CN100492864C - 基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于精密机械中的压电微电机技术领域的一种基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达。是根据压电陶瓷棒的一阶伸缩振动模态谐振频率和前两阶弯曲振动模态的谐振频率可出现相同点的两种振动模态的共同作用下，利用一阶或二阶复合振动模态激励方式制成两个自由度的平面驱动器结构和三个自由度的球驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达。其陶瓷棒放入套筒中，套筒壁上嵌有橡胶环，钢珠和弹簧放入套筒上孔中，并用螺栓旋入套筒此孔；定子套入陶瓷棒的另一端，并粘接牢固而制成马达。本马达具有尺寸微小，结构简单，压电微马达的直径在0.5到10mm之间。并且具有大力矩，快速响应等特点，应用前景比较广阔。
Description
技术领域
本发明属于精密机械中的压电微机电器件领域，特别涉及利用压电陶瓷棒在伸缩振动模态和弯曲振动模态的复合激励下，其顶端会形成一个椭圆运动的一种基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达。
背景技术
在1998年IEEE的“ULTRASONICS SYMPOSIUM”中报道中国南京航空航天大学发明了一种线性马达。是陶瓷圆片夹在后配块和前配块之间，通过两个配块实现长度振动；另有方形陶瓷片贴在前配块下部的扁平片的两面，通过前配块实现弯曲振动。前配块下端面与驱动滑块粘连成一体，在预压力作用下，马达下端面的驱动滑块作线性双向移动。但是马达的结构比较复杂，尺寸很大及只能实现一维线性运动。为了使马达尺寸微小化，并且实现二维，甚至是三维的运动，为此开发了具有三维驱动特性的双弯曲振动模式的复合激励方式及其压电陶瓷棒状微型马达。
发明内容
本发明的目的是提供利用压电陶瓷棒在伸缩振动模态和弯曲振动模态的复合激励下，其顶端会形成一个椭圆运动的一种基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达，所述复合激励方式是根据压电陶瓷棒定子具有的各阶弯曲振动模态和伸缩振动模态随着所述陶瓷棒的高度、直径和材料的变化以及金属匹配块的形状和材料的变化，一阶伸缩振动模态谐振频率和前两阶弯曲振动模态的谐振频率可能出现相同点，于是利用相同的谐振频率来实现激励所说陶瓷棒的复合振动模态，即一阶复合振动模态和二阶复合振动模态。在实测中，通过在10mm范围内改变陶瓷棒的高度和直径尺寸，出现了所述陶瓷棒的伸缩振动频率和弯曲振动模态振动频率的两个谐振频率，在这相同谐振频率的两种振动模态的共同激励作用下，该陶瓷棒顶端会形成一个椭圆运动，由此而制成多自由度压电陶瓷棒状微马达；其特征在于：所述基于复合激励方式的压电陶瓷棒状微马达，包括：
1)两个自由度的平面驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，利用一阶或二阶复合振动模态激励，所述陶瓷棒在两个端面的XZ面和YZ面内实现椭圆运动，其马达的结构是陶瓷棒1放入套筒2中，套筒2壁上嵌有橡胶环3，用于陶瓷棒的定位；将钢珠4放入套筒2上孔中，再放入弹簧5，并用第一螺栓6旋入套筒2上面孔中，给弹簧5一个变形力，实现预紧力；定子7套入陶瓷棒1的下端，并粘接牢固，便完成了马达的装配。马达驱动的平台分三层，上层8上表面是光滑的驱动面，下表面是两个平行的导轨，中层9是一个“井”字形平台，上表面是两个承接上层8平台的导轨槽，下表面是与上表面垂直的两个平行导轨，下层10是基础层，将马达和平台装入支架11，用第二螺栓12锁紧马达，并且将平台固定在支架上，实现将平台XY面内二维移动的目的。
2)三个自由度的球驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，其陶瓷棒在一阶或二阶复合振动模态下，在两个端面的XZ和YZ面内实现椭圆运动，并在一阶或二阶弯曲振动模态下，在XY内做圆摆运动，本三维运动微马达的陶瓷棒1放入套筒2中，套筒2壁上嵌有橡胶环3，用于陶瓷棒的定位；将钢珠4放入套筒2下孔中，再放入弹簧5，并用第一螺栓6旋入套筒2下孔中，使弹簧5变形，实现马达定子7的预紧力，定子7套入陶瓷棒1的上端，并且粘接牢固，便完成了马达的装配；将马达和平台装入支架11，用第二螺栓12锁紧马达，用且将聚四氟乙烯环13放入支架的上槽中，上面放入钢球14，在合适的激励电源下激励定子的复合振动模态，钢球14就可以在XZ和YZ面内旋转，加上弯曲振动模态，使钢球14在XY面内旋转，因此实现了钢球14的三维驱动。
本发明的有益效果是马达具有尺寸微小，结构简单，压电微马达的直径在0.5到10mm之间。并且具有大力矩，快速响应等特点，应用前景比较广阔。
附图说明
图1棒状压电陶瓷的振动模态。
图2陶瓷棒高度和谐振频率的关系。
