极化，且相邻两个扭转pzt板间的极化方向相反；

6、在振动体两侧弯曲振动对应的节点处设弯曲pzt板，且弯曲pzt板间的极化方向相同。

7、作为可选择的实施方式，在振动体顶部的四角上设驱动脚。

8、作为可选择的实施方式，所述驱动脚为三角形。

9、作为可选择的实施方式，所述扭转pzt板共设八片，顶面和底面各设四片。

10、作为可选择的实施方式，所述弯曲pzt板共设四片，每侧各设两片。

11、作为可选择的实施方式，所述pzt板组粘贴在振动体上。

12、作为可选择的实施方式，在振动体的顶面设有圆孔，在振动体的底面通过圆孔插入圆柱杆。

13、作为可选择的实施方式，所述振动体的两侧设有凸出部分，凸出部分与振动体的宽度相同，长度和厚度不同。

14、第二方面，本发明提供一种贴片式超声电机振子的工作方法，采用第一方面所述的贴片式超声电机振子，包括：

15、在扭转模式和弯曲模式下时，弯曲pzt板和扭转pzt板采用幅值相等、频率为换能器自身谐振频率、相位差为+90°的交流电压信号激励；

16、通过扭转pzt板使相邻驱动脚以180°异相振荡，通过弯曲pzt板的纵向振动在振子中激励出正交的弯曲振动模态，弯曲振动模态叠加在驱动脚上产生椭圆运动轨迹，从而实现超声电机的宏观运动输出。

17、第三方面，本发明提供一种超声电机，包括第一方面所述的贴片式超声电机振子。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

19、针对传统振子振动模式产生的驱动力小，机械输出较低等问题，本发明提出一种扭转/弯曲复合振动的贴片式超声电机振子，设计了基于相邻压电陶瓷“反向极化、同步激发”的扭转激振方式，提高了直线超声电机的机电耦合程度，显著提升了电-机能量转换效率，为提高电机整体功率密度奠定硬件基础。

20、本发明设计了扭转/弯曲复合振型的四足振动体，实现了对角振动足的同步驱动，使定子驱动转子时间由整体驱动周期的四分之一提升至二分之一，达到了增加有效驱动时间、提高驱动力和输出功率的目的。

21、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种复合振动的贴片式超声电机振子，其特征在于，包括：振动体和pzt板组；所述pzt板组包括扭转pzt板和弯曲pzt板；

2.如权利要求1所述的一种复合振动的贴片式超声电机振子，其特征在于，在振动体顶部的四角上设驱动脚。

3.如权利要求1所述的一种复合振动的贴片式超声电机振子，其特征在于，所述驱动脚为三角形。

4.如权利要求1所述的一种复合振动的贴片式超声电机振子，其特征在于，所述扭转pzt板共设八片，顶面和底面各设四片。

5.如权利要求1所述的一种复合振动的贴片式超声电机振子，其特征在于，所述弯曲pzt板共设四片，每侧各设两片。

6.如权利要求1所述的一种复合振动的贴片式超声电机振子，其特征在于，所述pzt板组粘贴在振动体上。

7.如权利要求1所述的一种复合振动的贴片式超声电机振子，其特征在于，在振动体的顶面设有圆孔，在振动体的底面通过圆孔插入圆柱杆。

8.如权利要求1所述的一种复合振动的贴片式超声电机振子，其特征在于，所述振动体的两侧设有凸出部分，凸出部分与振动体的宽度相同，长度和厚度不同。

9.一种贴片式超声电机振子的工作方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的贴片式超声电机振子，包括：

10.一种超声电机，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的贴片式超声电机振子。

技术总结
本发明公开一种复合振动的贴片式超声电机振子、方法及超声电机，包括：振动体和PZT板组；所述PZT板组包括扭转PZT板和弯曲PZT板；所述振动体的顶部设有驱动脚；在所述振动体的顶面和底面设扭转PZT板，扭转PZT板沿振动体的厚度方向极化，且相邻两个扭转PZT板间的极化方向相反；在振动体两侧弯曲振动对应的节点处设弯曲PZT板，且弯曲PZT板间的极化方向相同。设计扭转/弯曲复合振型的四足振动体，设计“反向极化、同步激发”的扭转激振方式，提高了直线超声电机的机电耦合程度，解决传统振子振动模式产生的驱动力小，机械输出较低的问题。

技术研发人员：吴疆,张燃煦,魏文韬,丁兆春,王立鹏,荣学文,宋锐,李贻斌
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12