本發(fā)明屬于精密驅(qū)動與定位技術(shù)領域，具體地說，它涉及一種直線壓電馬達。

背景技術(shù)：

壓電馬達利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉(zhuǎn)化為機械能。由于其尺寸小、力矩大、精度高、低速性能好、無電磁干擾等優(yōu)點在航天、導彈、機器人及精密儀器等領域有著廣闊的應用前景。直線壓電馬達具有直接輸出直線運動、斷電自鎖的特點，目前已應用在精密定位系統(tǒng)、生物注射儀器、手機攝像頭、汽車電動遙控反光鏡中。

目前，直線壓電馬達主要分為行波馬達、駐波馬達、準靜態(tài)馬達等。行波馬達利用兩個以上的振源合成行波在定子與動子接觸面形成橢圓運動以驅(qū)動動子運作，但為防止行波的反射，通常的行波馬達設計為環(huán)形或增添吸波裝置導致體積較大，微型化困難。駐波馬達主要利用振子單一振動或者振子的彎、縱、扭振動模態(tài)復合成橢圓運動以驅(qū)動動子運動，其結(jié)構(gòu)種類繁多且較為復雜。準靜態(tài)馬達主要包含慣性沖擊式馬達、尺蠖馬達等，慣性沖擊式馬達結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、驅(qū)動力較大，分辨率高，但其采用非對稱波形激發(fā)運動，摩擦表面工作粗暴，存在滑動摩擦，磨損快，相應的效率低，壽命較短。尺蠖馬達通過三組壓電元件的配合引導動子單向運動，無滑動摩擦，效率高，輸出力大（可達上千n），但其結(jié)構(gòu)和控制電路都較為復雜，且工作頻率低導致其輸出速度較低。綜上所述，新型直線電機需要滿足體積小，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，且具有較高的輸出力和速度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于為了解決上述問題，提供了一種新型的直線壓電馬達。

該直線壓電馬達包括驅(qū)動預緊機構(gòu)、輸出機構(gòu)和軸承座2；

所述驅(qū)動預緊機構(gòu)包括一對驅(qū)動振子，一對驅(qū)動振子通過一對直立的燕尾座4對稱設于底座7上，且可在底座7上調(diào)整位置，定位桿10貫穿連接著一對燕尾座4；一對驅(qū)動振子由第一驅(qū)動振子61和第二驅(qū)動振子62組成，第一驅(qū)動振子61上設有第三壓電片63，第二驅(qū)動振子62上設有第四壓電片64；

所述輸出機構(gòu)包括輸出桿1，輸出桿1的中部沿軸向設有中字形框架；中字形框架的一側(cè)邊桿是第一振動片51，第一振動片51上設有第一壓電片53，另一側(cè)邊桿是第二振動片52，第二振動片52上設有第二壓電片54；輸出桿1的兩側(cè)分別通過直線軸承3和一對軸承座2的配合設于底座7的上方；所述一對軸承座2位于底座7的兩側(cè)；

所述一對驅(qū)動振子垂直于輸出桿1的中部，其中第一驅(qū)動振子61對應位于第一壓電片53的外側(cè)，第二驅(qū)動振子62對應位于第二壓電片54的外側(cè)；

設振動片含壓電片的一面為內(nèi)側(cè)，背面為外側(cè)；設驅(qū)動振子含壓電片的一面為左側(cè)，背面為右側(cè)。

工作時，分別向第一壓電片53、第二壓電片54、第三壓電片63和第四壓電片64輸入近似合成的方波信號，引發(fā)第一振動片51、第二振動片52和一對驅(qū)動振子的共振，使第一振動片51、第二振動片52和一對驅(qū)動振子均工作在諧振狀態(tài)下；

第一種工況時，按如下步驟完成一個動作周期：

步驟1：第一壓電片53、第二壓電片54和第三壓電片63、第四壓電片64都施加正電平，第一振動片51、第二振動片52向外側(cè)彎曲，一對驅(qū)動振子向右側(cè)偏移；

步驟2：第一壓電片53、第二壓電片54保持正電平，第三壓電片63、第四壓電片64施加負電平，第一振動片51、第二振動片52保持向外側(cè)彎曲，一對驅(qū)動振子向左側(cè)偏移推動輸出機構(gòu)向左運動；

步驟3：第一壓電片53、第二壓電片54和第三壓電片63、第四壓電片64都施加負電平，第一振動片51、第二振動片52向內(nèi)側(cè)彎曲，一對驅(qū)動振子保持向左側(cè)偏移；

