一种带有外伸梁结构的弹簧定子超声电机技术领域
本发明涉及一种超声电机，尤其涉及一种带有外伸梁结构的弹簧定子超声电机。
背景技术
超声电机是一种利用压电元件的逆压电效应、弹性体超声频域内的谐振和定、转
子之间的摩擦传动实现致动输出的新型电机。不同于电磁电机，超声电机直接将输入电能
转化成机械能输出，不需要线圈，所以不受磁场干扰，也不产生磁场。除此之外，超声电机还
具有结构紧凑、响应快、控制精度高、能量密度大、转速低力矩大且无噪声污染等优点。尺寸
在毫米量级的微型超声电机，由于更为短小轻薄的结构，在微创医疗、精密仪器和航空航天
等对驱动器尺寸要求更严格的领域有广阔的应用前景。
中国专利文献公开了几种微型超声电机，但它们都使用管状或者柱状结构的定
子。管状定子由于中孔的存在，制约了结构上进一步的微型化；柱状定子虽然可以对定子进
行微型化设计，但实心结构易造成散热不良等问题；管状与柱状定子都使用类似压紧螺杆
结构进行装配，工序较复杂，而且对零件的加工精度要求很高。
发明内容
针对上述技术缺陷，本发明提供一种带有外伸梁结构的弹簧定子超声电机，其有
利于解决柱类定子的散热问题，此外，由于弹簧定子结构简单紧凑，更有利于结构尺寸上的
微型化。
本发明的解决方案是：一种带有外伸梁结构的弹簧定子超声电机，其包括转子、定
子、外伸梁、若干压电陶瓷；定子采用弹簧定子，该电陶瓷包括两片A相压电陶瓷和一片B相
压电陶瓷；该弹簧定子为一段截面是方形或圆形的金属丝，按照圆柱螺旋曲线以转子为中
心轴线绕制而成；B相压电陶瓷固定在外伸梁背对着该弹簧定子的一侧上，两个A相压电陶
瓷分别固定在外伸梁的相对两侧上且均与B相压电陶瓷相邻，外伸梁面对着该弹簧定子一
侧的两端分别垂直固定在该金属丝的两端上，该金属丝两端之间的连线沿转子的轴线方向
延伸且使固定在该金属丝两端上的外伸梁与转子的轴线并行。
作为上述方案的进一步改进，在两片A相压电陶瓷施加sin正弦电压，在B相压电陶
瓷施加cos余弦电压，外伸梁接地；该弹簧定子的内表面为驱动面，用于驱动转子转动，该弹
簧定子激发在两个相互垂直的方向上均产生一阶弯曲振动模态，叠加形成驱动行波。
作为上述方案的进一步改进，B相压电陶瓷在施加电压激励后，激发该弹簧定子在
垂直方向上产生一阶弯曲振动；两片A相压电陶瓷在施加电压激励后，产生交替的拉压与伸
缩变形，使激发该弹簧定子在水平方向产生一阶弯曲振动。
进一步地，当B相压电陶瓷和A相压电陶瓷同时施加电压激励时，该弹簧定子中同
时存在时间与空间上相位均相差90°的两个一阶弯曲振动模态，此时该弹簧定子的内表面
的质点便以椭圆轨迹运动；改变两相激励的相位差实现质点反向转动。
作为上述方案的进一步改进，该金属丝两端弯曲90度形成连接外伸梁的支座。
进一步地，外伸梁与该弹簧定子上的支座用螺钉或焊接的方式连接，且保证外伸
梁与该弹簧定子的中心轴线相互平行。
作为上述方案的进一步改进，外伸梁包括条形梁和位于条形梁两端的两个连接
臂，两个连接臂分别朝该金属丝的两端延伸以分别固定在该金属丝的两端上。
进一步地，条形梁的横截面为矩形，条形梁上背对着两个连接臂的一侧固定B相压
电陶瓷，条形梁上与两个连接臂相邻的相对两侧分别固定两个A相压电陶瓷。
作为上述方案的进一步改进，两个A相压电陶瓷经过镀银处理，采用导电胶粘贴在
外伸梁上。
作为上述方案的进一步改进，所有压电陶瓷的长度与外伸梁的长度相等，且均沿
外伸梁的厚度方向极化，两个A相压电陶瓷的极化方向相同。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1.本发明使弹簧定子工作时在两个相互垂直的方向上均产生一阶弯曲振动模态，
叠加形成驱动行波，弹簧定子弯曲弹性很大，容易激发，且振幅较大；
2.本发明采用在外伸梁上通过贴片方式固定压电陶瓷，易于压电陶瓷粘贴，加工；
3.本发明通过采用弹簧定子而具有结构简单紧凑、易于微小型化的特点，弹簧定
子的尺寸能达1mm以下。
附图说明
图1为本发明带有外伸梁结构的弹簧定子超声电机的立体结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3a为压电陶瓷极化与加载电压的实体变化图。
