新型直線超聲波電動機(jī)的研究進(jìn)展

陳建毅，林星陵

(廈門城市職業(yè)學(xué)院，廈門 361008)

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新型直線超聲波電動機(jī)的研究進(jìn)展

陳建毅，林星陵

(廈門城市職業(yè)學(xué)院，廈門 361008)

直線超聲波電動機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、可直接驅(qū)動、定位精度高等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。綜述了直線超聲波電動機(jī)的研究概況和進(jìn)展，分析不同類型直線超聲波電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動機(jī)理。

直線超聲波電動機(jī)；V型定子；H型定子；U型定子；塔型定子；面內(nèi)模態(tài)；縱彎模態(tài)

0 引 言

超聲波電動機(jī)是一種全新驅(qū)動原理的微特電機(jī)，具有定位精度高、響應(yīng)快、可直接驅(qū)動負(fù)載、結(jié)構(gòu)簡單且易于微小型化、無電磁干擾等一些獨(dú)特優(yōu)點。因此，在精密儀器、微機(jī)電系統(tǒng)以及航空航天等領(lǐng)域里有著良好的應(yīng)用前景。三十多年來，國內(nèi)外研究學(xué)者開展了大量的研究工作[1-30]，成功研制了多種不同類型的超聲波電動機(jī)。

直線超聲波電動機(jī)是超聲波電動機(jī)一種很重要的類型和分支，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)出定子的超聲振動(微米級)，并借助定子、動子之間的摩擦作用來直接驅(qū)動動子做直線運(yùn)動以及直接驅(qū)動負(fù)載輸出，從而實現(xiàn)將輸入的電能轉(zhuǎn)換為輸出的機(jī)械能[1]。近年來，直線超聲波電動機(jī)發(fā)展迅速，應(yīng)用日益顯著。例如，以色列Nanomotion公司已經(jīng)成功將直線超聲波電動機(jī)應(yīng)用在精密驅(qū)動領(lǐng)域，并實現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。德國、日本、美國等國家也已將這種新型驅(qū)動電機(jī)應(yīng)用在一些高、精、尖的領(lǐng)域里[31]。

近年來，直線超聲波電動機(jī)的研究工作取得了不小的進(jìn)展，已研制出V型結(jié)構(gòu)、H型結(jié)構(gòu)、U型結(jié)構(gòu)等多種不同類型。本文綜述了近年來直線超聲波電動機(jī)的研究成果，對不同類型直線超聲波電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行歸類和分析。

1 V型直線超聲波電動機(jī)

1.1 電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理[5-6]

V型直線超聲波電動機(jī)利用其定子激發(fā)出的2個正交工作模態(tài)(對稱振動模態(tài)和反對稱振動模態(tài))或者縱、彎復(fù)合振動模態(tài)，實現(xiàn)在驅(qū)動足處產(chǎn)生具有驅(qū)動作用的橢圓運(yùn)動軌跡，從而推動動子(導(dǎo)軌)做直線運(yùn)動。圖1為V型定子結(jié)構(gòu)的示意圖[5]，主要由兩個蘭杰文振子(夾心式換能器結(jié)構(gòu))組成，呈左右對稱的V型結(jié)構(gòu)。其中，蘭杰文振子通過預(yù)應(yīng)力螺栓將前端蓋(含驅(qū)動足)、壓電陶瓷片以及后端蓋等部件緊固在一起，同時給壓電陶瓷片施加一定的預(yù)緊力。

