超声电机振子振型激励技术研究进展

　　超声电机是靠压电陶瓷的逆压电效应激发振子共振,利用振子、动子之间的摩擦耦合来推动动子运动的。通过对粘接在弹性基体上的压电陶瓷施加交流电场,可以在弹性体内激发机械波,机械波的传播会引发复合振子的振动[1]。当激励信号的频率等于振子的谐振频率时,振子发生谐振,谐振振幅远大于非谐振状态下的强迫振动振幅。振子的弹性变形会引起振子和动子接触面微观领域的相对位移,这种位移在超声频段振动下累积,可以实现动子在宏观领域的定向运动。

　　超声电机振子的质量和刚度都是分布参数,具有无穷多个自由度,即有无穷多个振动模态。利用拉格朗日方程可建立系统的振动微分方程,解方程可以得到各阶谐振频率及相应的特征向量。特征向量表达了各质点作简谐振动时,各质点振动幅值的相对大小,即系统的固有振型[2]。

　　超声电机工作时存在着二个能量转换过程,即利用逆压电效应将电能转换为复合振子的机械能和将复合振子的机械能通过摩擦耦合转换为动子机械能。机电能量转换率在很大程度上取决于振子的振动模态,振子的振型不仅决定着电机的输出特性,同时也决定着电机的力矩输出形式。超声电机振子的振型的激发取决于激励信号类型、频率及激励施加的位置[3]。超声电机有各种结构和分类方法[4, 5]。根据合成振子和动子接触面质点的周期运动所需的模态数目,超声电机振型激励技术可以分为单一振动模态类、两同频振动模态叠加类和多个振动模态叠加类。文中介绍了各类振型激励方式中具有代表性的超声电机的振子振型激励原理和特点。最后对超声电机振型激励技术的发展进行了展望。

　　1　单一振动模态类

　　1·1　单一振动模态分解方式

　　单一振动模态分解是最基本的振型激励方式,原理上只要弹性体发生振动,就可以利用某一方向上的振动推动动子运动。采用单一振动模态分解激振方式的超声电机只激发出一个共振模态,如图1所示,复合振子的振动方向为z方向,驱动足的振动方向与振、动子接触面的法向方向存在夹角α,复合振子沿z方向的振动模态可以分解为沿动子移动方向和垂直于动子移动方向的两个垂直模态的叠加。假定驱动足上质点的振动方程为:

　　可见单一模态分解超声电机驱动足表面质点的运动轨迹为直线,振子对动子的作用力为一连串具有倾斜角度的冲击力。早期的超声电机多采用单一振动模态分解的激励方式,这类超声电机结构简单而紧凑,但这类超声电机的振子和动子的接触区域多为单点接触,预应力施加比较困难,且接触面材料磨损比较严重;振子的动子间相互作用力为间歇性冲击力,使电机运行不平稳;这类超声电机还需要通过改变激励频率或激励位置来激发其它的振动模态来改变动子的运动方向,使控制、驱动电路比较复杂。典型的单一模态分解方式超声电机有纵向振动式[6],面内振动式[7]。采用单一振动模态分解激励方式的超声电机还有以下三种类型: