模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式
阅读说明：本技术 模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式 (Modal decoupling three-partition piezoelectric ceramic single-foot or double-foot ultrasonic motor and excitation mode thereof ) 是由 陈乾伟 任小艳 孟靖智 孟妍妮 李鸿秋 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：一种模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式,属超声电机类。该电机由板形定子和一直线导轨组成,所述板形定子包括单或双驱动足(由耐磨材料制成)和振子主体(由压电陶瓷制成)两部分,所述导轨由预压力压在单或双驱动足上。振子主体有两小一大共三个极化分区：其中两小极化分区构成A相,用于单独激励定子的二阶弯振模态；一大极化分区构成B相,用于单独激励定子的一阶纵振模态。用两路相位差为π/2的正弦信号同时激励定子的二阶弯振和一阶纵振模态,使定子单或双驱动足端面上产生椭圆运动,经摩擦作用驱动导轨。该电机设计有三种类型：力与速度均衡型、力侧重型和速度侧重型。相对于现有超声电机,该电机有更广泛的应用范围。(A modal decoupling tri-partition piezoelectric ceramic single or double-foot ultrasonic motor and an excitation mode thereof belong to ultrasonic motors. The motor consists of a plate-shaped stator and a linear guide rail, wherein the plate-shaped stator comprises a single or double driving foot (made of wear-resistant materials) and a vibrator main body (made of piezoelectric ceramics), and the guide rail is pressed on the single or double driving foot by pre-pressure. The oscillator main body is provided with three polarization subareas which are two small parts and one large part: the two small polarization subareas form an A phase and are used for independently exciting a second-order bending vibration mode of the stator; a large polarization section constitutes the B phase for separately exciting the first-order longitudinal vibration mode of the stator. Two paths of sinusoidal signals with the phase difference of pi/2 are used for simultaneously exciting the second-order bending vibration mode and the first-order longitudinal vibration mode of the stator, so that elliptical motion is generated on the end face of the single or double driving feet of the stator, and the guide rail is driven through friction. The motor is designed with three types: force and speed balanced, force side heavy and speed side heavy. Compared with the existing ultrasonic motor, the motor has wider application range.)
技术领域
本发明属于超声电机领域，特别是涉及模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式。
背景技术
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应进行工作的新型动力输出装置。与传统电磁电机相比，超声电机具有低速大力矩，瞬态相应快，定位精度高，控制特性好，不产生磁场也不受磁场影响等优点，在精密驱动，芯片制造，医疗器械，汽车，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
经对现有振子主体为压电陶瓷材料的板形超声电机的文献检索发现，专利权人为Nanomotion Ltd且专利号为5453653的美国专利《Ceramic Motor》详细描述了一种单驱动足板形超声电机，这种单驱动足板形超声电机具有以下典型特征：电机的定子整体呈板形，包括振子主体和单驱动足两部分；其中振子主体为压电陶瓷材料构成的长方体，其上有四个均布的极化分区，四个均布的极化分区沿厚度方向极化且极化方向相同，对角线分布的两个极化分区电气连接构成振子主体的一相，从而构成振子主体A、B两相；单驱动足由耐磨材料构成，通过粘接与振子主体结合为一体并构成定子。当定子的A相单相输入正弦波激励信号，将同时激励出具有一定相位差的定子的两个正交工作模态(一阶纵振和二阶弯振模态)，即两个正交工作模态在控制上是耦合的，此时驱动足上与导轨接触界面的质点会产生倾斜的椭圆运动轨迹，导轨将产生定向运动；当定子的B相单相输入相同的正弦波激励信号，此时驱动足上与导轨接触界面的质点会产生反向倾斜和转向相反的椭圆运动轨迹，导轨将产生反向的定向运动。检索中又发现，科学出版社2007年9月出版的专著《超声电机技术与应用》(赵淳生著)一书中提到了上述专利权人为Nanomotion Ltd专利号为5453653的单驱动足板形超声电机，这种电机已经被成功地广泛应用在精密驱动等领域。
经上述分析可知：专利权人为Nanomotion Ltd且专利号为5453653的美国专利《Ceramic Motor》所描述的单驱动足板形超声电机具有单相双模态耦合驱动的特点，因此Nanomotion Ltd单驱动足板形超声电机只需要单相驱动电路，具有结构简单成本低廉的优点；但单相驱动也使此单驱动足板形超声电机在工作时只有一半的压电陶瓷处于工作状态，而另一半压电陶瓷处于闲置状态，这是一个明显的缺点。
经对现有振子主体为压电陶瓷材料的板形超声电机的文献检索又发现，华中科技大学史萌博在2014年硕士学位论文《基于纵弯模态的直线型超声马达的仿真设计》中提出了一种振子主体为压电陶瓷材料的板形超声电机：该超声电机的工作模态为两个正交工作模态(一阶纵振和二阶弯振模态)；在压电陶瓷片的正表面平均划分为四个矩形电极区，并且相邻电极区留有一定的空隙，激励电压信号则是在压电陶瓷片正面二、四象限的两个分区上施加正弦交流信号Esinωt(E为电压幅值，ω为激振频率)，在一、三象限的两个分区上施加余弦交流信号Ecosωt，压电陶瓷片的反面则为整面电极接地。
经分析可知，华中科技大学史萌博提出的振子主体为压电陶瓷材料的板形超声电机的工作模态和分区极化方式与专利权人为Nanomotion Ltd且专利号为5453653的美国专利《Ceramic Motor》所描述的单驱动足板形超声电机完全一致，因此华中科技大学史萌博在《基于纵弯模态的直线型超声马达的仿真设计》正文第22页提出的振子主体为压电陶瓷材料的板形超声电机的电气连线激励方式(A、B两相同时激励)也同样适用于专利权人为Nanomotion Ltd的单驱动足板形超声电机，即Nanomotion Ltd单驱动足板形压电电机的A相输入正弦波激励信号Esinωt(E为电压幅值，ω为激振频率)，同时其B相输入余弦波激励信号Ecosωt，此时导轨将产生定向运动；当Nanomotion Ltd单驱动足板形压电电机的B相输入正弦波激励信号Esinωt(E为电压幅值，ω为激振频率)，同时其A相输入余弦波激励信号Ecosωt，此时导轨将产生反向的定向运动。这种接线方式表面上可以解决NanomotionLtd的单驱动足板形超声电机存在的一半压电陶瓷始终处于闲置状态的缺点，但是由于Nanomotion Ltd的单驱动足板形超声电机的四个均布极化分区所带来的定子两个正交工作模态(一阶纵振和二阶弯振模态)控制耦合现象的存在，使得当Nanomotion Ltd单驱动足板形超声电机的A相输入正弦波激励信号Esinωt时，将导致驱动足上与导轨接触界面的质点产生倾斜椭圆运动轨迹分量；当Nanomotion Ltd单驱动足板形压电电机的B相同时输入余弦波激励信号Ecosωt，此时驱动足上与导轨接触界面的质点会产生反向倾斜和转向相反的椭圆运动轨迹分量，而A相与B相所产生的倾斜椭圆运动轨迹分量非正交，这将导致最终在驱动足上与导轨接触界面的质点上合成的椭圆运动轨迹是非规则且时变的，不利于稳定驱动。同样地，由于华中科技大学史萌博提出的板形超声电机同样存在四个均布极化分区所带来的定子两个正交工作模态(一阶纵振和二阶弯振模态)控制耦合现象，因此上述对Nanomotion Ltd单驱动足板形压电电机在A、B两相同时激励情况的分析也同样适用于华中科技大学史萌博提出的板形超声电机。
综上所述，专利权人为Nanomotion Ltd且专利号为5453653的美国专利《CeramicMotor》所描述的单驱动足板形超声电机以及华中科技大学史萌博提出的振子主体为压电陶瓷材料的板形超声电机的不足之处在于：由于Nanomotion Ltd的单驱动足板形超声电机和华中科技大学史萌博提出的板形超声电机都存在四个均布极化分区所带来的定子两个正交工作模态(一阶纵振和二阶弯振模态)控制耦合现象，这种两个正交工作模态控制耦合现象或者导致Nanomotion Ltd的单驱动足板形压电电机的一半压电陶瓷处于闲置状态或者导致华中科技大学史萌博提出的板形超声电机最终在驱动足上与导轨接触界面的质点上合成的椭圆运动轨迹是非规则且时变的。解决此不足之处的一个有效办法：改变四个均布极化分区的极化分区与电气连线方式，使定子两个正交工作模态(一阶纵振和二阶弯振模态)控制解耦，从而研发新型的超声电机。
发明内容
针对以上问题，本发明提供模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式，提出一种可实现正反向运动、结构简单、推重比大、激振效率高、振动能利用率高、响应速度快的模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式。本发明的超声电机预计将在精密驱动(例如照相机的快速调焦装置)，芯片制造，医疗器械，汽车，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
本发明提供模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式：所述超声电机有两种设计结构，分别为单驱动足结构和双驱动足结构；所述超声电机的单驱动足结构即为模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机，所述超声电机的双驱动足结构即为模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机。
本发明提供模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机：所述单足超声电机由单足板形定子和动子构成，所述动子为一直线导轨，所述单足板形定子由振子主体和单驱动足两部分组成；所述振子主体为压电陶瓷材料构成的长方体，所述振子主体上有两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二以及一个大极化分区共三个极化分区，所述单足板形定子的单驱动足由耐磨材料构成且通过粘接或焊接或烧结与振子主体结合为一体，所述导轨在预压力的作用下压在单足板形定子的单驱动足上；
所述振子主体上极化分区的特征在于：振子主体的小极化分区一的极化方向、小极化分区二的极化方向和大极化分区的极化方向为沿振子主体的厚度方向进行极化，其中小极化分区一的极化方向与小极化分区二的极化方向相反，大极化分区的极化方向与小极化分区一的极化方向或小极化分区二的极化方向相同；沿振子主体的厚度方向有两个表面，分别为厚度方向前表面和厚度方向后表面；在厚度方向前表面上，烧结有三块相互绝缘的银层电极，分别为对应于小极化分区一的银层电极、对应于小极化分区二的银层电极和对应于大极化分区的银层电极；在厚度方向后表面上，烧结有一整块的银层电极。
作为本发明模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机进一步改进：直线导轨水平放置，即直线导轨运动方向为水平方向；所述单足超声电机的振子主体上三个极化分区有以下四种分布方式，分别对应所述单足超声电机的四个实施例；
单足超声电机的分布方式一，即单足超声电机的第一实施例：
两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二位于振子主体的左侧且上下排列，另一个大极化分区位于振子主体的右侧且单独成列；
单足超声电机的分布方式二，即单足超声电机的第二实施例：
两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二位于振子主体的右侧且上下排列，另一个大极化分区位于振子主体的左侧且单独成列；
单足超声电机的分布方式三，即单足超声电机的第三实施例：
两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二位于振子主体的上部且左右排列，另一个大极化分区位于振子主体的下部且单独成行；
单足超声电机的分布方式四，即单足超声电机的第四实施例：
两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二位于振子主体的下部且左右排列，另一个大极化分区位于振子主体的上部且单独成行。
本发明提供模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机，所述双足超声电机由双足板形定子和动子构成，所述动子为一直线导轨，所述双足板形定子由振子主体和双驱动足两部分组成；所述振子主体为压电陶瓷材料构成的长方体，所述振子主体上有两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二以及一个大极化分区共三个极化分区，所述双足板形定子的双驱动足由耐磨材料构成且通过粘接或焊接或烧结与振子主体结合为一体，所述导轨在预压力的作用下压在双足板形定子的双驱动足上。
作为本发明模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的进一步改进：直线导轨水平放置，即直线导轨运动方向为水平方向；所述双足超声电机的振子主体上三个极化分区有以下四种分布方式，分别对应所述双足超声电机的四个实施例；
双足超声电机的分布方式一，即双足超声电机的第一实施例：
两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二位于振子主体的上部且左右排列，另一个大极化分区位于振子主体的下部且单独成行；
双足超声电机的分布方式一，即双足超声电机的第二实施例：
两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二位于振子主体的下部且左右排列，另一个大极化分区位于振子主体的上部且单独成行；
双足超声电机的分布方式一，即双足超声电机的第三实施例：
两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二位于振子主体的左侧且上下排列，另一个大极化分区位于振子主体的右侧且单独成列；
双足超声电机的分布方式一，即双足超声电机的第四实施例：
两个大小相同的小极化分区一和小极化分区二位于振子主体的右侧且上下排列，另一个大极化分区位于振子主体的左侧且单独成列。
本发明提供模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的激励方式，所述振子主体厚度方向后表面上烧结的一整块银层用于接地；位于振子主体厚度方向前表面上，对应于小极化分区一的银层电极和对应于小极化分区二的银层电极相连接构成电机的A相，仅用于激发定子产生二阶弯振模态，且仅用于提供单驱动足的切向振动分量；位于振子主体厚度方向前表面上，对应于大极化分区的银层电极单独构成电机的B相，仅用于激发定子产生一阶纵振模态，且仅用于提供单驱动足的法向振动分量；这使得单驱动足结构定子的二阶弯振模态和一阶纵振模态在控制上是相互解耦的，即模态解耦。
作为本发明模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机激励方式的进一步改进：驱动电机工作的两个正交工作模态分别为定子的二阶弯振模态和一阶纵振模态；通过结构设计使得定子的二阶弯振模态和一阶纵振模态具有较好的频率一致性，即一阶纵振模态的共振频率ωz和二阶弯振模态的共振频率ωw符合|ωz-ωw|≤200Hz；两个正交工作模态激励信号的频率为ω0，ω0接近ωz和ωw。当电机的A相输入频率为ω0的连续正弦波激励信号，用于单独激发定子产生二阶弯振模态；同时电机的B相输入频率为ω0但与A相输入信号的相位差为90°的连续正弦波激励信号，用于单独激发定子产生一阶纵振模态；此时所述单足超声电机的单驱动足上与导轨接触界面的质点会产生椭圆运动轨迹，导轨将产生定向水平运动；当电机的A相输入频率为ω0的连续正弦波激励信号不变，同时电机的B相输入频率为ω0但与A相输入信号的相位差为-90°的连续正弦波激励信号，此时所述单足超声电机的单驱动足上与导轨接触界面的质点会产生反向旋转的椭圆运动轨迹，导轨将产生反向的定向水平运动。
作为本发明模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的激励方式的进一步改进：根据机械输出特性，所述单足超声电机可以划分为三种设计类型，分别为“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”；
所述单足超声电机“力与速度均衡型”的特点是：
单足超声电机的“A相所对应的小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”与单足超声电机的“B相所对应的大极化分区的银层电极的面积”近似相等，这使得单足超声电机输出到“A相对应的二阶弯振模态和单驱动足的切向振动分量”的功率和输出到“B相对应的一阶纵振模态和单驱动足的法向振动分量”的功率近似相等；
所述单足超声电机“力侧重型”的特点是：
单足超声电机的“A相所对应的小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”明显小于单足超声电机的“B相所对应的大极化分区的银层电极的面积”，这使得单足超声电机的输出功率侧重于“B相对应的一阶纵振模态和单驱动足的法向振动分量”；
所述单足超声电机“速度侧重型”的特点是：
单足超声电机的“A相所对应的小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”明显大于单足超声电机的“B相所对应的大极化分区的银层电极的面积”，这使得单足超声电机的输出功率侧重于“A相对应的二阶弯振模态和单驱动足的切向振动分量”。
上述模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的三种设计类型及特点使得本发明的单足超声电机有更广泛的应用范围。
本发明提供模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的激励方式：振子主体厚度方向后表面上烧结的一整块银层电极用于接地；位于振子主体厚度方向前表面上，对应于小极化分区一的银层电极和对应于小极化分区二的银层电极相连接构成电机的A相，仅用于激发定子产生二阶弯振模态，且仅用于提供双驱动足的法向振动分量；位于振子主体厚度方向前表面上，对应于大极化分区的银层电极单独构成电机的B相，仅用于激发定子产生一阶纵振模态，且仅用于提供双驱动足的切向振动分量；这使得双驱动足结构定子的二阶弯振模态和一阶纵振模态在控制上是相互解耦的，即模态解耦。