步驟4：第一壓電片53、第二壓電片54保持負電平，第三壓電片63、第四壓電片64施加正電平，第一振動片51、第二振動片52保持向內(nèi)側(cè)彎曲，一對驅(qū)動振子向右側(cè)偏移；

第一種工況實現(xiàn)了輸出桿1驅(qū)動力矩大，運行速度慢的驅(qū)動方式；

第二種工況時，按如下步驟完成一個動作周期：

步驟1：第一壓電片53施加負電平、第二壓電片54施加正電平，第三壓電片63施加負電平、第四壓電片64施加正電平，第一振動片51向內(nèi)側(cè)彎曲、第二振動片52向外側(cè)彎曲，第一驅(qū)動振子61向左側(cè)偏移、第二驅(qū)動振子62向右側(cè)偏移；

步驟2：第一壓電片53保持負電平、第二壓電片54保持正電平，第三壓電片63施加正電平、第四壓電片64施加負電平；第一振動片51保持向內(nèi)側(cè)彎曲、第二振動片52保持向外側(cè)彎曲，第一驅(qū)動振子61向右側(cè)偏移、第二驅(qū)動振子62向左側(cè)偏移推動輸出機構(gòu)向左運動；

步驟3：第一壓電片53施加正電平、第二壓電片54施加負電平，第三壓電片63保持正電平、第四壓電片64保持負電平；第一振動片51向外側(cè)彎曲、第二振動片52向內(nèi)側(cè)彎曲，第一驅(qū)動振子61保持向右側(cè)偏移、第二驅(qū)動振子62保持向左側(cè)偏移；

步驟4：第一壓電片53保持正電平、第二壓電片54保持負電平，第三壓電片63施加負電平、第四壓電片64施加正電平；第一振動片51保持向外側(cè)彎曲、第二振動片52保持向內(nèi)側(cè)彎曲，第一驅(qū)動振子61向左側(cè)偏移推動輸出機構(gòu)向左運動、第二驅(qū)動振子62向右側(cè)偏移；

第二種工況實現(xiàn)了輸出桿1驅(qū)動力矩小，運行速度快的驅(qū)動方式。

進一步限定技術(shù)方案如下：

所述近似合成的方波信號由兩個頻率比為1:3的正弦信號合成，兩個頻率中的一個頻率為2199.2hz，另一個頻率為6766.8hz。

所述輸出桿1的兩端為光軸，其中一端連接著限位塊12，所述限位塊12對應位于一側(cè)軸承座2一側(cè)的頂部，起限制輸出桿1轉(zhuǎn)動的作用。

所述軸承座2為立方體，頂部呈二級階梯狀，二級階梯相鄰處開設有直立下凹的深槽；所述輸出桿1上的限位塊12位于相對較低的軸承座2的頂部。

所述輸出桿1上中字形框架兩側(cè)邊桿是對稱的條狀第一振動片51和第二振動片52；第一振動片51和第二振動片52內(nèi)側(cè)設有凹槽，第一壓電片53粘貼在第一振動片51的凹槽中部，第二壓電片54粘貼在第二振動片52的凹槽中部。

所述第一驅(qū)動振子61和第二驅(qū)動振子62結(jié)構(gòu)相同；第一驅(qū)動振子61的一端為等腰三角形，另一端設有第三壓電片63和連接板66，第一驅(qū)動振子61通過連接板66固定在燕尾座4的上部，燕尾座4的下部為燕尾塊42，底座7上開設有燕尾槽71，燕尾座4通過燕尾塊42和燕尾槽71的配合設于底座7上；燕尾塊42和燕尾槽71之間為間隙配合。

第一驅(qū)動振子61的等腰三角形中部設有菱形鏤空65。

所述定位桿10的兩端為螺桿；定位桿10的兩端分別穿過一對燕尾座4的下部，定位桿10兩端的螺桿上分別配合設有預緊螺母9，在燕尾座4和預緊螺母9之間的螺桿上套設有彈簧8。

所述第一振動片51、第二振動片52、第一驅(qū)動振子61和第二驅(qū)動振子62的材料均為65mn鋼。

所述第一壓電片53、第二壓電片54、第三壓電片63和第四壓電片64的材料均為壓電陶瓷材料。（具體型號為pzt-4，其中pzt為鋯鈦酸鉛，pzt-4為在鋯鈦酸鉛的基礎上用鈣、鍶、鋇置換部分鉛，用錫置換鋯而做出的材料。）

本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：

1．本發(fā)明利用波形合成原理控制振動片和驅(qū)動振子的彎振模態(tài)，從而形成兩者的協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)直線運動，且理論上不產(chǎn)生滑動摩擦力，能量損耗少，效率高。

