阅读说明：本技术 一种双模态复合型尺蠖超声波电机 (Bimodal compound inchworm ultrasonic motor ) 是由 张锦 刘佩珊 殷玉枫 吉正杰 冯毅杰 王向梅 刘燚 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种双模态复合型尺蠖超声波电机,属于压电驱动技术领域,本发明包括底座、轴承、纵板、固定板、模态转换器、压电陶瓷片、压电叠堆、转子、输出轴；所述模态转换器、压电陶瓷片、压电叠堆构成超声波电机的定子组件；所述压电陶瓷片的数量为两个,所述压电叠堆的数量为两个,所述输出轴为一个；所述转子与输出轴固定连接,输出轴穿过纵板上的通孔通过轴承与纵板连接；所述模态转换器上有两个椭圆固定器,同时有两个驱动足；所述驱动足与转子外弧面之间设有供驱动足振动的间隙。本发明将压电陶瓷片的纵向振动和压电叠堆的伸缩振动复合成驱动足对转子的微幅驱动,通过摩擦耦合在惯性作用下推动转子进行正向旋转运动或反向旋转运动,能效利用率高、使用灵活。(The invention relates to a bimodal composite inchworm ultrasonic motor, which belongs to the technical field of piezoelectric drive and comprises a base, a bearing, a longitudinal plate, a fixed plate, a modal converter, a piezoelectric ceramic piece, a piezoelectric stack, a rotor and an output shaft; the modal converter, the piezoelectric ceramic piece and the piezoelectric stack form a stator assembly of the ultrasonic motor; the number of the piezoelectric ceramic pieces is two, the number of the piezoelectric stacks is two, and the output shaft is one; the rotor is fixedly connected with the output shaft, and the output shaft penetrates through the through hole in the longitudinal plate and is connected with the longitudinal plate through the bearing; the modal converter is provided with two elliptical fixators and two driving feet; and a gap for the driving foot to vibrate is arranged between the driving foot and the outer cambered surface of the rotor. According to the invention, the longitudinal vibration of the piezoelectric ceramic piece and the telescopic vibration of the piezoelectric stack are compounded into the driving foot to drive the rotor in a micro-amplitude manner, the rotor is pushed to perform forward rotary motion or reverse rotary motion under the inertia effect through friction coupling, the energy efficiency utilization rate is high, and the use is flexible.)

一种双模态复合型尺蠖超声波电机

技术领域

本发明涉及压电驱动技术领域，特别涉及一种双模态复合型尺蠖超声波电机。

背景技术

随着科学研究和生产实践的不断发展，系统中必不可少的微电机伺服系统很大程度上决定了系统整体性能的优劣，为了适应现代电子技术体积小、响应快、精度高和无磁场干扰等要求，超声波电机（USM）应运而生，超声波电机利用压电材料的逆压电效应将振动（机械振动频率在20kHz以上）或准静态变形转化为机械能，打破了传统电机需由电磁效应获得转速和转矩的概念，自20世纪80年代以来就备受关注。超声波电机转矩密度大、可控性好、不受外界磁场干扰、噪声小、可以实现低速运转，在医疗设备、未来空天飞行器、机器人、微电机系统（MEMS）、超高精度测量、新型武器装备以及生命科学等领域有着十分广阔的应用前景。

在20世纪80年代末90年代初，超声波电机获得了我国科学工作者的关注，并在微型超声波电机的设计理论、控制技术、性能分析以及产业化关键技术等方面取得了一系列研究成果，已开发研制了多种结构完整能实际运行的超声波电机，有的已经在工程上得到了应用，超声波电机的产业化应用前景被国内大型企业和传统电机生产厂家看好。目前，国内外研究工作者主要的研究思路侧重于发明新型电机结构以及驱动控制技术，但是只有结合有效的控制方法和控制策略，才能发挥超声波电机的卓越性能。

随着新材料、新工艺和新结构的不断涌现，超声波电机的种类不断扩充，但能够真正实现商业化生产的超声波电机却少之又少，故需设计一种接近实际要求并有望逐步实现批量生产的超声波电机。