作为本发明模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的激励方式的进一步改进：驱动电机工作的两个正交工作模态分别为定子的二阶弯振模态和一阶纵振模态；通过结构设计使得定子的二阶弯振模态和一阶纵振模态具有较好的频率一致性，即一阶纵振模态的共振频率ωz和二阶弯振模态的共振频率ωw符合|ωz-ωw|≤200Hz；两个正交工作模态激励信号的频率为ω0，ω0接近ωz和ωw。当电机的A相输入频率为ω0的连续正弦波激励信号，用于单独激发定子产生二阶弯振模态；同时电机的B相输入频率为ω0但与A相输入信号的相位差为90°的连续正弦波激励信号，用于单独激发定子产生一阶纵振模态；此时所述双足超声电机的双驱动足上与导轨接触界面的质点会产生椭圆运动轨迹，导轨将产生定向水平运动；当电机的A相输入频率为ω0的连续正弦波激励信号不变，同时电机的B相输入频率为ω0但与A相输入信号的相位差为-90°的连续正弦波激励信号，此时所述双足超声电机的双驱动足上与导轨接触界面的质点会产生反向旋转的椭圆运动轨迹，导轨将产生反向的定向水平运动。
作为本发明模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的激励方式的进一步改进：根据机械输出特性，所述双足超声电机可以划分为三种设计类型，分别为“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”；
所述双足超声电机“力与速度均衡型”的特点是：
双足超声电机的“A相所对应的小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”与双足超声电机的“B相所对应的大极化分区的银层电极的面积”近似相等，这使得双足超声电机输出到“A相对应的二阶弯振模态和双驱动足的法向振动分量”的功率和输出到“B相对应的一阶纵振模态和双驱动足的切向振动分量”的功率近似相等；
所述双足超声电机“力侧重型”的特点是：
双足超声电机的“A相所对应的小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”明显大于双足超声电机的“B相所对应的大极化分区的银层电极的面积”，这使得双足超声电机的输出功率侧重于“A相对应的二阶弯振模态和双驱动足的法向振动分量”；
所述双足超声电机“速度侧重型”的特点是：
双足超声电机的“A相所对应的小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”明显小于双足超声电机的“B相所对应的大极化分区的银层电极的面积”，这使得双足超声电机的输出功率侧重于“B相对应的一阶纵振模态和双驱动足的切向振动分量”。
上述模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的三种设计类型及特点使得本发明的双足超声电机有更广泛的应用范围。
和背景技术相比，本发明的模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式的创新之处在于：
1.与专利权人为Nanomotion Ltd且专利号为5453653的美国专利《CeramicMotor》所描述的单驱动足板形超声电机相比：
先看Nanomotion Ltd超声电机的特点：a.四个均布且极化方向相同的极化分区，两个对角线分布的极化分区相连接从而构成振子主体A、B两相；b.由a.带来的单相双模态耦合驱动；c.单相驱动。
由Nanomotion Ltd超声电机的特点可知其缺点：由于四个均布极化分区导致的两正交工作模态控制耦合，使得超声电机单相激励就能完成驱动，在工作时超声电机只有一半的压电陶瓷处于工作状态，而另一半压电陶瓷处于闲置状态。
而本发明的模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机采用非均布三分区的极化方式，使得超声电机的两正交工作模态控制解耦，超声电机的A、B两相同时输入相位差为90°两相正弦波激励信号，驱动导轨正反向运动；即本发明的超声电机在工作时所有压电陶瓷均处于工作状态。此外，由于本发明的超声电机采用非均布三分区的极化方式，使得本发明超声电机的单驱动足结构(单足超声电机)和双驱动足结构(双足超声电机)都具有三种设计类型：“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”，而Nanomotion Ltd超声电机只有四个均布极化分区一种设计类型，因此和Nanomotion Ltd超声电机相比，本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
2.与华中科技大学史萌博在2014年硕士学位论文《基于纵弯模态的直线型超声马达的仿真设计》中提出了一种振子主体为压电陶瓷材料的板形超声电机相比：
先看华中科技大学史萌博提出的板形超声电机的特点：a.四个均布且极化方向相同的极化分区，两个对角线分布的极化分区相连接从而构成振子主体A、B两相；b.由a.带来的双模态耦合驱动；c.A、B两相驱动(A、B两相同时输入相位差为90°两相正弦波激励信号)。
由华中科技大学史萌博提出的板形超声电机的特点可知其缺点：由于四个均布极化分区导致的两正交工作模态控制耦合，使得超声电机在A相激励下产生的斜椭圆运动轨迹分量与在B相激励下产生的斜椭圆运动轨迹分量非正交，这将导致A、B两相驱动最终在驱动足上与导轨接触界面的质点上合成的椭圆运动轨迹是非规则且时变的，不利于稳定驱动。
而本发明的模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机采用非均布三分区的极化方式，使得超声电机的两正交工作模态控制解耦；由于两正交工作模态控制解耦，当超声电机的A、B两相同时输入相位差为90°两相正弦波激励信号，驱动足上与导轨接触界面的质点上的运动轨迹理论上是一个正椭圆运动轨迹，非常有利于稳定驱动。此外，由于本发明的超声电机采用非均布三分区的极化方式，使得本发明超声电机的单驱动足结构(单足超声电机)和双驱动足结构(双足超声电机)都具有三种设计类型：“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”，而华中科技大学史萌博提出的板形超声电机只有四个均布极化分区一种设计类型，因此和华中科技大学史萌博提出的板形超声电机相比，本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
3.本发明的模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式，其最大的创新点在于：(1)结构创新。和背景技术中的Nanomotion Ltd的单驱动足板形超声电机和华中科技大学史萌博提出的板形超声电机相比，本发明的板形超声电机将背景技术四个均布极化分区结构优化并简化为非均布三极化分区，这提高了压电陶瓷在工作时的利用率，简化了制作工艺并降低了制作成本；(2)驱动原理创新。和背景技术中的Nanomotion Ltd的单驱动足板形超声电机和华中科技大学史萌博提出的板形超声电机相比，由于采用了非均布三极化分区，本发明的板形超声电机将背景技术两正交工作模态控制耦合的驱动机理优化为两正交工作模态控制解耦，直接解决了背景技术中存在的缺点：或者在工作时有一半压电陶瓷处于闲置状态或者在驱动足上与导轨接触界面的质点上合成的椭圆运动轨迹是非规则且时变的(不利于稳定驱动)；更进一步地，本发明的板形超声电机在非均布三极化分区和两正交工作模态控制解耦的基础上，还提出了三种设计类型：“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”；和背景技术中的Nanomotion Ltd的板形超声电机和华中科技大学史萌博提出的板形超声电机相比，本发明的模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机除了在理论上能够提供更大的输出功率和更好的稳定性，还具有更广泛的应用范围。
附图说明
：图1.模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机的结构示意图；其中：实线部分为所述超声电机的单驱动足结构(即模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机)示意图；虚线部分为所述超声电机的双驱动足结构(即模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机)示意图。
图2.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的结构示意图，也是所述单足超声电机的第一个实施例“力与速度均衡型”的设计类型。
图3.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的结构示意图，也是所述双足超声电机的第一个实施例“力与速度均衡型”的设计类型。
图4.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图；其中：图4(a)为所述单足超声电机的第一个实施例的定子的结构示意图；图4(b)为所述单足超声电机的第一个实施例的定子极化分区和极化方向的第Ⅰ实例。
图5.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例示意图；其中：其中：图5(a)为所述单足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例；图5(b)为所述单足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例；图5(c)为所述单足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例。
图6.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图。
图7.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的定子接线方式示意图。
图8.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例、第二个实施例、第三个实施例和第四个实施例的定子的两个正交工作模态示意图；其中：图8(a)为所述单足超声电机的二阶弯振模态示意图；图8(b)为所述单足超声电机的一阶纵振模态示意图。
图9.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例、第二个实施例、第三个实施例和第四个实施例的定子的驱动方式示意图；其中：图9(a)为两相相位差为π/2的正弦信号同时激励定子的两个正交工作模态，使所述单足超声电机的单驱动足端面上的质点产生正向旋转的椭圆运动轨迹；图9(b)为两相相位差为-π/2的正弦信号同时激励定子的两个正交工作模态，使所述单足超声电机的单驱动足端面上的质点产生反向旋转的椭圆运动轨迹。
图10.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的两种设计类型示意图；其中：图10(a)为所述单足超声电机的第一个实施例“力侧重型”的设计类型；图10(b)为所述单足超声电机的第一个实施例“速度侧重型”的设计类型。
图11.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的结构示意图，也是所述单足超声电机的第二个实施例“力与速度均衡型”的设计类型。
图12.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图；其中：图12(a)为所述单足超声电机的第二个实施例的定子的结构示意图；图12(b)为所述单足超声电机的第二个实施例的定子极化分区和极化方向的第Ⅰ实例。
图13.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例示意图；其中：图13(a)为所述单足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例；图13(b)为所述单足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例；图13(c)为所述单足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例。
图14.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图。
图15.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的定子接线方式示意图。
图16.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的两种设计类型示意图；其中：图16(a)为所述单足超声电机的第二个实施例“力侧重型”的设计类型；图16(b)为所述单足超声电机的第二个实施例“速度侧重型”的设计类型。
图17.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的结构示意图，也是所述单足超声电机的第三个实施例“力与速度均衡型”的设计类型。
图18.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图；其中：图18(a)为所述单足超声电机的第三个实施例的定子的结构示意图；图18(b)为所述单足超声电机的第三个实施例的定子极化分区和极化方向的第Ⅰ实例。
图19.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例示意图；其中：图19(a)为所述单足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例；图19(b)为所述单足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例；图19(c)为所述单足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例。
图20.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图。
图21.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的定子接线方式示意图。
图22.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的两种设计类型示意图；其中：图22(a)为所述单足超声电机的第三个实施例“力侧重型”的设计类型；图22(b)为所述单足超声电机的第三个实施例“速度侧重型”的设计类型。
图23.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的结构示意图，也是所述单足超声电机的第四个实施例“力与速度均衡型”的设计类型。
图24.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图；其中：图24(a)为所述单足超声电机的第四个实施例的定子的结构示意图；图24(b)为所述单足超声电机的第四个实施例的定子极化分区和极化方向的第Ⅰ实例。
图25.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例示意图；其中：图25(a)为所述单足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例；图25(b)为所述单足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例；图25(c)为所述单足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例。
图26.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图。
图27.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的定子接线方式示意图。
图28.模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的两种设计类型示意图；其中：图28(a)为所述单足超声电机的第四个实施例“力侧重型”的设计类型；图28(b)为所述单足超声电机的第四个实施例“速度侧重型”的设计类型。
图29.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图；其中：图29(a)为所述双足超声电机的第一个实施例的定子的结构示意图；图29(b)为所述双足超声电机的第一个实施例的定子极化分区和极化方向的第Ⅰ实例。
图30.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例示意图；其中：其中：图30(a)为所述双足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例；图30(b)为所述双足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例；图30(c)为所述双足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例。
图31.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图。
图32.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的定子接线方式示意图。
图33.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例、第二个实施例、第三个实施例和第四个实施例的定子的两个正交工作模态示意图；其中：图33(a)为所述双足超声电机的二阶弯振模态示意图；图33(b)为所述双足超声电机的一阶纵振模态示意图。
图34.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例、第二个实施例、第三个实施例和第四个实施例的定子的驱动方式示意图；其中：图34(a)为两相相位差为π/2的正弦信号同时激励定子的两个正交工作模态，使所述双足超声电机的双驱动足端面上的质点产生正向旋转的椭圆运动轨迹；图34(b)为两相相位差为-π/2的正弦信号同时激励定子的两个正交工作模态，使所述双足超声电机的双驱动足端面上的质点产生反向旋转的椭圆运动轨迹。
图35.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的两种设计类型示意图；其中：图35(a)为所述双足超声电机的第一个实施例“力侧重型”的设计类型；图35(b)为所述双足超声电机的第一个实施例“速度侧重型”的设计类型。
图36.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的结构示意图，也是所述双足超声电机的第二个实施例“力与速度均衡型”的设计类型。
图37.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图；其中：图37(a)为所述双足超声电机的第二个实施例的定子的结构示意图；图37(b)为所述双足超声电机的第二个实施例的定子极化分区和极化方向的第Ⅰ实例。
图38.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例示意图；其中：图38(a)为所述双足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例；图38(b)为所述双足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例；图38(c)为所述双足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例。
图39.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图。
图40.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的定子接线方式示意图。
图41.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的两种设计类型示意图；其中：图41(a)为所述双足超声电机的第二个实施例“力侧重型”的设计类型；图41(b)为所述双足超声电机的第二个实施例“速度侧重型”的设计类型。
图42.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的结构示意图，也是所述双足超声电机的第三个实施例“力与速度均衡型”的设计类型。
图43.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图；其中：图43(a)为所述双足超声电机的第三个实施例的定子的结构示意图；图43(b)为所述双足超声电机的第三个实施例的定子极化分区和极化方向的第Ⅰ实例。
图44.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例示意图；其中：图44(a)为所述双足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例；图44(b)为所述双足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例；图44(c)为所述双足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例。