2．本發(fā)明工作頻率在2000hz以上，輸出速度高，且具有兩種工作狀態(tài)，可通過改變第一、第二驅(qū)動振子的高低電平配合實現(xiàn)低速大力矩輸出和高速小力矩輸出。

3．本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，體積較?。?0cm以下）裝配方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明輸出機構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明驅(qū)動振子示意圖。

圖4為本發(fā)明燕尾座示意圖。

圖5為本發(fā)明底座示意圖。

圖6為本發(fā)明軸承座示意圖。

圖7（a）（b）（c）（d）（e）為本發(fā)明的近似方波合成示意圖。

圖8為本發(fā)明工作原理示意圖工況一。

圖9為本發(fā)明工作原理示意圖工況二。

上圖中序號：輸出桿1、限位塊12、軸承座2、軸承孔21、工藝槽22、直線軸承3、燕尾座4、立柱41、燕尾塊42、第一振動片51、第二振動片52、第一壓電片53、第二壓電片54、第一驅(qū)動振動子61、第二驅(qū)動振動子62、第三壓電片63、第四壓電片64、菱形鏤空65、連接板66、底座7、燕尾槽71、彈簧8、預緊螺母9、定位桿10。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。

實施例

參見圖1，一種直線壓電馬達包括驅(qū)動預緊機構(gòu)、輸出機構(gòu)和軸承座2。

驅(qū)動預緊機構(gòu)包括一對驅(qū)動振子。一對驅(qū)動振子通過一對直立的燕尾座4對稱安裝于底座7上，且可在底座7上調(diào)整位置。定位桿10貫穿連接著一對燕尾座4；定位桿10的兩端為螺桿，定位桿10的兩端分別穿過一對燕尾座4的下部，定位桿10兩端的螺桿上分別配合連接著預緊螺母9，在燕尾座4和預緊螺母9之間的螺桿上套裝有彈簧8。一對驅(qū)動振子由第一驅(qū)動振子61和第二驅(qū)動振子62組成，參見圖3，第一驅(qū)動振子61上設有第三壓電片63，第二驅(qū)動振子62上設有第四壓電片64；

參見圖2，輸出機構(gòu)包括輸出桿1，輸出桿1的兩端為光軸，其中一端連接著限位塊12，輸出桿1的中部沿軸向設有中字形框架；中字形框架兩側(cè)邊桿是對稱的條狀第一振動片51和第二振動片52；第一振動片51和第二振動片52內(nèi)側(cè)設有凹槽，第一壓電片53粘貼在第一振動片51的凹槽中部，第二壓電片54粘貼在第二振動片52的凹槽中部。

參見圖1，輸出桿1的兩側(cè)分別通過直線軸承3和一對軸承座2的配合安裝于底座7的上方；一對軸承座2位于底座7的兩側(cè)。參見圖6，軸承座2為立方體，頂部呈二級階梯狀，二級階梯相鄰處開設有直立下凹的深槽；輸出桿1上的限位塊12位于相對較低的軸承座2的頂部，起限制輸出桿1轉(zhuǎn)動的作用。

參見圖1，一對驅(qū)動振子垂直于輸出桿1的中部，其中第一驅(qū)動振子61對應位于第一壓電片53的外側(cè)，第二驅(qū)動振子62對應位于第二壓電片54的外側(cè)。

參見圖3，第一驅(qū)動振子61和第二驅(qū)動振子62結(jié)構(gòu)相同。第一驅(qū)動振子61的一端為等腰三角形，等腰三角形中部設有菱形鏤空65，另一端設有第三壓電片63和連接板66。由圖1可見，第一驅(qū)動振子61通過連接板66固定在燕尾座4的上部。

參見圖4和圖5，燕尾座4的下部為燕尾塊42，底座7上開設有燕尾槽71，燕尾座4通過燕尾塊42和燕尾槽71的配合安裝于底座7上，燕尾塊42和燕尾槽71之間為間隙配合。

第一振動片51、第二振動片52、第一驅(qū)動振子61和第二驅(qū)動振子62的材料均為65mn鋼。

第一壓電片53、第二壓電片54、第三壓電片63和第四壓電片64的材料均為壓電陶瓷材料。具體型號為pzt-4，其中pzt為鋯鈦酸鉛，pzt-4為在鋯鈦酸鉛的基礎上用鈣、鍶、鋇置換部分鉛，用錫置換鋯而做出的材料。

本發(fā)明的工作原理具體說明如下：

設振動片含壓電片的一面為內(nèi)側(cè)，背面為外側(cè)；設驅(qū)動振子含壓電片的一面為左側(cè)，背面為右側(cè)。

工作時，向壓電片輸入近似合成的方波信號，該信號由兩個頻率比為1:3的正弦信號合成，確切頻率為2199.2hz、6766.8hz能夠引發(fā)驅(qū)動振子的共振使驅(qū)動振子工作在諧振狀態(tài)下。

第一種工況時，按如下步驟完成一個動作周期：

步驟1：第一壓電片53、第二壓電片54和第三壓電片63、第四壓電片64都施加正電平，第一振動片51、第二振動片52向外側(cè)彎曲，一對驅(qū)動振子向右側(cè)偏移；

步驟2：第一壓電片53、第二壓電片54保持正電平，第三壓電片63、第四壓電片64施加負電平，第一振動片51、第二振動片52保持向外側(cè)彎曲，一對驅(qū)動振子向左側(cè)偏移推動輸出機構(gòu)向左運動；

步驟3：第一壓電片53、第二壓電片54和第三壓電片63、第四壓電片64都施加負電平，第一振動片51、第二振動片52向內(nèi)側(cè)彎曲，一對驅(qū)動振子保持向左側(cè)偏移；

步驟4：第一壓電片53、第二壓電片54保持負電平，第三壓電片63、第四壓電片64施加正電平，第一振動片51、第二振動片52保持向內(nèi)側(cè)彎曲，一對驅(qū)動振子向右側(cè)偏移；

第一種工況實現(xiàn)了輸出桿1驅(qū)動力矩大，運行速度慢的驅(qū)動方式；

第二種工況時，按如下步驟完成一個動作周期：

步驟1：第一壓電片53施加負電平、第二壓電片54施加正電平，第三壓電片63施加負電平、第四壓電片64施加正電平，第一振動片51向內(nèi)側(cè)彎曲、第二振動片52向外側(cè)彎曲，第一驅(qū)動振子61向左側(cè)偏移、第二驅(qū)動振子62向右側(cè)偏移；

步驟2：第一壓電片53保持負電平、第二壓電片54保持正電平，第三壓電片63施加正電平、第四壓電片64施加負電平；第一振動片51保持向內(nèi)側(cè)彎曲、第二振動片52保持向外側(cè)彎曲，第一驅(qū)動振子61向右側(cè)偏移、第二驅(qū)動振子62向左側(cè)偏移推動輸出機構(gòu)向左運動；

步驟3：第一壓電片53施加正電平、第二壓電片54施加負電平，第三壓電片63保持正電平、第四壓電片64保持負電平；第一振動片51向外側(cè)彎曲、第二振動片52向內(nèi)側(cè)彎曲，第一驅(qū)動振子61保持向右側(cè)偏移、第二驅(qū)動振子62保持向左側(cè)偏移；

步驟4：第一壓電片53保持正電平、第二壓電片54保持負電平，第三壓電片63施加負電平、第四壓電片64施加正電平；第一振動片51保持向外側(cè)彎曲、第二振動片52保持向內(nèi)側(cè)彎曲，第一驅(qū)動振子61向左側(cè)偏移推動輸出機構(gòu)向左運動、第二驅(qū)動振子62向右側(cè)偏移；

第二種工況實現(xiàn)了輸出桿1驅(qū)動力矩小，運行速度快的驅(qū)動方式。

本發(fā)明中的近似方波合成原理說明如下：

根據(jù)方波的傅里葉分解公式可知方波可由不同振幅，頻率為基頻奇數(shù)倍的諧波合成，考慮到設計的復雜性以及三級以上高次諧波的振幅系數(shù)較小，忽略三級以上諧波，本實施例僅利用方波傅里葉分解的前兩級諧波來合成近似諧振方波。前兩階諧波的頻率比為1:3。

利用第一振動片51、第二振動片52的第一、三階彎振頻率和第一驅(qū)動振子61、第二驅(qū)動振子62的第一、二階彎振頻率作為近似方波合成的前兩級諧波頻率。根據(jù)方波的傅里葉分解公式，振動片的第一、三階彎振頻率比和驅(qū)動振子的第一、二階彎振頻率比必須為1:3，通過調(diào)整振動片和驅(qū)動振子的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。經(jīng)matlab仿真計算得：當幅值比為4:1時，合成的近似方波形狀較為理想，如圖7（e）所示。

圖2中第一振動片51、第二振動片52呈長條狀，中段一側(cè)設凹槽，該槽為頻率調(diào)整槽，保證其第一、三階彎振頻率比為1:3。

圖3中第一驅(qū)動振子61、第二驅(qū)動振子62的上端做變窄處理形成等腰三角形狀，銳角處有菱形鏤空65，保證其第一、二階彎振頻率比為1:3。

圖7（a）（b）（c）（d）（e）是本發(fā)明實施例中的近似方波合成示意圖，根據(jù)方波的傅里葉分解，當振動片第一、三階彎曲振型頻率比為1:3，驅(qū)動振子第一、二階彎振頻率為1:3，且幅值比為4:1時所合成的波形接近方波且效果較好。

