【分　 类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 超声电机；行波；双接触面；振子
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正文：

ξ0

x

z

λ

 
 

动子2

动子1

振 子

 
 
 
 
 
图2 驱动方式                                          图3 振子振动机理
粘贴在振子两侧的压电陶瓷环尺寸、极化方式、分区方式一样，仅是粘贴时在圆周方向上位置相差λ/4（λ为波长）。分别用同频、同幅的sin和cos信号同时激励两片压电陶瓷片，将在振子圆环表面的圆周上形成行波。
假设振子的结构关于z轴对称，厚度为h，振子上、下表面到中性层的距离h₀ =h /2，如图3所示。
振子弯曲变形后，其横向振动幅值为ξ₀，由于弯曲角φ很小，其上表面任一点P由初始位置P₀到P的横向位移ξ_P和纵向位移ζ_P可表示为
                                                        (1)
                                            (2)式中k=2π/λ。横向位移ξ_P和纵向位移ζ_P之间的关系满足椭圆运动方程
                                                   (3)
下表面q点与上表面P点在x轴方向上坐标相差λ/2，即x_q=x_p+λ/2，在z轴方向上坐标符号相反，即z_q=－z_p=－h₀。则q点由初始位置q₀到q的横向位移ξ_q和纵向位移ζ_q可表示为
                       (4)
                 (5)
并且，横向位移ξ_P和纵向位移ζ_P之间的关系也满足椭圆运动方程。
由式(4)、(5)可知，距中性层等距、周向位置相差λ/2的上下表面相对应的点，横向位移相反、纵向位移相同；其椭圆轨迹形状相同，但运动方向相反，如图3所示。在预压力作用下，上下表面的质点给与动子1、动子2的摩擦驱动力方向相同，从而实现双面驱动。
2 有限元分析
对于行波超声电机，振子表面质点的纵向位移更为重要，它的大小决定着电机的性能^[2]。由式(2)可知，对于厚度相同的振子，振动波数相同，则振子表面质点的纵向位移幅值由合成该行波的驻波振幅决定。驻波振幅越大，则行波超声电机的纵向振动幅值就越大，行波超声电机的性能就越优。
因此，本文利用ANSYS软件，分析振子固定（即支承，下同）方式、压电陶瓷片的粘贴位置、驱动齿环的位置的不同，对驱动齿处振幅分布的影响。
图4为粘有压电陶瓷片的振子结构示意图。(a)、(b)、(c)为内圈固定的三种振子，(d)、(e)、(f)为外圈固定的三种振子。其中(a)和 (d)振子压电陶瓷片粘贴在驱动齿环内侧，其余4个振子压电陶瓷片粘贴在驱动齿环外侧。六种振子的轴向尺寸一致，径向尺寸如表1所示。
 
 
 
 
 

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