图45.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图。
图46.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的定子接线方式示意图。
图47.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的两种设计类型示意图；其中：图47(a)为所述双足超声电机的第三个实施例“力侧重型”的设计类型；图47(b)为所述双足超声电机的第三个实施例“速度侧重型”的设计类型。
图48.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的结构示意图，也是所述双足超声电机的第四个实施例“力与速度均衡型”的设计类型。
图49.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图；其中：图49(a)为所述双足超声电机的第四个实施例的定子的结构示意图；图49(b)为所述双足超声电机的第四个实施例的定子极化分区和极化方向的第Ⅰ实例。
图50.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例示意图；其中：图50(a)为所述双足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例；图50(b)为所述双足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例；图50(c)为所述双足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例。
图51.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图。
图52.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的定子接线方式示意图。
图53.模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的两种设计类型示意图；其中：图53(a)为所述双足超声电机的第四个实施例“力侧重型”的设计类型；图53(b)为所述双足超声电机的第四个实施例“速度侧重型”的设计类型。
图中标号名称：1板形定子的振子主体；2小极化分区一；3小极化分区二；4大极化分区；5-1单驱动足结构板形定子的单驱动足；5-2双驱动足结构板形定子的双驱动足；6直线导轨；7小极化分区一的极化方向；8小极化分区二的极化方向；9大极化分区的极化方向；10振子主体厚度方向的前表面；11振子主体厚度方向的后表面；12振子主体厚度方向的前表面上烧结的对应于小极化分区一的银层电极；13振子主体厚度方向的前表面上烧结的对应于小极化分区二的银层电极；14振子主体厚度方向的前表面上烧结的对应于大极化分区的银层电极；15振子主体厚度方向的后表面上烧结的一整块银层电极；16超声电机的A相；17超声电机的B相；18板形定子一阶纵振模态的振型；19板形定子二阶弯振模态的振型；20两相相位差为π/2的正弦信号激励下单驱动足结构定子的单驱动足端面上的质点产生的正向旋转的椭圆运动轨迹；21两相相位差为-π/2的正弦信号激励下单驱动足结构定子的单驱动足端面上的质点产生的反向旋转的椭圆运动轨迹；22两相相位差为π/2的正弦信号激励下双驱动足结构定子的双驱动足端面上的质点产生的正向旋转的椭圆运动轨迹；23两相相位差为-π/2的正弦信号激励下双驱动足结构定子的双驱动足端面上的质点产生的反向旋转的椭圆运动轨迹。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式，提出一种可实现正反向运动、结构简单、推重比大、激振效率高、振动能利用率高、响应速度快的模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式。本发明的超声电机预计将在精密驱动(例如照相机的快速调焦装置)，芯片制造，医疗器械，汽车，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
一种模态解耦三分区压电陶瓷单或双足超声电机及其激励方式如图1所示，其特征是：所述电机有两种设计结构，分别为单驱动足结构和双驱动足结构；所述超声电机的单驱动足结构即为模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机，所述超声电机的双驱动足结构即为模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例如图2所示，其特征是：所述单足超声电机由单足板形定子和一直线导轨(6)构成，其中单足板形定子由振子主体(1)和单驱动足(5-1)两部分组成；所述振子主体(1)为压电陶瓷材料构成的长方体，其上有小极化分区一(2)、小极化分区二(3)和一个大极化分区(4)共三个极化分区，其中两个大小相同的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的左侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的右侧且单独成列；所述单驱动足(5-1)由耐磨材料构成且通过粘接或焊接或烧结与振子主体(1)结合为一体；所述直线导轨(6)水平放置，即直线导轨(6)运动方向为水平方向，并在预压力的作用下压在单足板形定子的单驱动足(5-1)上。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例如图3所示，其特征是：所述双足超声电机由双足板形定子和一直线导轨(6)构成，其中双足板形定子由振子主体(1)和双驱动足(5-2)两部分组成；所述振子主体(1)为压电陶瓷材料构成的长方体，其上有小极化分区一(2)、小极化分区二(3)和一个大极化分区(4)共三个极化分区，其中两个大小相同的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的上部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的下部且单独成行；所述双驱动足(5-2)由耐磨材料构成且通过粘接或焊接或烧结与振子主体(1)结合为一体；所述直线导轨(6)水平放置，即直线导轨(6)运动方向为水平方向，并在预压力的作用下压在双驱动足结构板形定子的双驱动足(5-2)上。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图如图4所示；先定义以下极化方向的记号：在本“具体实施方式”中，凡是极化方向由振子主体(1)的前表面(10)垂直指向振子主体(1)的后表面(11)的标记为“+”号，凡是极化方向由振子主体(1)的后表面(11)垂直指向振子主体(1)的前表面(10)的标记为“－”号；则所述单足超声电机的第一个实施例定子的极化分区和极化方向的第Ⅰ实例的特征是：所述振子主体(1)的小极化分区一的极化方向(7)、小极化分区二的极化方向(8)和大极化分区的极化方向(9)为沿振子主体(1)的厚度方向进行极化；其中小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例的示意图如图5(a)、(b)和(c)所示；所述单足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号；所述单足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号；所述单足超声电机的第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图以及接线方式示意图分别如图6、图7所示；其特征是：振子主体厚度方向后表面(11)上烧结的一整块银层(15)用于接地；位于振子主体(1)厚度方向前表面(10)上，对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)相连接构成所述单足超声电机的A相(16)，仅用于激发定子产生二阶弯振模态(18)，且仅用于提供单驱动足(5-1)的切向振动分量；位于振子主体(1)厚度方向前表面(10)上，对应于大极化分区的银层电极(14)单独构成所述单足超声电机的B相(17)，仅用于激发定子产生一阶纵振模态(19)，且仅用于提供单驱动足(5-1)的法向振动分量；这使得定子的二阶弯振模态(18)和一阶纵振模态(19)在控制上是相互解耦的，即模态解耦。上述接线方式及对所述单足超声电机的二阶弯振和一阶纵振模态的解耦控制方式，为所述单足超声电机分为三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)打下了基础。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机第一个实施例、第二个实施例、第三个实施例和第四个实施例的定子的两正交工作模态示意图以及驱动方式示意图分别如图8、图9所示；其特征是：驱动所述单足超声电机工作的两个正交工作模态分别为单足板形定子的二阶弯振模态(18)和一阶纵振模态(19)；通过结构设计使得所述定子的二阶弯振模态(18)和一阶纵振模态(19)具有较好的频率一致性，即一阶纵振模态(19)的共振频率ωz和二阶弯振模态(18)的共振频率ωw符合|ωz-ωw|≤200Hz；两个正交工作模态激励信号的频率为ω0，ω0接近ωz和ωw；当所述电机的A相(16)输入频率为ω0的连续正弦波激励信号，用于单独激发所述定子产生二阶弯振模态(18)；同时所述电机的B相(17)输入频率为ω0但与A相(16)输入信号的相位差为90°(相位超前)的连续正弦波激励信号，用于单独激发所述定子产生一阶纵振模态(19)；此时所述定子的单驱动足(5-1)上与导轨(6)接触界面的质点会产生椭圆运动轨迹(20)，导轨(6)将产生定向运动；当所述电机的A相(16)输入频率为ω0的连续正弦波激励信号不变，同时所述电机的B相(17)输入频率为ω0但与A相(16)输入信号的相位差为-90°(相位滞后)的连续正弦波激励信号，此时所述定子的单驱动足(5-1)上与导轨(6)接触界面的质点会产生反向旋转的椭圆运动轨迹(21)，导轨(6)将产生反向的定向运动。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第一个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)分别如图2和图10所示；其特征是：根据机械输出特性，所述单足超声电机的第一个实施例可以划分为三种设计类型，分别为“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”；