图3b为压电陶瓷极化与加载电压的曲线变化图。
图4a为弹簧定子内表面的质点的椭圆运动实体图。
图4b为弹簧定子内表面的质点的椭圆运动曲线图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。
请一并参阅图1及图2，本发明的超声电机设计为一种带有外伸梁结构的弹簧定子
超声电机。超声电机包括转子1、定子2、外伸梁3、若干压电陶瓷。
定子2采用弹簧定子，该弹簧定子为一段截面是方形或圆形的金属丝，按照圆柱螺
旋曲线以转子1为中心轴线绕制而成，因此，工作(如下文介绍)时，弹簧定子在两个相互垂
直的方向上均产生一阶弯曲振动模态，叠加形成驱动行波。
电陶瓷包括两片A相压电陶瓷4和一片B相压电陶瓷5。B相压电陶瓷5固定在外伸梁
3背对着该弹簧定子的一侧上，两个A相压电陶瓷4分别固定在外伸梁3的相对两侧上且均与
B相压电陶瓷5相邻。两个A相压电陶瓷4可经过镀银处理，采用导电胶粘贴在外伸梁3上。B相
压电陶瓷5也可采用导电胶粘贴在外伸梁3上，且压电陶瓷可均沿厚度方向极化。外伸梁3面
对着该弹簧定子一侧的两端分别垂直固定在该金属丝的两端上，该金属丝两端之间的连线
沿转子1的轴线方向延伸且使固定在该金属丝两端上的外伸梁3与转子1的轴线并行。
请结合图3a、图3b、图4a及图4b，本发明的带有外伸梁结构的弹簧定子超声电机基
于模态叠加法产生行波，在驱动点即弹簧定子的内表面的质点处形成椭圆运动。弹簧定子
的内表面作为驱动面，可以驱动转子1转动。沿弹簧外定子圆柱表面轴向固连一块矩形外伸
梁3用以粘贴压电陶瓷。粘贴于外伸梁3上表面的B相压电陶瓷5在施加电压激励后激发弹簧
定子在垂直方向上产生一阶弯曲振动。粘贴于外伸梁3左右表面的两片A相压电陶瓷4在施
加电压激励后产生交替的拉压与伸缩变形，从而激发弹簧定子在水平方向产生一阶弯曲振
动。当两相电压同时激励时，弹簧定子中同时存在时间与空间上相位均相差90°的两个一阶
弯曲振动模态，此时弹簧定子内表面的质点便以椭圆轨迹运动；改变两相激励的相位差可
以实现质点反向转动。
为了方便在弹簧定子的两端上固定外伸梁3，金属丝的两端可弯曲90度形成连接
外伸梁3的支座6。外伸梁3可与该弹簧定子上的支座6用螺钉或焊接的方式连接，且保证外
伸梁3与该弹簧定子的中心轴线相互平行。这样，外伸梁3可固定在弹簧定子两端螺圈90°的
位置处，外伸梁3上用于连接的两块连接板(即下文的两个连接臂32)位于弹簧定子两端螺
圈的同一直线上。
当然，在其他实施例中，也可以不设置支座6，而是通过设计外伸梁3实现相同的目
的。如，外伸梁3可包括条形梁和位于条形梁两端的两个连接臂，两个连接臂32分别朝该金
属丝的两端延伸以分别固定在该金属丝的两端上。条形梁的横截面可为矩形，条形梁上背
对着两个连接臂的一侧固定B相压电陶瓷5，条形梁上与两个连接臂相邻的相对两侧分别固
定两个A相压电陶瓷4。所有压电陶瓷的长度优选与外伸梁3的长度相等，且均沿外伸梁3的
厚度方向极化，两个A相压电陶瓷4的极化方向相同。
综上所述，本发明将定子2设计成弹簧定子的结构，在弹簧定子上激发两个沿轴向
的一阶弯曲振动，这两个弯曲振动模态在空间上是垂直的，当两者激励相差90度相位角时，
这两个弯曲振动按时间交替被激发，在弹簧定子内形成行波。行波的形成使得弹簧定子内
表面质点呈椭圆运动，可以驱动转子1转动，如图3a、图3b、图4a及图4b所示。
结合图3a、图3b说明两相弯曲振动的激励方法。沿弹簧定子的轴向设计一外伸横
梁即外伸梁3的目的是利用粘贴在其上的压电陶瓷激励弯曲振动，三片压电陶瓷分成两相
激励，图1中的B相压电陶瓷5单独作为一相，激励上、下方向的弯曲振动，图1中的两片A相压
电陶瓷4作为一组，共同激励左右方向的弯曲振动。在两片A相压电陶瓷4施加sin正弦电压；
在B相压电陶瓷5施加cos余弦电压；外伸梁3接地。压电陶瓷的极化方向和在某一时刻电场
方向如图2所示，以保护两相弯曲振动的激发和替换。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。