图3陶瓷棒直径和谐振频率的关系。
图4电极法陶瓷棒的结构和极化方向。
图5八电极法陶瓷棒的结构和极化方向。
图6可以二维驱动平台的棒状压电超声微马达。
图7可以三维驱动大球的棒状压电超声微马达。
具体实施方式
本发明提供利用压电陶瓷棒在伸缩振动模态和弯曲振动模态的复合激励下，其顶端会形成一个椭圆运动的一种基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达。下面结合附图，说明其复合激励方式的原理和利用该复合振动模态原理激励的压电陶瓷棒状微马达的两种结构，所述压电陶瓷棒的振动模态有各阶弯曲振动模态和伸缩振动模态(如图1所示)，随着所说陶瓷棒的高度、直径和材料的变化以及金属匹配块材料和外形的变化，一阶伸缩振动模态谐振频率和前两阶弯曲振动模态的谐振频率可能出现相同点(如图2、图3所示)，于是利用相同的谐振频率来实现激励陶瓷棒的复合振动模态，即是一阶复合振动模态和二阶复合振动模态。在实测中，通过在10mm范围内改变所述陶瓷棒的高度和直径尺寸，出现了陶瓷棒的伸缩振动频率和弯曲振动模态振动频率的两个谐振点(如图2、图3所示)，因此该陶瓷棒在这相同谐振频率的两种振动的共同作用下，该陶瓷棒顶端会形成一个椭圆运动；例如通过在所述陶瓷棒圆周均匀分布四个电极A、B、C和D，驱动时，在四个电极A、B、C、D上分别加Sin(wt)、Cos(wt)、-Cos(wt)、-Sin(wt)信号电压的这样的四个电极法的极化方式，从而在一个周期的四个阶段内，所述陶瓷棒处于一阶弯曲模态和伸缩振动模态复合起来的一阶复合振动模态，顶端会形成一个椭圆运动；(如图4所示)；
从表1所示一阶复合振动模态下陶瓷棒的运动，可以看出陶瓷棒处于一阶弯曲模态和伸缩振动模态复合起来的一阶复合振动模态，其顶端会形成一个椭圆运动。
表1 一阶复合振动模态陶瓷棒的运动
| α | γ | α-γ | β | δ | β-δ | |
| 0～1/4λ | + | - | - | + | - | ↑ |
| 1/4λ～1/2λ | - | - | - | - | - | - |
| 1/2λ～3/4λ | - | + | - | - | + | ↓ |
| 3/4λ～λ | - | - | - | - | - | - |
通过将所述陶瓷棒沿圆周均匀分布4个电极A、B、C、D中的A、C接入高压直流电，将B、D接入地线，按所说四电极法的极化方式极化，再将所说4个电极A、B、C、D在中间切断，分成相应的A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2八个电极(如图5所示)，并由其中A1、B1、C1、D1形成左半段电极，A2、B2、C2、D2形成右半段电极，并且在A1、C2上加Sin(wt)信号电压，在B1、D2上加Cos(wt)信号电压，在C1、A2上加-Cos(wt)信号电压，在D1、B2上加-Sin(wt)信号电压，在表1所示的α、β、γ和δ四个区内，一个周期的四个阶段内，借所说左半段电极与右半段电极所产生的相应于在伸缩方向相同，而在弯曲方向相反的运动，因此在一个周期的四个阶段内，陶瓷棒处于二阶弯曲模态和伸缩振动模态复合起来的二阶复合振动模态；利用一阶或二阶复合振动模态激励压电陶瓷棒，使所述陶瓷棒顶端相互垂直的两个平面上形成一个椭圆运动，即该陶瓷棒在两个端面实现在XZ和YZ面内实现椭圆运动，制成两个自由度的平面驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达或所述陶瓷棒在一阶或二阶复合振动模态下，两个端面可以在XZ和YZ面内实现椭圆运动，也可以在一阶或二阶弯曲振动模态下，在XY内做圆摆运动，制成三个自由度的球驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达。
利用上述复合振动模态原理激励的压电陶瓷棒状微马达，包括：
1)两个自由度的平面驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，利用一阶或二阶复合振动模态激励。在图6所示结构中，陶瓷棒在两个端面的XZ和YZ面内实现椭圆运动，其马达的结构是陶瓷棒1放入套筒2中，套筒2壁上嵌有橡胶环3，用于陶瓷棒的定位。将钢珠4放入套筒2上孔中，再放入弹簧5，并用第一螺栓6旋入套筒2上孔中，给弹簧5一个变形力，实现预紧力。定子7套入陶瓷棒1的下端，并粘接牢固，便完成了马达的装配。马达驱动的平台分三层，上层8上表面是光滑的驱动面，下表面是两个平行的导轨。中层9是一个“井”字形平台，上表面是两个承接上层8平台的导轨槽，下表面是与上表面垂直的两个平行导轨，下层10是基础层，将马达和平台装入支架11，用第二螺栓12锁紧马达，用且将平台固定在支架上，便可以实现将平台XY面内二维移动的目的。