其中，所述单足超声电机的第一个实施例的“力与速度均衡型”如图2所示，所述电机的“A相(16)所对应的小极化分区一的银层电极(12)和小极化分区二的银层电极(13)的面积之和”与所述电机的“B相(17)所对应的大极化分区的银层电极(14)的面积”近似相等，这使得所述电机输出到“A相(16)对应的二阶弯振模态(18)和单驱动足(5-1)的切向振动分量”的功率和输出到“B相(17)对应的一阶纵振模态(19)和单驱动足(5-1)的法向振动分量”的功率近似相等；
所述单足超声电机的第一个实施例的“力侧重型”如图10(a)所示，所述电机的“A相(16)所对应的小极化分区一的银层电极(12)和小极化分区二的银层电极(13)的面积之和”明显小于所述电机的“B相(17)所对应的大极化分区的银层电极(14)的面积”，这使得所述电机输出功率侧重于“B相(17)对应的一阶纵振模态(19)和单驱动足(5-1)的法向振动分量”；
所述单足超声电机的第一个实施例的“速度侧重型”超声电机如图10(b)所示，所述电机的“A相(16)所对应的小极化分区一的银层电极(12)和小极化分区二的银层电极(13)的面积之和”明显大于所述电机的“B相(17)所对应的大极化分区的银层电极(14)的面积”，这使得所述电机输出功率侧重于“A相(16)对应的二阶弯振模态(18)和单驱动足(5-1)的切向振动分量”；上述单驱动足结构的第一个实施例的三种设计类型及特点使得本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例如图11所示，与图2所示的单足超声电机的第一个实施例的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的右侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的左侧且单列；其他具体实施方式则与图2所示的单足超声电机的第一个实施例相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图如图12所示；所述单足超声电机第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅰ实例的特征是：所述振子主体(1)的小极化分区一的极化方向(7)、小极化分区二的极化方向(8)和大极化分区的极化方向(9)为沿振子主体(1)的厚度方向进行极化；其中小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例的示意图如图13(a)、(b)和(c)所示；所述单足超声电机第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，一个小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号；所述单足超声电机第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号；所述单足超声电机第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图以及接线方式示意图分别如图14、图15所示，与图6、图7所示的单足超声电机第一个实施例的定子表面烧结的银层电极以及接线方式的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的右侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的左侧且单列；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的右侧且上下排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的左侧且单独成列；其他具体实施方式与单足超声电机第一个实施例在图6、图7中的实施方式相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第二个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)分别如图11和图16所示，与图2和图10所示的单足超声电机的第一个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区(2、3)位于振子主体的右侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体的左侧且单列；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的右侧且上下排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的左侧且单独成列；其他具体实施方式与单足超声电机第一个实施例的三种设计类型在图2和图10中的实施方式相一致。上述单足超声电机第二个实施例的三种设计类型及特点使得本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例如图17所示，与图2所示的单足超声电机的第一个实施例的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的上部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的下部且单独成行；其他具体实施方式则与图2所示的单足超声电机的第一个实施例相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图如图18所示；所述单足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅰ实例的特征是：所述振子主体(1)的小极化分区一的极化方向(7)、小极化分区二的极化方向(8)和大极化分区的极化方向(9)为沿振子主体(1)的厚度方向进行极化；其中小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例的示意图如图19(a)、(b)和(c)所示；所述单足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，一个小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号；所述单足超声电机第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号；所述单足超声电机第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图以及接线方式示意图分别如图20、图21所示，与图6、图7所示单足超声电机第一个实施例的定子表面烧结的银层电极以及接线方式的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的上部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的下部且单独成行；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的上部且左右排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的下部且单独成行；其他具体实施方式与单足超声电机第一个实施例在图6、图7中的实施方式相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第三个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)分别如图17和图22所示，与图2和图10所示的单足超声电机第一个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的上部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的下部且单独成行；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的上部且左右排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的下部且单独成行；其他具体实施方式与单足超声电机第一个实施例的三种设计类型在图2和图10中的实施方式相一致。上述单足超声电机第三个实施例的三种设计类型及特点使得本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例如图23所示，与图2所示的单足超声电机第一个实施例的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的下部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的上部且单独成行；其他具体实施方式则与图2所示的单足超声电机第一个实施例相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图如图24所示；所述单足超声电机第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅰ实例的特征是：所述振子主体(1)的小极化分区一的极化方向(7)、小极化分区二的极化方向(8)和大极化分区的极化方向(9)为沿振子主体(1)的厚度方向进行极化；其中小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例的示意图如图25(a)、(b)和(c)所示；所述单足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，一个小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号；所述单足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号；所述单足超声电机第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图以及接线方式示意图分别如图26、图27所示，与图6、图7所示单足超声电机第一个实施例的定子表面烧结的银层电极以及接线方式的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的下部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的上部且单独成行；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的下部且左右排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的上部且单独成行；其他具体实施方式与单足超声电机第一个实施例在图6、图7中的实施方式相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷单足超声电机的第四个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)分别如图23和图28所示，与图2和图10所示的单足超声电机第一个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的下部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的上部且单独成行；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的下部且左右排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的上部且单独成行；其他具体实施方式与单足超声电机第一个实施例的三种设计类型在图2和图10中的实施方式相一致。