在公开号为CN109861582A，发明名称为《一种惯性旋转压电马达》的专利提出了一种在一对质量块的作用下在松开状态下连续旋转一个微小的角度以实现压电马达的单向旋转运动。这种压电马达工作时的摩擦损害小、运动效率提高5%-10%。但该发明存在效率较低，摩擦损耗较大等问题。

超声波电机具有良好的电气参数和机械参数，但是结构复杂、磨损消耗大、驱动效率较低阻碍了超声波电机进一步发展，本发明结构简单，利用压电双晶片与压电叠堆的复合作用产生驱动转子旋转的驱动力，并采用双足驱动的原理提高了超声波电机的驱动效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双模态复合型尺蠖超声波电机，从而解决现在技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种尺蠖型超声波电机，主要包括定子组件和转子，其特征在于：所述超声波电机包括底座1、轴承2、纵板3、固定板4、模态转换器5、压电陶瓷片6、压电叠堆7、椭圆固定器8、转子9、输出轴10；所述底座1与纵板3固连，所述模态转换器5是一体件，材料为弹性体，所述固定板4包含左右两个固定板，压紧固定模态转换器5；所述模态转换器5设置有固定压电叠堆的椭圆固定器8；所述模态转换器5上半部分弹性板的左右两侧各黏贴一片压电陶瓷片，下半部分利用椭圆固定器固定两个压电叠堆。

所述压电陶瓷片6包括左侧压电陶瓷片A1和右侧压电陶瓷片A2，左侧压电陶瓷片A1与右侧压电陶瓷片A2均沿厚度方向极化。

所述压电叠堆7包括左侧压电叠堆a1和右侧压电叠堆a2，压电叠堆a1和压电叠堆a2将多层沿厚度极化的压电陶瓷片胶接在一起，并在内部嵌入电极，输出的总变形量为各层压电陶瓷片的变形输出量之和。

所述压电陶瓷片A1和压电陶瓷片A2通过导电环氧树脂胶对称粘接于Y型弹性体的两侧，表面镀层金属为银，引线方式为锡焊。锡焊工艺的可靠性高于胶接工艺，可提高超声波电机的工作寿命和工作效率。

所述压电叠堆a1和压电叠堆a2利用导电环氧树脂胶粘接于椭圆固定装置的内侧表面。

所述两个椭圆固定装置之间的夹角大小为90度。

优选的，所述轴承采用滚珠轴承。

更进一步，所述两个驱动足与转子接触的表面粘接有A摩擦材料。

更进一步，所述转子的外弧面粘接有B摩擦材料。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出的超声波电机利用压电陶瓷片的纵向振动和压电叠堆的伸缩振动复合成驱动足对转子的微幅驱动，通过摩擦耦合在惯性作用下推动转子进行顺时针旋转运动或逆时针旋转运动，能效利用率高；超声波电机的结构具有对称性，使得超声波电机的阻抗特性也具有良好对称性。

附图说明

图1是双模态复合型尺蠖超声波电机的结构示意图。图中标号名称：1-底座；2-轴承；3-纵板；4-固定板；5-模态转换器；6-压电陶瓷片；7-压电叠堆；8-椭圆固定器；9-转子；10-输出轴。

图2是模态转换器示意图。图中标号名称：A1-左侧压电陶瓷片；A2-右侧压电陶瓷片；a1-左侧压电叠堆；a2-右侧压电叠堆。

图3是施加幅值为20V_p-p的交变电压时双模态复合型尺蠖超声波电机顺时针旋转的工作模态示意图。

图4是施加幅值为20V_p-p的交变电压时双模态复合型尺蠖超声波电机逆时针旋转的工作模态示意图。

图中，箭头代表压电叠堆的伸缩方向。虚线表示模态转换器的变形情况。

具体实施方式

为了更清楚地说明本方案的技术特点，下面结合附图对本发明进行详细阐述。

一种双模态复合型尺蠖超声波电机的结构如图1所示，包含1-底座；2-轴承；3-纵板；4-固定板；5-模态转换器；6-压电陶瓷片；7-压电叠堆；8-椭圆固定器；9-转子；10-输出轴。所述底座1与纵板3固连，所述模态转换器5是一体件，材料为弹性体。

