CN101895231B - 一种微型二自由度平面运动压电电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型二自由度平面运动压电电机，属于精密驱动元件技术领域。本发明的核心是，压电驱动器仅由一个压电陶瓷棒，或一个压电陶瓷管，或一个方柱状压电单晶构成；所述压电陶瓷棒、压电陶瓷管或方柱状压电单晶被激发沿轴向Z方向的第一阶长度伸缩振动模式和沿X方向的第二阶弯曲振动模式的椭圆合成运动，以及沿轴向Z方向的第一阶长度伸缩振动模式和沿Y方向的第二阶弯曲振动模式椭圆合成运动，上述两种椭圆合成运动互为正交，可以分别驱动滑动块沿X或Y方向运动。本发明满足体积小、重量轻、结构简单等指标要求，同时还具有响应快、精度高等特点。

Description

一种微型二自由度平面运动压电电机

技术领域

本发明属于精密驱动元件技术领域，具体涉及一种微型压电电机。

背景技术

压电微型电机与传统的电磁电机相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范围中，压电微型电机及压电驱动器已经显示了许多独特的优点，诸如相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率。传统的电磁电机在几个毫米量级尺寸的制造方面已变得很困难，而且它的效率在几个毫米尺寸时只剩下百分之几(＜8％)，因为它缺少足够强的磁场。压电电机的效率基本与尺寸无关，也没有磁场问题。压电电机即使在毫米尺寸，也能维持低速、和相对大的力矩特征。作为精密驱动元件，压电电机及驱动器正成为一些高新技术产品诸如手机，医学成像系统和其它微型医用设备的关键元件。许多新的驱动技术，诸如音圈电机、压电驱动器、压电超声微电机等，已有了快速发展，并在许多领域里获得成功应用。在这些微型驱动技术中，压电微电机在精密控制与驱动力，分辨率和功率消耗等方面已显示出明显的优越性，并且更容易做到微型化。

随着机电科技的进步，传统的单自由度的驱动结构已经无法满足高精度定位平台系统及精密控制要求。如Nanomotion公司发展的直线压电电机(US Patent 5877579)具有微-纳米的分辨率能力，但只能驱动平台沿一个方向作直线运动，因此若要控制平台在2个方向(X方向和Y方向)的运动就需要安装2个电机，这不仅增加了控制系统的体积和成本，还降低了平台的定位精度。多自由度超声电机具有直接驱动平台做二维精密运动的功能，因而显示了明显的优势。在这个背景下，国内外的许多学者对二自由度压电超声电机进行了大量的研究，提出了很多二自由度超声电机的专利(CN Patent 200710134000.0，赵淳生等2007，CN Patent200710072168.3，陈维生等，2007，US Patent 5345137，Funakubo，1994，US Patent7514849B2，Ichikawa，2009)。但所有这些已报道的二自由度压电超声电机，都是将多个压电驱动器集成在一起来实现二维运动，因此存在体积大，结构复杂的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、结构简单的微型二自由度平面运动压电电机。

本发明微型二自由度平面运动压电电机，包括压电驱动器、滑动块、一个弹性预压力装置和驱动电源，其中压电驱动器仅由一个压电陶瓷棒，或一个压电陶瓷管，或一个方柱状压电单晶构成；所述的压电陶瓷棒、压电陶瓷管或方柱状压电单晶的一端部粘接一个摩擦块；所述的压电陶瓷棒、压电陶瓷管或方柱状压电单晶可激发第一阶长度伸缩振动模式(L₁，沿轴向Z)和沿X方向的第二阶弯曲振动模式(B_2X，沿X方向)的椭圆合成运动，或第一阶长度伸缩振动模式(L₁，沿轴向Z)和沿Y方向的第二阶弯曲振动模式(B_2Y，沿Y方向)椭圆合成运动；所述的两种椭圆合成运动互为正交；压电陶瓷棒、压电陶瓷管或方柱状压电单晶通过激发的椭圆合成运动，以及与滑动块之间的摩擦力，可以分别驱动滑动块沿X或Y方向运动，所说的滑动块被限定在垂直于压电陶瓷棒轴线的平面内运动；压电驱动器通过一个弹簧产生的预压力来实现摩擦块同滑动块之间的弹性摩擦接触。