圖1 V型定子的結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示[11]，當(dāng)V型定子的左右兩個蘭杰文振子的壓電陶瓷片分別施加兩路相同頻率、相位差90°的激勵信號(A相和B相)時，定子的2個正交工作模態(tài)同時被激發(fā)出，即對稱振動模態(tài)和反對稱振動模態(tài)。如圖2(a)所示為對稱模態(tài)，當(dāng)輸入的兩路激勵信號(A相和B相)同相時，定子工作在對稱振動模態(tài)，左右兩個振子做相同的伸縮運(yùn)動，并在定子的頂點(驅(qū)動足處)合成為垂直方向的往復(fù)運(yùn)動。如圖2(b)所示為反對稱模態(tài)，當(dāng)輸入的兩路激勵信號(A相和B相)反相時，定子工作在反對稱振動模態(tài)，左右兩個振子做相反的伸縮運(yùn)動，并在定子的頂點(驅(qū)動足處)合成為水平方向的往復(fù)運(yùn)動。在這2個正交工作模態(tài)的共同作用下，定子的頂點(驅(qū)動足處)合成了橢圓運(yùn)動軌跡，并借助定子與動子之間摩擦力，實現(xiàn)推動動子(導(dǎo)軌)做直線運(yùn)動。

(a)對稱模態(tài)(垂直)(b)反對稱模態(tài)(水平)

圖2 V型定子的2個工作模態(tài)

1.2 V型直線超聲波電動機(jī)的研究情況

2009年，楊東、姚志遠(yuǎn)等人設(shè)計制作一種具有連續(xù)變截面超聲變幅桿的V型直線超聲波電動機(jī)[5-6]。該電機(jī)利用超聲變幅桿原理來放大驅(qū)動足的振幅，從而獲得更大的輸出轉(zhuǎn)速和輸出推力。在50 N的預(yù)壓力和300 V(峰峰值)的驅(qū)動電壓的條件下，樣機(jī)的最高空載速度為235 mm/s，最大輸出推力達(dá)21.4 N。2012年，喬木等人設(shè)計制作一種雙階梯型超聲變幅桿的V型直線超聲波電動機(jī)[7]。該樣機(jī)的最高空載速度為206 mm/s，最大輸出推力為10.5 N。2012年，于會民等人提出了一種基于三滾子結(jié)構(gòu)的夾持方案的V型直線超聲波電動機(jī)[8]。實驗表明，該夾持結(jié)構(gòu)能夠有效地提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及提高電機(jī)的輸出機(jī)械性能。樣機(jī)的輸出推力最大值從原先的20 N提高到26.8 N，提高了34%。2012年，胡寧等人設(shè)計了一種柔性鉸鏈夾持的V型直線超聲波電動機(jī)[9]。如圖3所示為所設(shè)計的圓弧柔性鉸鏈夾持元件的結(jié)構(gòu)(材料為65 Mn)，主要包括了臂尾(厚度為2 mm)、支持臂(厚度為2 mm)以及3個柔性圓弧段(厚度為0.7 mm)等幾個部分。其中，兩邊2個圓弧柔性鉸鏈起彈簧作用，用于替代預(yù)壓力彈簧給定子與動子之間施加預(yù)壓力；中間1個圓弧柔性鉸鏈可以起到消除裝配應(yīng)力的作用，同時減小對定子振動模態(tài)的影響。實驗表明，該柔性鉸鏈夾持元件可以直接作為線性彈簧，同時可以提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及改善電機(jī)的振動特性。2015年，簡月等人在圓弧式柔性鉸鏈夾持方式的基礎(chǔ)上，提出了一種大切向剛度的梁式夾持方式[10]，如圖4所示。通過實驗對比了梁式夾持方式的電機(jī)與圓弧式夾持方式的電機(jī)的輸出特性。結(jié)果表明：梁式夾持方式的電機(jī)的輸出速度最大值達(dá)1 400 mm/s，比圓弧式夾持方式的電機(jī)增大了4.6倍；梁式夾持方式的電機(jī)的輸出推力最大值達(dá)37 N，比圓弧式夾持方式的電機(jī)增大了1.7倍。2015年，陳乾偉等人設(shè)計制作了一種單模態(tài)驅(qū)動雙向運(yùn)動(正反向)的新型V型直線超聲波電動機(jī)[11]，如圖5所示。該樣機(jī)主要由V型定子、動子(導(dǎo)軌)和預(yù)壓力裝置等組成。其中，動子相對于V型定子傾斜安裝，傾斜角度為35°。在預(yù)壓力為65 N和激勵電壓為600 V(峰峰值)的條件下，當(dāng)工作在對稱振動模態(tài)(激勵頻率為35.4 kHz)時，電機(jī)動子正向直線運(yùn)動，最高空載速度和最大輸出推力分別為180 mm/s和14 N；當(dāng)工作在反對稱振動模態(tài)(激勵頻率為38.4 kHz)時，電機(jī)動子反向直線運(yùn)動，最大空載速度和最大輸出推力分別為125 mm/s和24 N。2015年，汪紅兵等人設(shè)計制作了一種壓電疊堆非共振V型直線超聲波電動機(jī)[12]，該電機(jī)采用了尺寸為10 mm×5 mm×3 mm的壓電疊堆作為定子。實驗結(jié)果表明，該樣機(jī)在93.5～96.7 kHz的頻率范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；在激勵頻率96.7 kHz和驅(qū)動電壓5 V的條件下，電機(jī)最大輸出速度和最大輸出力分別為25.78 mm/s和2.14 N。2016年，Zhang Yanhu等人對V型直線超聲波電動機(jī)在Al2O3/Y-TZP、Al2O3/SiC、Al2O3/Si3N4和Al2O3/AlSiCp等四種不同摩擦副下的摩擦特性和輸出性能進(jìn)行研究[13]。2014年，Yang Lin等人對V型直線超聲波電動機(jī)在不同溫度下的輸出特性進(jìn)行研究[14]，溫度變化從-40°C到80°C。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的輸出速度和輸出推力隨著溫度的升高而增大。