上述单足超声电机第四个实施例的三种设计类型及特点使得本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图如图29所示；所述双足超声电机第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅰ实例的特征是：振子主体(1)的小极化分区一的极化方向(7)、小极化分区二的极化方向(8)和大极化分区的极化方向(9)为沿振子主体(1)的厚度方向进行极化；其中小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例的示意图如图30(a)、(b)和(c)所示；所述双足超声电机第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号；所述双足超声电机第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号；所述双足超声电机第一个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图以及接线方式示意图分别如图31、图32所示；其特征是：振子主体厚度方向后表面(11)上烧结的一整块银层(15)用于接地；位于振子主体(1)厚度方向前表面(10)上，对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)相连接构成所述双足超声电机的A相(16)，仅用于激发定子产生二阶弯振模态(18)，且仅用于提供双驱动足(5-2)的法向振动分量；位于振子主体(1)厚度方向前表面(10)上，对应于大极化分区的银层电极(14)单独构成所述双足超声电机的B相(17)，仅用于激发定子产生一阶纵振模态(19)，且仅用于提供双驱动足(5-2)的切向振动分量；这使得定子的二阶弯振模态(18)和一阶纵振模态(19)在控制上是相互解耦的，即模态解耦。上述接线方式及对所述双足超声电机的二阶弯振和一阶纵振模态的解耦控制方式，为所述双足超声电机分为三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)打下了基础。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例、第二个实施例、第三个实施例和第四个实施例的定子的两正交工作模态示意图以及驱动方式示意图分别如图33、图34所示；其特征是：驱动双足超声电机工作的两个正交工作模态分别为双足板形定子的二阶弯振模态(18)和一阶纵振模态(19)；通过结构设计使得所述定子的二阶弯振模态(18)和一阶纵振模态(19)具有较好的频率一致性，即一阶纵振模态(19)的共振频率ωz和二阶弯振模态(18)的共振频率ωw符合|ωz-ωw|≤200Hz；两个正交工作模态激励信号的频率为ω0，ω0接近ωz和ωw；当所述电机的A相(16)输入频率为ω0的连续正弦波激励信号，用于单独激发所述定子产生二阶弯振模态(18)；同时所述电机的B相(17)输入频率为ω0但与A相(16)输入信号的相位差为90°(相位超前)的连续正弦波激励信号，用于单独激发所述定子产生一阶纵振模态(19)；此时所述定子的双驱动足(5-2)上与导轨(6)接触界面的质点会产生椭圆运动轨迹(22)，导轨(6)将产生定向运动；当所述电机的A相(16)输入频率为ω0的连续正弦波激励信号不变，同时所述电机的B相(17)输入频率为ω0但与A相(16)输入信号的相位差为-90°(相位滞后)的连续正弦波激励信号，此时所述定子的双驱动足(5-2)上与导轨(6)接触界面的质点会产生反向旋转的椭圆运动轨迹(23)，导轨(6)将产生反向的定向运动。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第一个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)分别如图3和图35所示；其特征是：根据机械输出特性，所述双足超声电机的第一个实施例可以划分为三种设计类型，分别为“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”；
其中，所述双足超声电机的第一个实施例的“力与速度均衡型”如图3所示，所述电机的“A相(16)所对应的小极化分区一的银层电极(12)和小极化分区二的银层电极(13)的面积之和”与所述电机的“B相(17)所对应的大极化分区的银层电极(14)的面积”近似相等，这使得所述电机输出到“A相(16)对应的二阶弯振模态(18)和双驱动足(5-2)的法向振动分量”的功率和输出到“B相(17)对应的一阶纵振模态(19)和双驱动足(5-2)的切向振动分量”的功率近似相等；
所述双足超声电机的第一个实施例的“力侧重型”如图35(a)所示，所述电机的“A相(16)所对应的小极化分区一的银层电极(12)和小极化分区二的银层电极(13)的面积之和”明显大于所述电机的“B相(17)所对应的大极化分区的银层电极(14)的面积”，这使得所述电机输出功率侧重于“A相(16)对应的二阶弯振模态(18)和双驱动足(5-2)的法向振动分量”；
所述双足超声电机的第一个实施例的“速度侧重型”超声电机如图35(b)所示，所述电机的“A相(16)所对应的小极化分区一的银层电极(12)和小极化分区二的银层电极(13)的面积之和”明显小于所述电机的“B相(17)所对应的大极化分区的银层电极(14)的面积”，这使得所述电机输出功率侧重于“B相(17)对应的一阶纵振模态(19)和双驱动足(5-2)的切向振动分量”；上述双足超声电机第一个实施例的三种设计类型及特点使得本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例如图36所示，与图3所示的双足超声电机第一个实施例的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的下部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的上部且单独成行；其他具体实施方式则与图3所示的双足超声电机第一个实施例相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图如图37所示；所述双足超声电机第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅰ实例的特征是：所述振子主体(1)的小极化分区一的极化方向(7)、小极化分区二的极化方向(8)和大极化分区的极化方向(9)为沿振子主体(1)的厚度方向进行极化；其中小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例的示意图如图38(a)、(b)和(c)所示；所述双足超声电机第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，一个小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号；所述双足超声电机第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号；所述双足超声电机第二个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图以及接线方式示意图分别如图39、图40所示，与图31、图32所示的双足超声电机第一个实施例的定子表面烧结的银层电极以及接线方式的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的下部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的上部且单独成行；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的下部且左右排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的上部且单独成行；其他具体实施方式与双足超声电机第一个实施例的定子在图31、图32中的实施方式相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第二个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)分别如图36和图41所示，与图3和图35所示的双驱动足结构的第一个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的下部且左右排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的上部且单独成行；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的下部且左右排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的上部且单独成行；其他具体实施方式与双足超声电机第一个实施例在图3和图35中的实施方式相一致。