在本发明涉及的技术方案中：所述的压电陶瓷棒和压电陶瓷管为圆柱状，其长度和直径的比例为一特定值，使其第一阶长度伸缩模式(L₁)和第二阶弯曲振动模式(B_2X或B_2Y)具有相同或近似的共振频率；所述的第二阶弯曲振动模式B_2X与B_2Y互为正交。因此在外电压激励下，压电陶瓷棒可分别产生两个互为正交的L₁-B_2X椭圆合成运动，与L₁-B_2Y椭圆合成运动；所述的压电陶瓷棒、压电陶瓷管的侧表面对称分布大于或等于8个长条形电极，所述圆柱状的压电陶瓷棒或压电陶瓷管沿圆周方向(或径向)极化。

在本发明涉及的技术方案中：所述压电单晶为Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)、Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)等一类具有优良压电性能的弛豫铁电单晶材料，其第一阶长度伸缩模式和第二阶弯曲振动模式具有相同或近似的共振频率。所述方柱状压电单晶的侧表面对称分布大于或等于8个长条形电极。

在本发明涉及的技术方案中：所述压电驱动器使用驻波式驱动或行波式驱动。

本发明的优点是：

本发明采用压电陶瓷棒或陶瓷管、方柱状压电单晶构成压电驱动器，在电压激励下可以工作在第一阶长度伸缩振动模式(L₁)和两个互为正交的第二阶弯曲振动模式(B_2X或B_2Y)；分别产生两个互为正交的定向振动或椭圆运动，从而驱动滑动块沿X或Y方向的运动，实现二自由度的平面运动。由于本发明压电驱动定子只由一个压电元件构成，因而可以满足体积小、重量轻、结构简单等指标要求，同时还具有响应快、精度高等特点。

附图说明

图1为本发明实施例总体结构示意图；

图2为图1中圆柱状压电陶瓷的结构示意图；

图3显示了本发明压电电机的工作原理；其中图3(a)为圆柱状压电陶瓷棒的第一阶长度伸缩模式；图3(b)为圆柱状压电陶瓷棒的第二阶平面内弯曲振动模式；图3(c)为驻波运动：+X向运动示意图；图3(d)为驻波运动：-X方向运动示意图；图3(e)为行波运动：X方向运动示意图；图3(f)为驻波运动：+Y方向运动示意图；图3(g)为驻波运动：-Y方向运动示意图；图3(h)为行波运动：Y方向运动示意图；

图4为本发明压电电机的电压驱动方式；其中图4(a)为+X方向驻波驱动方式，电极21b和21h连接交流电压Vsinωt，电极21a、21c、21e、21g接地；图4(b)为-X方向驻波驱动方式，电极21d和21f连接交流电压Vsinωt，电极21a、21c、21e、21g接地；图4(c)为+/-X方向行波驱动方式，电极21b、21h连接交流电压Vsinωt，电极21d、21f连接交流电压Vcosωt(或-Vcosωt)，即两路驱动电压之间的相位差为90度或-90度，电极21a、21c、21e、21g接地；其它驱动方向可依此类推；

图5为本发明实施例之二的压电陶瓷棒表面电极结构；

图6为本发明实施例之三的圆管状压电陶瓷表面电极结构；

图7为本发明实施例之四的方柱状压电单晶表面电极结构，其中图7(a)为4个电极分别分布在压电单晶的4个棱边上，沿轴向Z方向分为2组；图7(b)为4个电极分别分布在压电单晶的4个侧面，沿轴向Z方向分为2组；

图中，10-二自由度压电电机；20-压电驱动器；21-压电陶瓷棒；21a、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h、21i、21j、21k、21l-电极；22-摩擦块；23a、23b-节点；25-压电陶瓷圆管；25a、25b、25c、25d、25e、25f、25g、25h、25i-电极；26-方柱状压电单晶；26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g、26h-电极；30-滑动块；40-驱动电压源；50-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步描述。

由图1可见：所示的微型二自由度压电电机10有一个压电驱动器20，该压电驱动器由一个圆柱状压电陶瓷棒21制成，在压电陶瓷圆棒21的端面中心处粘接一个摩擦块22；该摩擦块22可以是一个球状、半球状、圆柱状的耐磨材料，通过环氧树脂与压电陶瓷21粘接复合在一起。电机10还含有一个滑动块30。滑动块30的主平面与摩擦块22所处平面平行，且被限定在平行于该平面运动。所述的摩擦块22与滑动块30摩擦接触，利用一个弹簧50(或其它弹性机构)产生的预压力来实现。