圖3 圓弧式柔性夾持元件

圖4 梁式柔性夾持元件

圖5 斜動子V型直線超聲波電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 H型直線超聲波電動機(jī)

2.1 電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理[16]

H型直線超聲波電動機(jī)利用H型振子(夾心換能器結(jié)構(gòu)形式[16]或者壓電陶瓷片粘貼式[15])的縱彎復(fù)合振動模態(tài)在其兩個驅(qū)動足形成橢圓運(yùn)動軌跡，從而驅(qū)動動子做直線運(yùn)動。圖6為夾芯換能器結(jié)構(gòu)形式H型定子的示意圖[16]，左、右兩驅(qū)動桿(夾心換能器)分別通過預(yù)應(yīng)力螺柱將定子的前蓋板、兩組壓電陶瓷(縱振和彎振)以及后蓋板等部件緊固為一體，并給壓電陶瓷施加一定預(yù)緊力；兩驅(qū)動桿前端部分通過橫桿連接在一起，形成H型結(jié)構(gòu)。

圖6 H型定子的結(jié)構(gòu)圖

圖7給出了電機(jī)定子對動子在一個振動周期內(nèi)驅(qū)動的完整過程[16]，當(dāng)電機(jī)左、右兩驅(qū)動桿的壓電陶瓷片上施加兩路相同頻率、相位差90°的激勵信號時，H型定子的一階縱振L1和二階彎曲振動B2同時被激發(fā)出，左、右兩桿產(chǎn)生了交替的伸縮運(yùn)動與彎曲運(yùn)動，并在其驅(qū)動端質(zhì)點合成橢圓軌跡運(yùn)動，再借助定子與動子之間摩擦力，驅(qū)動動子(導(dǎo)軌)做直線運(yùn)動。若要實現(xiàn)動子(導(dǎo)軌)做反向的直線運(yùn)動，可通過改變輸入的兩路激勵信號的相位關(guān)系，從而使驅(qū)動端質(zhì)點做逆向的橢圓軌跡運(yùn)動。

圖7 H型定子的驅(qū)動過程

2.2 H型直線超聲波電動機(jī)的研究情況

2013年，賀紅林等人提出一種壓電陶瓷片粘貼式H型振子的直線超聲波電動機(jī)[15]。采用有限元對H型振子的振動模態(tài)和諧響應(yīng)進(jìn)行仿真和分析，獲得H振子的工作模態(tài)和振幅大小。利用激光測振儀測得樣機(jī)定子的縱振的振幅幅值為1.2 μm，以及彎振的振幅幅值為1.4 nμm。2015年，賀紅林等人提出一種夾心換能器結(jié)構(gòu)形式的H型振子的直線超聲波電動機(jī)[16]。利用有限元法建立了定子機(jī)電耦合的有限元模型，在200 V電壓激勵下，其縱振的諧振頻率為48.995 kHz，振幅幅值為8 μm；彎振的諧振頻率為48.840 kHz，振幅幅值為6 μm。

