一种带尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子及其激励方法

技术领域

本发明涉及一种超声电机定子，具体涉及一种带尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子及其激励方法。

背景技术

超声电机是利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为定子的机械能，在定子的驱动足端点激励出椭圆形运动，再通过接触摩擦转化为运动部件的旋转或者直线运动的电机。与传统电磁电机相比，超声电机具有低速大力量输出，无噪声，结构灵活多样紧凑，能量密度大，易于微型化等许多独特的优点。

定子是超声电机的核心部件，对于直线型超声电机，其定子结构主要以平板形居多，也有少数细长圆柱形结构。定子之所以能够驱动动子移动，是因为在它的驱动足端激励出椭圆形振动，或者斜弧线振动。目前有各种激励振动和驱动的方法，可以分为两路振动同频率驱动和两路振动异频率驱动，其振动组合可分为纵纵振动组合，纵弯振动组合和弯弯振动组合等几种。其中椭圆形振动通常是由两路同频率振动合成，而异频率双向振动通常由两路异频率振动产生。公开号CN1359188A提出了一种弯纵组合直线超声马达振子，它是一种圆柱结构，借助于压电陶瓷的d33模式，利用了圆柱振子整体1阶纵振和2阶弯振组合使振子端部的凸齿产生椭圆振动，其圆柱结构限制了其尺寸进一步减小；公开号CN1327301A提出了一种纵弯组合直线超声电机振子，它是一种方板结构，借助于压电陶瓷的d31模式，利用了方板振子整体1阶纵振和2阶弯振组合使振子端部突起物做椭圆振动，其方板结构决定了振子不宜固定，需要特殊的预紧机构；CN1235404A公开了一种直线电机驱动振子，它是一种圆柱与方板组合结构，借助于压电陶瓷的d33模式激发出圆柱和方板组合结构的整体纵振，借助于压电陶瓷的d31模式激发出方板和圆柱组合结构的整体弯振，使得振子端部齿产生椭圆振动，这种振子为了使整体结构2阶弯振与1阶纵振简并，必须做的较长，很难微型化；CN205453548U公开了一种纵-纵组合直线超声电机的振子，它由两个兰杰文振子正交组合为一个定子，利用两路纵振动在定子驱动头合成椭圆振动，这种振子预紧和固定复杂，较难微型化；CN103401470A公开了利用两个独立纵振动振子组成V形结构、实现直线运动的定子，也存在预紧和固定问题，较难微型化；CN1652447A公开了一种薄板形的纵弯组合振子，利用振子整体的弯振和纵振组合使振子侧向的驱动足形成椭圆振动，这种结构的振子为了使2阶弯振与1阶纵振简并，不能做的很短。

此外，CN104467524A公开了一种面内弯纵组合结构振子，该振子为板型结构，为了使整体面内弯曲振型与整体纵振动简并，要求振子有一定的宽度，这种振子只能把驱动头设置在弯振节点，振动幅度有限，效果不理想。

除此外，CN102118118A公开了一种弯-弯振动组合振子，分别利用两个不同阶数弯曲模态使定子齿端形成斜弧线运动，实现往复驱动，需要提供不同频率的电源信号。

超声电机适合微型化，综上，上述直线超声电机的定子(振子)在微型化时都有一些困难，主要表现为：一是振子结构不易实现微型化，当采用整体弯振和纵振组合时，在长度或者宽度方向都受到限制；二是振子固定有一定的困难，一般固定位置选择在一阶纵振和二阶弯振的节点，但是，弯振节点存在弯曲变形，使得弯振被削弱。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种带尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子及其激励方法。该定子振动效果可靠，结构紧凑，固定简便。

本发明的技术方案是：

一种带尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子，该定子的主体为V形，所述主体为薄板构成的框架，V形框架的顶点为驱动点，V形框架的两边尾部均设有薄板尾翼，V形框架与薄板尾翼连接处开有安装孔，压电陶瓷片安装在V形框架的厚侧面或薄板尾翼的厚侧面上，压电陶瓷片在薄板尾翼或V形框架的两边的厚度方向极化，沿垂直该厚度方向变形，其中V形框架每条边对应的薄板尾翼的数量为N，N≥2的整数。