圖8與圖9是本發(fā)明實施例所提出的一種直線壓電馬達工作原理示意圖。

圖8所示為第一種工況：

在t0時刻，方波信號x為正值，與其對應的第一驅(qū)動振子61、第二驅(qū)動振子62向右側(cè)偏移；方波信號y瞬間變?yōu)檎?，與其對應的第一振動片51、第二振動片52向外側(cè)彎曲。

在t0到t1過程中，方波信號y保持正值半周期，第一振動片51、第二振動片52仍讓向外側(cè)彎曲；方波信號x在期間變?yōu)樨撝担瑢牡谝或?qū)動振子61、第二驅(qū)動振子62由右向左側(cè)擺動，推動第一振動片51、第二振動片52連帶輸出桿向左移動一個微小步距δs；

在t1時刻，方波信號x保持負值；對應的第一驅(qū)動振子61、第二驅(qū)動振子62保持向左側(cè)偏移；方波信號y瞬間變?yōu)樨撝?，對應的第一振動?1、第二振動片52向內(nèi)側(cè)彎曲。

在t1到t2過程中，方波信號y保持負值半周期，第一振動片51、第二振動片52保持向內(nèi)側(cè)彎曲；方波信號x在期間變?yōu)檎担瑢牡谝或?qū)動振子61、第二驅(qū)動振子62由左側(cè)擺回右側(cè)，與第一振動片51、第二振動片52不產(chǎn)生接觸；

在t2時刻，方波信號x保持正值，對應的第一驅(qū)動振子61、第二驅(qū)動振子62保持向右側(cè)偏移；方波信號y瞬間變?yōu)檎?，對應的第一振動?1、第二振動片52向外側(cè)彎曲，準備進入下一個周期。該工況下，由于兩個驅(qū)動振子同時產(chǎn)生推力，傳輸力矩大，但周期內(nèi)存在空程，輸出速度較低。

圖9所示第二種工況：

在t0時刻，方波信號x1為負值、x2為正值，對應的第一驅(qū)動振子61向左側(cè)偏移、第二驅(qū)動振子62向右側(cè)偏移；方波信號y1瞬間變?yōu)樨撝?、y2瞬間變?yōu)檎担瑢牡谝徽駝悠?1向內(nèi)側(cè)彎曲、第二振動片52向外側(cè)彎曲。

在t0到t1過程中，方波信號y1保持負值半周期、y2保持正值半周期，第一振動片51仍向內(nèi)側(cè)彎曲、第二振動片52仍向外側(cè)彎曲；方波信號x1在期間變?yōu)檎?、x2變?yōu)樨撝?，對應第一?qū)動振子61由左向右擺動與第一振動片51不接觸，第二驅(qū)動振子62由右向左擺動推動第二振動片52連帶輸出桿向左運動一個微小步距δs1；

在t1時刻，方波信號x1保持正值、x2保持負值，對應第一驅(qū)動振子61保持向右側(cè)偏移，第二驅(qū)動振子62保持向左側(cè)偏移；方波信號y1瞬間變?yōu)檎?、y2瞬間變?yōu)樨撝?，對應的第一振動?1向外側(cè)彎曲、第二振動片52向內(nèi)側(cè)彎曲；

在t1到t2過程中，方波信號y1保持正值半周期、y2保持負值半周期，第一振動片51仍向外側(cè)彎曲、52仍向內(nèi)側(cè)彎曲；方波信號x1在期間變?yōu)樨撝怠2變?yōu)檎?，對應第一?qū)動振子61由右向左擺動推動第一振動片51連同輸出桿向左再運動一個微小步距δs2、第二驅(qū)動振子62由左向右擺動與第二振動片52不接觸。

在t2時刻，方波信號x1保持負值、x2保持正值，第一驅(qū)動振子61保持向左側(cè)偏移，第二驅(qū)動振子62保持向右側(cè)偏移；方波信號y1瞬間變?yōu)樨撝?、y2瞬間變?yōu)檎?，對應第一振動?1向內(nèi)側(cè)彎曲、第二振動片52向外側(cè)彎曲，準備進入下一個周期。在該工況下，由于只有一個驅(qū)動振子產(chǎn)生推力，傳輸力矩較小，但周期內(nèi)無空程，輸出速度快。

以上內(nèi)容并非對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、形狀作任何形式上的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。