上述双足超声电机第二个实施例的三种设计类型及特点使得本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例如图42所示，与图3所示的双驱动足结构的第一个实施例的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的左侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的右侧且单独成列；其他具体实施方式则与图3所示的双足超声电机第一个实施例相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图如图43所示；所述双足超声电机第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅰ实例的特征是：所述振子主体(1)的小极化分区一的极化方向(7)、小极化分区二的极化方向(8)和大极化分区的极化方向(9)为沿振子主体(1)的厚度方向进行极化；其中小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例的示意图如图44(a)、(b)和(c)所示；所述双足超声电机第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，一个小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号；所述双足超声电机第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号；所述双足超声电机第三个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图以及接线方式示意图分别如图45、图46所示，与图31、图32所示的双足超声电机第一个实施例的定子表面烧结的银层电极以及接线方式的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的左侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的右侧且单独成列；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的左侧且上下排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的右侧且单独成列；其他具体实施方式与双足超声电机第一个实施例在图31、图32中的实施方式相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第三个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)分别如图42和图47所示，与图3和图35所示的双足超声电机第一个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的左侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的右侧且单独成列；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的左侧且上下排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的右侧且单独成列；其他具体实施方式与双足超声电机第一个实施例在图3和图35中的实施方式相一致。上述双足超声电机第三个实施例的三种设计类型及特点使得本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例如图48所示，与图3所示的双足超声电机第一个实施例的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的右侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的左侧且单独成列；其他具体实施方式则与图3所示的双足超声电机第一个实施例相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的定子的结构以及极化分区和极化方向的第Ⅰ实例示意图如图49所示；所述双足超声电机第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅰ实例的特征是：所述振子主体(1)的小极化分区一的极化方向(7)、小极化分区二的极化方向(8)和大极化分区的极化方向(9)为沿振子主体(1)的厚度方向进行极化；其中小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例、第Ⅲ实例和第Ⅳ实例的示意图如图50(a)、(b)和(c)所示；所述双足超声电机第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅱ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“+”号，一个小极化分区二的极化方向(8)标记为“－”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号；所述双足超声电机第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅲ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“+”号；所述双足超声电机第四个实施例的定子的极化分区和极化方向的第Ⅳ实例的特征是：小极化分区一的极化方向(7)标记为“－”号，小极化分区二的极化方向(8)标记为“+”号，大极化分区的极化方向(9)标记为“－”号。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的定子表面烧结的银层电极示意图以及接线方式示意图分别如图51、图52所示，与图31、图32所示的双足超声电机第一个实施例的定子表面烧结的银层电极以及接线方式的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的右侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的左侧且单独成列；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的右侧且上下排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的左侧且单独成列；其他具体实施方式与双足超声电机第一个实施例在图31、图32中的实施方式相一致。
模态解耦三分区压电陶瓷双足超声电机的第四个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)分别如图48和图53所示，与图3和图35所示的双足超声电机第一个实施例的三种设计类型(“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”)的不同之处在于：在三个非均布的极化分区(2、3、4)里，其中两个同等大小的小极化分区一(2)和小极化分区二(3)位于振子主体(1)的右侧且上下排列，另一个大极化分区(4)位于振子主体(1)的左侧且单独成列；相应的，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于小极化分区一的银层电极(12)和对应于小极化分区二的银层电极(13)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的右侧且上下排列，振子主体厚度方向的前表面(10)上烧结的对应于大极化分区的银层电极(14)位于振子主体厚度方向的前表面(10)的左侧且单独成列；其他具体实施方式与双足超声电机第一个实施例的三种设计类型在图3和图35中的实施方式相一致。上述双足超声电机第四个实施例的三种设计类型及特点使得本发明的超声电机有更广泛的应用范围。
结构设计原则：
1.本发明的单或双足超声电机定子由背景技术四个均布的极化分区优化为三个非均布的极化分区(两个大小相同的小极化分区和一个大极化分区)，其中根据定子驱动足的数目的不同设计有单驱动足结构(单足超声电机)和双驱动足结构(双足超声电机)共两种设计结构；在此基础上又根据三个极化分区在定子上相对位置的不同，本发明的单足超声电机和双足超声电机又分别设计有四个实施例；在此基础上又根据三个极化分区极化方向的不同，本发明的单足超声电机和双足超声电机的每个实施例又设计有第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ和第Ⅳ实例；并且又根据机械性能的不同需求，本发明的单足超声电机和双足超声电机的每个实施例又分为“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”三种设计类型，其中三个非均布的极化分区(两个大小相同的小极化分区和一个大极化分区)的设计结构为电机定子模态解耦的控制方式打下基础；
2.通过结构设计使得定子的一阶纵振模态和二阶弯振模态具有较好的频率一致性，即一阶纵振模态的共振频率ωz和二阶弯振模态的共振频率ωw符合|ωz-ωw|≤200Hz，使得电机适合双模态驱动；
3.基于模态解耦控制方式，本发明的单足超声电机的四个实施例均设计有三种结构类型：“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”；其中“力与速度均衡型”单足电机的结构特点：“小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”约等于“大极化分区的银层电极的面积”；其中“力侧重型”单足电机的结构特点：“小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”小于“大极化分区的银层电极的面积”；其中“速度侧重型”电机的结构特点：“小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”大于“大极化分区的银层电极的面积”。
4.基于模态解耦控制方式，本发明的双足超声电机的四个实施例均设计有三种结构类型：“力与速度均衡型”、“力侧重型”和“速度侧重型”；其中“力与速度均衡型”双足电机的结构特点：“小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”约等于“大极化分区的银层电极的面积”；其中“力侧重型”双足电机的结构特点：“小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”大于“大极化分区的银层电极的面积”；其中“速度侧重型”双足电机的结构特点：“小极化分区一的银层电极和小极化分区二的银层电极的面积之和”小于“大极化分区的银层电极的面积”。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
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