一种带尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子的激励方法，所述激励方法为：在V形框架的两边厚侧面上安装压电陶瓷片，或者在薄板尾翼的厚侧面上安装压电陶瓷片，压电陶瓷片在厚度方向极化，并在表面涂电极层，同时在电极层外表面施加交流电产生垂直厚度方向的变形，对V形框架或薄板尾翼上的压电陶瓷片上施加相位差90度的交流电信号，可在驱动点上激发出相位差90度的沿Y轴方向的振动和X轴方向的振动，从而在驱动点合成出椭圆运动，如果改变相应的两个压电陶瓷片的激励信号相位差，可以使驱动点的椭圆运动转向相反，使定子能双向驱动。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、本发明在主体框架上附加尾翼，通过调节尾翼的结构和尺寸，可以方便地调节定子的对称和反对称模态的频率数值，在定子整体尺寸改变不大的情况下实现频率简并，振型的固定节点重合，使得定子的两个安装孔位置恰好处于对称和反对称模态的公共节点位置(没有尾翼的主体框架，其对称模态和反对称模态的节点一般不重合)，既不影响振动效果，还可实现可靠固定。同时也可以将压电陶瓷片安装在尾翼上，安装方便，激励方式简单。

2、本发明将压电陶瓷片安装在V形框架的厚侧面或尾翼的厚侧面上，实现使用面内模态。

3、本发明的定子为薄板构成的框架结构，可通过多个框架结构串联或者并联组合为不同的组合体定子，从而满足不同使用条件下的需求，与单一框架相比，多个框架组合方案可以使定子具有更大的驱动力和驱动速度。

4、本发明提出的定子厚度很薄，长度和宽度尺寸可以很小，易于紧凑化设计，本发明具有体积小、重量轻、可以微型化的特点。

5、本发明使用时，在节点位置加工出安装孔，采用销固定，固定方式简便，无需专门的固定结构。

6、本发明的定子的激励方法采用复合模态驱动方式，即同时激发对称模态和反对称模态，双向运动是通过电源换相的方式来实现的。本发明的超声电机只在共振状态下工作，不涉及非共振状态。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为一个实施方式的带两个薄板尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子的结构示意图；

图2为图1的尺寸参数示意图；

图3为带有两个薄板尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子的结构及尺寸参数示意图；

图4为带两个薄板尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子的对称模态示意图；

图5为带两个薄板尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子的反对称模态示意图；

图6为实施例1的结构尺寸图；

图7为实施例1的对称模态图；

图8为实施例1的反对称模态图；

图9为实施例2的结构示意图；

图10为实施例2的对称模态图；

图11为实施例2的反对称模态图；

图12为实施例3的结构示意图；

图13为实施例3的对称模态图；

图14为实施例3的反对称模态图；

图15为实施例4的结构示意图；

图16为实施例4的对称模态图；

图17为实施例4的反对称模态图；

图18为实施例5的结构示意图；

图19为实施例5的对称模态图；

图20为实施例5的反对称模态图；

图21为实施例6的结构示意图；

图22为实施例6的对称模态图；

图23为实施例6的反对称模态图；

图24为实施例7的结构示意图；

图25为实施例7的对称模态图；

图26为实施例7的反对称模态图；

图27为实施例8的结构尺寸图；

图28为实施例8的对称模态图；

图29为实施例8的反对称模态图；

图30为实施例9的结构尺寸图；

图31为实施例9的对称模态图；

图32为实施例9的反对称模态图；

图33为实施例10的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图9、图12、图18所示，本实施方式的一种带尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子，该定子的主体为V形，所述主体为薄板构成的框架，V形框架的顶点1-1为驱动点，V形框架的两边1-2尾部均设有薄板尾翼2，V形框架与薄板尾翼2连接处开有安装孔4，压电陶瓷片3安装在V形框架1的厚侧面或薄板尾翼2的厚侧面上，压电陶瓷片3在薄板尾翼2或V形框架的两边1-2的厚度方向极化，沿垂直该厚度方向变形，其中V形框架每条边1-2对应的薄板尾翼2的数量为N，N≥2的整数。

利用顶点1作为驱动点，V形框架1的尾部有薄板尾翼2。本发明使用两种纵弯耦合模态，即对称模态和反对称模态，叠加形成驱动点1作椭圆运动。以如图1所示的最基本的V形框架结构为例，其对称模态如图4所示，反对称模态如图5所示。在对称模态下驱动点做Y轴方向振动，在反对称模态下驱动点做X轴方向振动。对于没有尾翼的主体框架，其对称模态和反对称模态的节点一般不重合，这给定子的固定造成了困难。本实施方式通过在V形框架上附加薄板尾翼2，可以调节节点的位置使其重合，从而得到满足使用需求的振型。薄板尾翼2的尺寸与整体尺寸相比较小，可通过调节薄板尾翼2的尺寸在定子整体尺寸改变不大的情况下实现频率简并。

本实施方式可采用的激励方式分为直接激励和间接激励两种。直接激励方式将压电陶瓷片3安装在V形框架1的两边上，通过压电陶瓷片3的逆压电效应直接激发出框架的对称模态和反对称模态。以图1所示的基本V形框架结构为例，在V形框架的两个边1-2上分别安装压电陶瓷片3，压电陶瓷片3沿厚度方向极化，沿垂直厚度方向变形，分别在两侧压电陶瓷片3上施加相位差90度的交流电信号，可在驱动点上分别激发出相位差90度的沿Y轴方向的振动和X轴方向的振动，从而在驱动点合成出椭圆运动。间接激励方式将一组压电陶瓷分别安装在薄板尾翼2的内侧厚侧面上，同时将另一组压电陶瓷片3安装在另一个薄板尾翼2的内侧厚侧面上，先激发出薄板尾翼2的振动，然后由薄板尾翼2激发出V形框架1的对称模态和反对称模态。如果改变两个压电陶瓷片3的激励信号相位差，可以使驱动点的椭圆运动转向相反，实现双向椭圆振动。

在图1所示的基础上，调节薄板尾翼2的尺寸、数量和夹角，可以得到不同的结构以满足不同使用条件下的需求。V形框架1的两边1-2的长度L为1-100mm，夹角θ为0°-180°，两边1-2的宽度B为0.2-10mm，薄板尾翼2的长度H为0.5-100mm，薄板尾翼2的宽度b为0.2-10mm。可选地，V形框架1的两边1-2和薄板尾翼2的厚度均为0.5-2mm。

进一步地，如图1、图2、图3、图6、图9、图12和图15，V形框架1的每条边1-2对应布置两个薄板尾翼2时；其中，内侧的薄板尾翼2的厚侧面与V形框架1的内厚侧面的夹角α的取值为0°＜α≤180°，外侧的薄板尾翼2的厚侧面与V形框架1的外厚侧面的夹角β的取值为0°＜β≤180°，且α和β不能同时取180°。

V形框架1的每条边1-2对应布置三个薄板尾翼3时；其中，内侧的薄板尾翼2的厚侧面与V形框架1的内厚侧面的夹角α的取值为0°＜α≤180°，外侧的薄板尾翼2的厚侧面与V形框架1的外厚侧面的夹角β的取值为0°＜β≤180°，中间的薄板尾翼2的厚侧面与V形框架1的内厚侧面的夹角γ的取值为135°≤θ≤180°。

本发明可采用定子为由多个带有薄板尾翼2的V形框架1通过并联或串联得到的组合体，或者由多个所述组合体并联或串联后得到结合体。多个V形框架1串联的方式增加输出力和驱动速度。也可采用多个V形框架并联的方式增加输出。进一步可将多个并联得到组合体再串联或并联，从而得到更大的输出力和速度。

