[实用新型]一种基于非对称波的非接触超声马达

说明书

技术领域

本实用新型属于一种超声马达。 

背景技术

超声波马达是利用压电材料的逆压电效应来激励定子弹性体，从而产生超声频域的机械振动，然后将弹性体的微观变形通过共振放大和摩擦耦合或媒质耦合，转换成转子或滑块的宏观运动。它是一种涉及到材料学、压电学、超声学、摩擦学、振动力学等多学科领域的典型的机电化一体的产品。超声波马达的基本构成主要有四部分，分别为高频激励电源、定子、振幅放大机构和转子或滑块。高频激励电源大都为两相和两相以上，用以激励不同组的压电陶瓷以合成定子表面具有一致旋转方向的椭圆运动，定子由极化过的压电体与金属弹性体组成，振幅放大机构一般与金属弹性体做成一体，用以放大定子表面的振动幅度。对于靠摩擦来驱动转子的超声波马达来说，在转子和定子的接触面上一般都粘贴有摩擦材料，以减小滑动摩擦增加输出力矩，提高耐磨性。 

超声波马达的应用已经日渐广泛，其微型化、智能化、多样化的趋势也日渐明显，但目前的超声波马达的驱动理论的研究仍然没有太大进展，其工作原理主要是基于定子表面旋向一致的椭圆运动的生成，在超声波马达的构造上也大都采用具有较高几何对称性的结构，如圆柱形、圆环形、圆盘形和圆筒形等。之所以采用较高对称性的结构是因为目前的振动理论认为在压电振子上产生的机械振动波均为 对称波，生成和利用的模态为对称模态。这一认识导致了目前行波型马达均需采用对称结构，具有对称结构的驻波马达却又需要采用振动的组合来进行驱动的现状。理论上来说，基于对称波的超声驱动理论限制了超声波马达结构形状的多样化，局限了超声波马达设计者的思路。而实际的超声波马达有可能会因为质量或刚度的分布不均而出现不对称的振动波，目前关于不对称波驱动作用的专门研究国内外至今还尚无报道。 

对称波与对称的压电结构 

当设计超声波马达时，我们首先需要明确的是该马达要实现什么功能，然后根据功能的实现选择超声波马达的工作原理和压电振子的结构。对于基于行波驱动的超声波马达，一般需要采用对称性较高的结构来构造压电振子，如圆盘形、圆环形或圆筒形等。这是因为采用圆形结构容易获得两个同频率的周向驻波。采用不同的压电陶瓷组可以激发不同的周向驻波，如果压电陶瓷组之间间隔为四分之一波长、激励电压的相位差相差π/2，则会同时激发出两个周向驻波并且这两个驻波沿着周向叠加会生成单方向传播的行波。从振动的角度来讲，这两个驻波分别相应于同一特征频率的两个退化模态(degeneratemode)。这两个退化模态具有相同的特征频率和振型，只是因为压电陶瓷的激励位置的不同而使其出现的位置不同。 

可以知道，正是行波马达的驱动原理导致了我们目前的行波型马达采用了对称性的结构，因为当我们采用对称性较低的结构时，我们很难同时激发出频率相同的驻波以叠加生成行波。目前的行波型马达在设计时都认为在振动体上产生的机械振动波为对称波，即正弦波或 余弦波。这一认为与采用对称性较高的压电结构相辅相成。一般来说在对称性较高的压电结构上产生的振动波为正弦波或余弦波，而在对称性较低的结构上将只会获得不对称的机械振动波。 

对于驻波型的超声波马达，一般不采用单个驻波进行驱动，之所以不采用单个驻波进行驱动的原因是我们对振动波的认识还局限于对称波的范畴。我们知道，单一的对称驻波由于波腹或节线两侧驱动能力相反宏观上对转子不构成连续的驱动。这一认识导致了目前的驻波型超声波马达均采用了多个或多种驻波叠加来形成连续的驱动。这样驻波型超声波马达既可以采用对称性较高的结构也可以采用对称性较低的结构。对于低对称性结构下的单一不对称驻波是否具有驱动作用目前还没有研究。 

不对称波的分类 

我们所说的不对称波是指与正弦波或余弦波相区分的机械振动波。考虑到实际振动的复杂性和周期性，我们以一个波长的机械振动波为研究对象，且这种机械振动波的波形函数f(x)满足如下条件：仅当f(x)＝0时f′(x)＝∞。其波形特点是只在零线上出现拐点。 

对于这类的不对称机械振动波，其不对称性可以从两方面来看：一类是波幅的不对称，见图1，另一类是波形不对称，见图2。 

实际的不对称振动波可能出现波幅不对称，也可能出现波形不对称，也有可能是两者的混合。 

由于历史上认为在压电振动体上生成的机械振动波均为对称波，导致了行波型的压电超声波马达需要采用较高对称性的结构，在马达 的设计思路上受到了限制，结构的构造方面和马达形状方面也局限于圆环型、圆筒形、圆盘形等。在驻波型马达的设计方面，也必须采用多个驻波叠加才能生成振动体表面旋向一致的椭圆运动。 

发明内容