2)三个自由度的球驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，其陶瓷棒在一阶或二阶复合振动模态下，在两个端面的XZ和YZ面内实现椭圆运动，并在一阶或二阶弯曲振动模态下，在XY内做圆摆运动，在图7所示结构中，三维运动超声微马达的陶瓷棒1放入套筒2中，套筒2壁上嵌有橡胶环3，用于陶瓷的定位。将钢珠4放入套筒2下孔中，再放入弹簧5，并用第一螺栓6旋入套筒2下孔中，使弹簧5变形，实现马达定子7的预紧力。定子7套入陶瓷棒1的上端，并且粘接牢固。便完成了马达的装配。将马达和平台装入支架11，用第二螺栓12锁紧马达，并且将聚四氟乙烯环13放入支架的上槽中，上面放入钢球14，在激励电源下激励定子的复合振动模态，钢球14就可以在XZ和YZ面内旋转，加上弯曲振动模态，钢球14可以在XY面内旋转。因此实现了钢球14的三维驱动。本发明的马达具有尺寸微小，结构简单，压电微马达的直径在0.5到10mm之间。并且具有大力矩，快速响应等特点，应用前景比较广阔。
Claims (2)
1.一种基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达，所述复合激励方式是根据压电陶瓷棒定子具有的各阶弯曲振动模态和伸缩振动模态随着所述陶瓷棒的高度、直径和材料的变化以及金属匹配块的形状和材料的变化，一阶伸缩振动模态谐振频率和前两阶弯曲振动模态的谐振频率可能出现相同点，于是利用相同的谐振频率来实现激励所述陶瓷棒的复合振动模态，即一阶复合振动模态和二阶复合振动模态；在实测中，通过在10mm范围内改变陶瓷棒的高度和直径尺寸，出现了所述陶瓷棒的伸缩振动频率和弯曲振动模态振动频率的两个谐振频率，在这相同谐振频率的两种振动模态的共同激励作用下，该陶瓷棒顶端会形成一个椭圆运动，由此而制成多自由度压电陶瓷棒状微马达；其特征在于：所述基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达为两个自由度的平面驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，它是利用一阶或二阶复合振动模态激励，陶瓷棒在两个端面的XZ面和YZ面内实现椭圆运动，其马达的结构是陶瓷棒(1)放入套筒(2)中，套筒(2)壁上嵌有橡胶环(3)，用于陶瓷棒的定位；将钢珠(4)放入套筒(2)上孔中，再放入弹簧(5)，并用第一螺栓(6)旋入套筒(2)上孔中，给弹簧(5)一个变形力，实现预紧力；定子(7)套入陶瓷棒(1)的下端，并粘接牢固，便完成了马达的装配；马达驱动的平台分三层，上层(8)上表面是光滑的驱动面，下表面是两个平行的导轨，中层(9)是一个“井”字形平台，上表面是两个承接上层(8)平台的导轨槽，下表面是与上表面垂直的两个平行导轨，下层(10)是基础层，将马达和平台装入支架(11)，用第二螺栓(12)锁紧马达，并且将平台固定在支架上，实现将平台在XY面内二维移动的目的；
2.一种基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达，所述复合激励方式是根据压电陶瓷棒定子具有的各阶弯曲振动模态和伸缩振动模态随着所述陶瓷棒的高度、直径和材料的变化以及金属匹配块的形状和材料的变化，一阶伸缩振动模态谐振频率和前两阶弯曲振动模态的谐振频率可能出现相同点，于是利用相同的谐振频率来实现激励所述陶瓷棒的复合振动模态，即一阶复合振动模态和二阶复合振动模态；在实测中，通过在10mm范围内改变陶瓷棒的高度和直径尺寸，出现了所述陶瓷棒的伸缩振动频率和弯曲振动模态振动频率的两个谐振频率，在这相同谐振频率的两种振动模态的共同激励作用下，该陶瓷棒顶端会形成一个椭圆运动，由此而制成多自由度压电陶瓷棒状微马达；其特征在于：所述基于复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达为三个自由度的球驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，其陶瓷棒在一阶或二阶复合振动模态下，在两个端面的XZ和YZ面内实现椭圆运动，并在一阶或二阶弯曲振动模态下，在XY内做圆摆运动，本三维运动微马达的陶瓷棒(1)放入套筒(2)中，套筒(2)壁上嵌有橡胶环(3)，用于陶瓷棒的定位；将钢珠(4)放入套筒(2)下孔中，再放入弹簧(5)，并用第一螺栓(6)旋入套筒(2)下孔中，使弹簧(5)变形，实现马达定子(7)的预紧力，定子(7)套入陶瓷棒(1)的上端，并且粘接牢固，便完成了马达的装配；将马达和平台装入支架(11)，用第二螺栓(12)锁紧马达，并且将聚四氟乙烯环(13)放入支架(11)的上面槽中，在聚四氟乙烯环(13)上面形成的槽中再放入钢球(14)，在激励电源下激励定子的复合振动模态，钢球(14)就在XZ和YZ面内旋转，加上弯曲振动模态，使钢球(14)在XY面内旋转，因此实现了钢球(14)的三维驱动。
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