下面结合上述构思和附图以实施例进一步作详细说明：

实施例1、本实施例的薄板尾翼2的数量为4个，V形框架1的两边1-2分别布置2个薄板尾翼2，如图6所示，V形框架1的边长L＝11.5mm，宽度B＝2mm，夹角θ＝60°，所述安装孔4为圆形，位于V形边与尾翼的连接处，采用销固定。薄板尾翼2位于V形边的末尾，薄板尾翼结构尺寸完全对称，两个薄板尾翼2以安装孔的中心线对称布置。单个薄板尾翼2的长度H＝5.7mm，宽度b＝2mm，V形框架1的两边1-2和薄板尾翼2的厚度均为0.5-2mm，外侧的薄板尾翼2与V形框架边夹角150°，内侧尾翼与V形边夹角150°，2个压电陶瓷片3粘贴在V形框架1的两边外侧，在左侧的压电陶瓷片3上施加正弦交流电，在右侧的压电陶瓷片3上施加余弦交流电，激发出如图7所示的V形边对称模态和如图8所示的V形边反对称模态，V形边对称模态频率58151Hz，V形边反对称模态频率58186Hz，实现频率简并，两模态在驱动点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例2、本实施例在实施例1所述V形框架1的基础上，调节薄板尾翼2的布置位置及夹角，与实施例1不同的是令α＝180°，β＝90°，θ＝90°，得到如图9所示定子结构，在驱动点1-1处设计圆形驱动足以增大振幅，对称模态如图10所示，反对称模态如图11所示，两模态在驱动点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例3、在实施例1所述的V形框架基础上，调节薄板尾翼2的布置位置及夹角，与实施例1不同的是，令α＝90°，β＝180°，θ＝90°，得到如图12所示定子结构，在驱动点1-1处设计圆形驱动足以增大振幅，对称模态如图13所示，反对称模态如图14所示，两模态在驱动点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例4、在实施例1所述的V形框架基础上，调节薄板尾翼2的布置位置及夹角，与实施例1不同的是，令α＝90°，β＝90°，θ＝90°，得到如图15所示定子结构，在驱动点1-1处设计圆形驱动足以增大振幅，对称模态如图16所示，反对称模态如图17示，两模态在驱动点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例5、在实施例4的基础上，在内侧的薄板尾翼2与外侧的薄板尾翼2之间增加一中间的薄板尾翼2，使薄板尾翼2数目从2增加到3，得到如图18所示定子结构，内侧的薄板尾翼2与V形框架1的夹角为α＝90°，中间的薄板尾翼2与V形框架1的夹角γ为180°，外侧的薄板尾翼2与V形框架1的夹角β＝90°，对称模态如图19所示，反对称模态如图20所示，两模态在驱动点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例6、在实施例3的基础上将带有薄板尾翼2的V形框架1串联，得到如图21所示组合体定子结构，对称模态如图22所示，反对称模态如图23所示，两模态在驱动点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例7、在实施例5的基础上将带有薄板尾翼2的V形框架1串联，得到如图24示组合体定子结构，对称模态如图25所示，反对称模态如图26所示，两模态在驱动点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例8、在实施例2的基础上将带有薄板尾翼2的V形框架1并联，得到如图27所示组合体定子结构，定子主体框架演变为一种菱形框架结构，菱形主体框架边长为10mm，框架宽度为2.1mm，薄板尾翼长为3mm，宽度为2mm，4片压电陶瓷片3镶嵌在薄板尾翼2后侧面凹槽内，每片压电陶瓷片3的长度为2mm，厚度为0.5mm。在左侧的压电陶瓷片3上施加正弦交流电，在右侧的压电陶瓷片3上施加余弦交流电，激发出如图28所示菱形边对称模态和如图29所示菱形边反对称模态，菱形边对称模态频率113330Hz，菱形边反对称模态112930Hz，实现频率简并，两模态在驱动点1-1正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例9、在实施例8的基础上将两个菱形定子框架串联，得到如图30所示的结合体定子结构，该框架主体由两个菱形框架组成，左右有两组对称的薄板尾翼2，薄板尾翼2厚侧面上粘贴压电陶瓷片3，两个菱形框架连接处有两个安装孔4，也可以只用一个固定孔，对称模态如图31所示，反对称模态如图32所示，两模态在驱动点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

实施例10、在实施例8的基础上将并联得到的菱形定子框架组合体再并联，得到如图33所示结合体定子结构，两菱形定子框架之间用垫片分开，对称模态与反对称模态在驱动足端点正交叠加，形成椭圆运动，驱动导轨运动。

基于上述各种实施例，另一个实施方式还提供一种带尾翼的薄板框架结构直线超声电机定子的激励方法，所述激励方法步骤如下：在V形框架1的两边厚侧面上安装压电陶瓷片3，或者在薄板尾翼2的厚侧面上安装压电陶瓷片3，压电陶瓷片3在厚度方向极化，并在表面涂电极层，同时在电极层外表面施加交流电产生垂直厚度方向的变形，对V形框架1或薄板尾翼2上的压电陶瓷片3上施加相位差90度的交流电信号，可在驱动点1-1上激发出相位差90度的沿Y轴方向的振动和X轴方向的振动，从而在驱动点1-1合成出椭圆运动，如果改变相应的两个压电陶瓷片3的激励信号相位差，可以使驱动点1-1的椭圆运动转向相反，使定子能双向驱动，具备双向驱动的能力。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。