对于经过极化处理的压电陶瓷片，压电应变常数矩阵d的分量分为3个非零分量d33，d31，d15。本文提出的超声波电机的压电陶瓷片工作在d31横向振动模态，压电叠堆工作在d33纵向工作模态。

如图2所示，所述定子组件包括Y型模态转换器5、左侧压电陶瓷片A1、右侧压电陶瓷片A2、左侧压电叠堆a1和右侧压电叠堆a2；模态转换器上设有两个椭圆固定器8，用来固定两个压电叠堆。所述模态转换器5为一体化结构，下端有两个驱动足；所述压电陶瓷片6和所述压电叠堆7用于接收外部激励信号，并转化为超声振动。

所述转子与输出轴固定连接，所述输出轴穿过纵板上的通孔，所述输出轴和所述通孔并通过轴承连接。

所述底板与纵板固连。

所述两片压电陶瓷片沿厚度方向极化，通过导电环氧树脂胶对称胶粘于模态转换器两侧，所述压电陶瓷片的表面镀层金属为银，并在压电陶瓷片与胶粘面相对的表面设置引线，引线方式为锡焊，通过引线向两片压电陶瓷片施加两相交流电信号。

所述压电叠堆将多层沿厚度极化的压电陶瓷片胶接在一起，并在内部嵌入电极，输出的总变形量为各层压电陶瓷片的变形输出量之和。所述压电叠堆利用导电环氧树脂胶粘接于椭圆固定装置的内侧表面，在胶粘的表面镀银并设置引线。

本发明还公开了一种该双模态复合型尺蠖超声波电机的工作方式：

向沿厚度极化的压电陶瓷片的上下表面施加交变电压时，压电陶瓷片会产生一阶纵向振动。如图3(1)所示，向左侧压电陶瓷片A1施加20V_p-p的正向电压，左侧压电陶瓷片伸长；向右侧压电陶瓷片A2施加20V_p-p的反向电压，右侧压电陶瓷片收缩，模态转换器的上半部分产生图中虚线所示的形变，使模态转换器的下半部分产生图中虚线所示的位移；左侧驱动足压紧转子，与转子外弧面形成一个摩擦耦合面；右侧驱动足离开转子外弧面一定距离，不与转子产生接触面。此时向左侧压电叠堆a1和右侧压电叠堆a2同时施加反向电压，左侧压电叠堆和右侧压电叠堆同时缩短，左侧驱动足通过与转子外弧面形成的摩擦耦合面利用摩擦力给转子一个驱动力，方向为右上，推动转子顺时针旋转。

如图3(2)所示，向左侧压电陶瓷片A1施加20V_p-p的反向电压，左侧压电陶瓷片收缩；向右侧压电陶瓷片A2施加20V_p-p的正向电压，右侧压电陶瓷片伸长，模态转换器的上半部分产生图中虚线所示的形变，使模态转换器的下半部分产生图中虚线所示的位移；左侧驱动足离开转子外弧面一定距离，不产生接触面；右侧驱动足压紧转子，与转子外弧面形成一个摩擦耦合面。此时向左侧压电叠堆a1和右侧压电叠堆a2同时施加正向电压，左侧压电叠堆和右侧压电叠堆同时伸长，右侧驱动足通过与转子外弧面形成的摩擦耦合面利用摩擦力给转子一个驱动力，方向为右下，推动转子顺时针旋转。

图3（3）和图3（4）是以上两个基本工作模态的重复过程，模态转换器按照图3（1）～图3（4）所示工作模态连续运动，使两个驱动足在两点分别驱动，转子可以实现连续顺时针旋转运动。

逆时针旋转运动的运动机理与顺时针旋转运动的运动机理一致，仅改变施加压电的正负，工作模态如图4所示，此处不再赘述。

本发明提出的超声波电机利用压电陶瓷片的纵向振动和压电叠堆的伸缩振动复合成驱动足对转子的微幅驱动，通过摩擦耦合在惯性作用下推动转子进行正向旋转运动或反向旋转运动，能效利用率高、使用灵活。定子组件采用了贴片式结构，易于加工，节约成本。

本发明通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式仅用于举例和说明，并非意在将本发明限制在所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均属于本发明的保护范围。