3 U型直線超聲波電動機(jī)

3.1 電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理[17,32-33]

U型直線超聲波電動機(jī)利用U型定子的縱彎復(fù)合振動模態(tài)或者2個正交工作模態(tài)(對稱模態(tài)和反對稱模態(tài))進(jìn)行驅(qū)動，并以U型定子的頂點作為驅(qū)動足推動動子做直線運(yùn)動。圖8為U型定子結(jié)構(gòu)的示意圖[17]，該定子主要由U型結(jié)構(gòu)的金屬彈性體以及壓電陶瓷片構(gòu)成。其驅(qū)動原理如圖9所示[17,32-33]，當(dāng)U型定子兩個振動桿的壓電陶瓷片上施加兩路相同頻率、相位差90°的激勵信號時，定子同時被激發(fā)出對稱振動模態(tài)和反對稱振動模態(tài)，在這兩個正交工作模態(tài)的共同作用下，U型定子的頂點(驅(qū)動足)形成橢圓軌跡運(yùn)動，并借助定子與動子之間的摩擦力，推動動子做直線運(yùn)動。

圖8 U型定子的結(jié)構(gòu)

圖9 U型電機(jī)的工作原理

3.2 U型直線超聲波電動機(jī)的研究情況

2012年，蘇松飛等人設(shè)計制作了一種基于柔性夾持的新型U型直線超聲波電動機(jī)[17]。該電機(jī)樣機(jī)的諧振頻率為71.40 kHz，在預(yù)壓力25 N和驅(qū)動電壓400 V(峰峰值)的條件下，其最大輸出速度和最大輸出推力分別為470 mm/s和9 N。2014年，賀紅林等人在H型直線超聲波電動機(jī)的基礎(chǔ)上，提出一種U型變截面的直線超聲波電動機(jī)[18]。該電機(jī)樣機(jī)的諧振頻率為78.11 kHz，在驅(qū)動電壓240 V(峰峰值)的條件下，輸出速度最大值為125.6 mm/s。

4 塔形直線超聲波電動機(jī)

為了解決當(dāng)前直線超聲波電動機(jī)沒辦法實現(xiàn)相互獨(dú)立控制法向振動以及切向振動的問題，陳乾偉等人設(shè)計制作了一種能夠?qū)崿F(xiàn)工作模態(tài)獨(dú)立控制的塔形直線超聲波電動機(jī)[19]。圖10為塔形定子結(jié)構(gòu)的示意圖[19]，主要由塔形的金屬彈性體(包含兩個正方形截面的柱狀振動桿)以及6片壓電陶瓷片構(gòu)成。該電機(jī)定子設(shè)計有2個非共面的正交工作模態(tài)，即x-z面內(nèi)的對稱振動模態(tài)(由A相信號單獨(dú)激勵)以及y-z面內(nèi)的彎振模態(tài)(由B相信號單獨(dú)激勵)。通過控制A相信號和B相信號就可以實現(xiàn)獨(dú)立控制2個非共面的正交工作模態(tài)，從而實現(xiàn)獨(dú)立控制法向振動以及切向振動。通過實驗測試，電機(jī)在解耦控制的條件下，當(dāng)固定A相信號的驅(qū)動電壓值時，樣機(jī)的輸出速度與B相信號的電壓成正比關(guān)系；當(dāng)固定B相信號的驅(qū)動電壓值時，樣機(jī)的輸出速度與A相信號的電壓成非線性關(guān)系。當(dāng)A相信號和B相信號的驅(qū)動電壓都為400 V(峰峰值)時，樣機(jī)的輸出速度最大值為420 mm/s。

圖10 塔形定子的結(jié)構(gòu)

5 面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動機(jī)

5.1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理[20]

面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動機(jī)利用矩形板定子激發(fā)出的縱振、彎振振動模態(tài)實現(xiàn)驅(qū)動動子的直線運(yùn)動。如圖11為單驅(qū)動足的面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動機(jī)工作原理示意圖[20]，該電機(jī)定子是由一塊含有單驅(qū)動足的矩形金屬板(如磷青銅材料)以及8片壓電陶瓷片構(gòu)成。矩形金屬彈性體的上面和下面均粘貼有4片PZT壓電陶瓷片，并且上面4片壓電陶瓷片的極化方向和下面4片壓電陶瓷片的極化方向是成對稱的。當(dāng)矩形振子的壓電陶瓷片施加兩路相同頻率、相位差90°的激勵信號時，定子的一階縱振L1和二階彎曲振動B2同時被激發(fā)，在定子的單驅(qū)動足處合成了橢圓運(yùn)動軌跡，借助定子與動子之間摩擦力，驅(qū)動動子(導(dǎo)軌)向右或者向左做直線運(yùn)動。

圖11 面內(nèi)縱彎模態(tài)直線超聲波電動機(jī)的工作原理

5.2 面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動機(jī)的研究情況

2010年，胡丹等人設(shè)計制作了一臺單驅(qū)動足的面內(nèi)縱彎模式的直線超聲波電動機(jī)[21]。該電機(jī)樣機(jī)的諧振頻率為43.68 kHz，在預(yù)壓力8.5 N的條件下，樣機(jī)的輸出速度最大值為28.6 mm/s，輸出推力最大值為2 N。2012年，萬志堅設(shè)計一種開有4個雙圓頭長孔的雙驅(qū)動足矩形壓電振子的直線超聲波電動機(jī)[22]。通過有限元仿真和分析，該開孔的矩形壓電振子的振幅明顯比沒有開孔的振幅增大。2014年，萬志堅等人設(shè)計制作了一臺開有4個雙圓頭長孔的單驅(qū)動足矩形壓電振子的直線超聲波電動機(jī)[23]。通過實驗對比了有開孔與沒有開孔電機(jī)樣機(jī)的輸出特性。結(jié)果表明：有開孔的電機(jī)樣機(jī)的輸出推力和輸出速度明顯變大。2011年，時運(yùn)來等人設(shè)計了一種具有振幅放大結(jié)構(gòu)的基于面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動機(jī)[24]。該電機(jī)在矩形壓電振子設(shè)計了一個三角形結(jié)構(gòu)，該三角形結(jié)構(gòu)可以將振子的振幅放大。通過對比不同夾角的三角形結(jié)構(gòu)電機(jī)樣機(jī)的輸出性能，得到夾角為20°的電機(jī)樣機(jī)的最大輸出速度以及最大輸出推力分別能達(dá)到98 mm/s和3.2 N。2015年，孫士平等人在時運(yùn)來設(shè)計的電機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種雙足反向型的面內(nèi)縱彎模式的直線超聲波電動機(jī)[25]。該電機(jī)在矩形板振子設(shè)計了兩個三角形結(jié)構(gòu)，用于放大振幅以及驅(qū)動兩導(dǎo)軌實現(xiàn)反向直線輸出。通過建立的有限元模型仿真電機(jī)的輸出性能，仿真得到電機(jī)的最大空載速度能夠達(dá)到120 mm/s，最大輸出推力達(dá)到30 N。

6 夾心式縱彎型直線超聲波電動機(jī)

