摘要：提出了一种基于薄板面内振动的纵弯模式驻波直线超声波电动机。利用定子一阶纵振和二阶弯振的复合振动使得定子驱动足上质点的运动轨迹为椭圆，在两驱动头的上方紧压一直线导轨，驱动头的椭圆运动通过两者的接触表现为导轨的左右直线运动。讨论了该电机的驱动机理，并对电机的输出特性做了初步的实验研究。
直线超声波电动机作为超声波电动机的一个分类，它也是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子与动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转化成为动子宏观的直线运动，直接推动负载。。直线超声波电动机具有体积小、反应快、不受磁场干扰、定位准确等特点，适用于真空环境，无需运动转换机构，可以直接驱动。本文提出了一种双驱动足定子并详细论述了其结构设计原理。
图1为我们研制的直线超声波电动机定子的结构，其结构分为两部分，其一为矩形薄板压电陶瓷，另一部分是振动片，它们的尺寸是用有限元多次分析比较两种振动模态频率优化之后确定的。其上两个振动头对称分布于振动片长边。电机驱动振子(定子)的结构包含两部分，一是矩形薄板压电陶瓷，材料为PzT一8，结构尺寸为64 mmxl6 mm×3 mm；二是振动片，材料为磷青铜，上面有两个驱动头尺寸为3 mm×3 mm×3mm，对称分布在振动片长边的中间位置，两头中心距为25 mm。
种振动模态频率保持一致性，这说明r该驱动振子设计得比较合理。
2电机的工作原理
2 l压电陶瓷的极化情况与激励方案电机所采用的矩形压电陶瓷薄板的分区与极化情况如图4所示：矩形压电陶瓷片正面均匀划分为四个分区，各分区极化方向为沿厚度方向极化。四个分区间留有1 mm的平行间距，矩形压电陶瓷片的背面为全电极(负极)，通常接地。
为了激励出振子所需要的工作振动模态，在上述压电陶瓷片正面的各对角的分区上同时施加交流电压信号sint和coswt，压电陶瓷片反面全电极接地。矩形压电陶瓷的面内工作振动模态的激励方案如图5所示。对角线分区分别施加相位差为90°的正余弦电压信号。它们在一个周期内的波动情况如图6所示．
2 2电机的工作原理
下面就驱动振子面内振动工作模态随着激励电压在一个周期内的变化情况分析如下：
同正号，根据逆压电效应及压电陶瓷材料的d。不为零。所有的正分区在长度方向上向作扩张运动，整个振子在横向伸长，表现为面内l1振动模态，而面内B．"振动模态没有得到激发，振子振动情况如图7a所示。
eos wt为负号，接正信号sinwt的正分区在跃度方向上作扩张运动，而接负信号cos wt的正分区在长度方向上作收缩运动，振子表现为面内振动模态B，这时振动模态L1没有得到有效的激励，振子振动情况如图7b所示。
子表现为面内振动模态L，，这时振动模态bu2有得到有效的激励，振子振动情况如图7c所示。
上式为标准的椭囤方程，椭圆轨迹得以形成，椭圆向右运动，所以与驱动头接触的导轨表现为向右运动。
如果在两个分区上相互切换电压信号，驱动头的椭圆运动轨迹同样可以形成，y方向的振动保持不变，x方向的振动则异号，椭圆轨迹的旋转方向如图8b所示和没有相互切换电压信号时的方向正好相反，椭圆向左运动，所以与驱动头接触导轨表现为左向运动．
3纵弯模式驻波直线超声波电动机原理样机与试验
直线超声波电动机振动系统是基于谐振原理设计的，对于这样的一个振动系统而言，当驱动频率、预压力、输入电压发生变化时，它的振动状态都会相
应地发生改变，振动状态的变化将会导致电机输出特性发生变化。
根据没计而制作的样机如图9所示。
3 l频率一速度关系
当驱动头与直线导轨问预压力F=8 N、实验电源的输入电压为6 v的情况下，测试了电源输出频率变化对应电机速度变化的曲线图．如图10所示。
由上面的曲线可以得到：在同一预压力和驱动电压下，电机的输出速度随着频率的升高而升高，当电机的驱动频率，v=26 6 kHz时，导轨的运行速度****，v=25 5 mm／s，随后电机的输出速度将随着驱动频率的升高而降低。说明该频率，v=26．6 kHz是电机在这种条件下的谐振频率点。
另外在实验中我们发现，在不同预压力和不同激励电压下，电机的一阶和二阶共振频率会有所不同，频率可调范围均在24～28 kHz之间，电机获得速度的****点均在26 6 kHz左右。
3 2预压力一速度关系
直线超声波电动机的定子和导轨之间通过一定的预压力接触，才能产生足够大的摩擦力推动导轨行走，所以预压力对电机的输出特性重要的影响。
定子和导轨之间的摩擦力太大或太小，电机都不能正常起动或者达不到电机的理想输出效果。
电机通过螺栓和压簧加预压力，通过测试弹簧的变形量来计算预压力，并测试了电机导轨的运行速度。在驱动电源的输入电压为6 V、驱动频率在谐振频率，=26 6 kHz时测试了电机的预压力大小与速度的关系，曲线图如图11所示。
电机的驱动频率和输入电压不变的情况下，不同的预压力对于电机有着不同的输出特性。通过以上曲线町知，定动子问正预压力的可调范围在6～9N之间，当对电机定动子施加正压力F=8 N，观测到了电机输出的****速度值v=25.5 mm／s。
3 3输入电压一速度关系本实验在定动子****预压力F=8 N，电机驱动频率在谐振频率v=26．6 kHz的情况下，测试了电机的电源输八电压和电机速度的关系，曲线图如图12所示。
电源输入电压增大，电机的驱动电压也随之增大，压电陶瓷的逆压电效应增强，振动幅值增大，当电压增至一定值时，振动幅值趋于饱和，速度不会再有大的变化。从以上曲线可以看出，在****预压力及谐振频率的情况下，当电源输入电压为6 V时，我们得到了电机的****速度约为v=25．5 mm/s在各输入点对电机的输出推力均进行吊码测试，得到电机的****输出推力约为2 5 N。
4结语
本文分析了纵弯模式驻波直线超声波电动机的运动机理、驱动头椭圆轨迹的生成，并对电机的整体结构进行设计，制成了样机。该样机具有制作简单、体积小、响应快速的优点，通过实验得到样机在****预压力F=8 N、谐振频率，=26 6 kHz时，电机的****速度为w=25 5 mm/s