2010年，石勝君等人研制了一種單驅(qū)動足的大功率縱彎復(fù)合型直線超聲波電動機(jī)[26]。圖12為定子結(jié)構(gòu)的示意圖，主要由2個夾心式換能器和2個指數(shù)型變幅桿組成，中間部分設(shè)計有一個驅(qū)動足。該電機(jī)通過定子激發(fā)出的縱振和彎振在其驅(qū)動足形成一個具有驅(qū)動功能的橢圓軌跡，從而實現(xiàn)驅(qū)動動子作直線運(yùn)動。通過實驗測試，該樣機(jī)的輸出速度最大值達(dá)1 280 mm/s，輸出推力的最大值達(dá)45 N。2010年，劉英想等人研制了一種T型單驅(qū)動足的大功率直線超聲波電動機(jī)[27]。如圖13所示，該電機(jī)定子主要由3個夾心式換能器和3個指數(shù)型變幅桿組成，并布置成T型，單驅(qū)動足設(shè)在3個變幅桿結(jié)合處。通過實驗測試，電機(jī)樣機(jī)的輸出速度最大值為1 160 mm/s，輸出推力最大值為20 N。2012年，劉英想等人研制了一種雙驅(qū)動足的縱振復(fù)合直線超聲波電動機(jī)[28]。如圖14所示，該電機(jī)定子由2個豎直放置的夾心式換能器以及1個水平放置的夾心式換能器組成。其中，水平放置的換能器兩端的指數(shù)型變幅桿小端與2個豎直換能器的變幅桿大端側(cè)面連接，兩個驅(qū)動足設(shè)在2個豎直換能器的指數(shù)型變幅桿小端面處。通過實驗測試，樣機(jī)的最大輸出速度和最大輸出推力分別為602 mm/s和32 N。同年，對該雙驅(qū)動足的縱振復(fù)合直線超聲波電動機(jī)的定子進(jìn)一步改進(jìn)，水平換能器的兩端指數(shù)型變幅桿的小端與兩個豎直換能器變幅桿的結(jié)合處設(shè)計在指數(shù)型變幅桿的小端面位置[29]。實驗測試，改進(jìn)樣機(jī)的輸出速度最大值提高到854 mm/s，輸出推力最大值增大到40 N，分別增加了42%和25%。2013年，Yang Xiaohui等人[30]設(shè)計制作了一種雙足的縱彎復(fù)合型直線超聲波電動機(jī)。該電機(jī)定子采用夾心式換能器結(jié)構(gòu)，采用2組彎振的壓電陶瓷。該電機(jī)樣機(jī)的最高輸出速度為560 mm/s，最大輸出推力達(dá)55 N。

圖12 夾心式縱彎復(fù)合直線超聲波電動機(jī)定子的結(jié)構(gòu)圖

圖13 T型單足直線超聲波電動機(jī)定子的結(jié)構(gòu)圖

圖14 縱振復(fù)合雙足直線超聲波電動機(jī)定子的結(jié)構(gòu)圖

7 結(jié) 語

直線超聲波電動機(jī)是利用壓電陶瓷的逆效應(yīng)實現(xiàn)從電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換，直接驅(qū)動動子做直線運(yùn)動和直接輸出動力，具有定位精度高、易于實現(xiàn)微小型化和輕量化等優(yōu)點，在小型精密驅(qū)動的應(yīng)用領(lǐng)域里具有明顯的優(yōu)勢，成為近年來的一個研究熱點。本文重點綜述了近年來多種新型直線超聲波電動機(jī)的研究進(jìn)展和取得的成果。相信隨著這些新型直線超聲波電動機(jī)的性能以及穩(wěn)定性的深入研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，將使得直線超聲波電動機(jī)在小型精密驅(qū)動以及更多的工程應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

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Recent Development on the Linear Ultrasonic Motor

CHENJian-yi,LINXing-ling

(Xiamen City University,Xiamen 361008,China)

The linear ultrasonic motor is widely attractive for its characteristics, such as a simple structure, a direct and straight drive, a high precision, etc.In this paper, the recent developments of the linear ultrasonic motor were summarized.The structure and driving mechanism of different linear ultrasonic motors were analyzed.

linear ultrasonic motor; V-shaped stator; H-shaped stator; U-shaped stator; a tower-type stator; mode in-plane; longitudinal and bending modes

2016-02-05

2014年福建省高校杰出青年科研人才培育計劃(JA-14424)

TM359.9

A

1004-7018(2016)09-0097-05

陳建毅(1979-)，男，博士，副教授，主要從事超聲波電動機(jī)開發(fā)研究。