图2为圆柱状压电陶瓷棒21的结构示意图。所述的圆柱状压电陶瓷21是Pb(Zr，Ti)O₃压电陶瓷材料或其它高性能压电陶瓷材料，其长度和直径的比例为一特定值，使其第一阶长度伸缩模式(L₁)和第二阶弯曲振动模式(B_2X或B_2Y)具有接近的共振频率。电机在工作时，所述的圆柱状压电陶瓷棒21工作在第一阶长度伸缩振动模式(L₁)和第二阶弯曲振动模式(B_2X或B_2Y)，驱动电压源40产生的电压激励压电陶瓷作高频的小振幅(纳米至微米级)定向振动或合成的椭圆轨迹运动，再通过附在压电陶瓷棒21上的摩擦块22与滑动块30之间的摩擦力驱动滑动块运动。所述的压电陶瓷棒21侧表面对称分布8个长条形电极21a、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h，其中沿轴向(长度方向)分为2组，沿圆周方向分为4组，压电陶瓷21的极化方向如图2中箭头所示。压电驱动器20有2个节点位置23a和23b，分别为2个垂直于压电陶瓷圆柱21长度方向的横截平面。2个节点位置23a和23b可以被用来固定压电驱动器20，而不用担心能量的损失。

图3和图4分别显示了该发明电机的工作原理和电压驱动方法。图3(a)、图3(b)分别显示了圆柱状压电陶瓷的第一阶长度伸缩模式(L1)和第二阶平面内弯曲振动模式(B_2X或B_2Y)的模态。将压电陶瓷21的长度和直径的比例取为一特定值，可以使L1和B2模式具有接近的共振频率。二自由度压电电机10可以用两种电压驱动方式：驻波式(如图4(a)和图4(b)所示)和行波式(如图4(c)所示)。采用图4(a)驻波驱动方式，电极21b和21h连接交流电压Vsinωt，电极21a、21c、21e、21g接地，由于压电效应压电陶瓷会产生振动，当驱动电压的频率接近L1和B2共振频率时产生机电共振，这两种本征振动模式都被激发，与压电陶瓷21粘接在一起的摩擦块22将在XZ平面内作高频的直线振动，如图3(c)所示。由弹簧50产生的预压力使摩擦块22与滑动块30摩擦接触，摩擦块22将通过摩擦力驱动滑动块30向+X方向运动。同理，采用图4(b)驻波驱动方式，摩擦块22的运动轨迹如图3(d)所示，驱动滑动块30向-X方向运动。采用图4(c)行波驱动方式，电极21b、21h连接交流电压Vsinωt，电极21d、21f连接交流电压Vcosωt(或-Vcosωt)，即两路驱动电压之间的相位差为90度或-90度，电极21a、21c、21e、21g接地，当驱动电压的频率接近L1和B2共振频率时产生机电共振，两种本征振动模式都被激发，与压电陶瓷21粘接在一起的摩擦块22将在XZ平面内作高频的逆时针(或顺时针)椭圆轨迹运动，如图3(e)所示。摩擦块22将通过摩擦力驱动滑动块30向+X(或-X)方向运动。采用驻波驱动方式与行波驱动方式各有优点：驻波驱动方式具有更宽的驱动电压频率范围，驱动电路更简单；而采用行波驱动方式可具有更大的驱动力。

同理，将电极21a、21c、21e、21g连接驱动电压，电极21b、21d、21f、21h接地，则摩擦块22将在YZ平面内作高频的直线或椭圆轨迹运动，驱动滑动块30向±Y方向运动，见图3(f)-3(h)。因此，该电机能实现二自由度(X方向或Y方向)驱动。

图5为本发明的另一种实施方法的圆柱状压电陶瓷棒表面电极结构。它与图2所示实施例的区别在于：圆柱状压电陶瓷棒的侧表面上增加设置4个长条形电极21i、21j、21k、21l，均匀对称分布于陶瓷侧表面，其长度与陶瓷圆柱长度相等。此新增的4个电极处于之前的8个电极(21a-21h)之间。电机工作时，此4个电极接地，这使电机的电路连接方式更为简洁方便，同时由于减小了电极间的距离，有可能降低电机工作所需要的电压幅度。

图6揭示了本发明的另一种实施方法：圆柱状压电陶瓷管及表面电极结构。它与图2和图5所示实施例的区别在于：所述的圆柱状压电陶瓷管25外侧表面上均匀对称分布的设置8个轴向排布的长条形电极25a、25b、25c、25d、25e、25f、25g、25h，而其内表面设置有全面积内电极25i(地电极)，且压电陶瓷管沿径向方向极化。电机工作时，电极25b、25h和25d、25f用于激发X-Z平面的合成振动或椭圆运动，用于驱动滑动块30沿+/-X方向运动；而电极25a、25g和25c、25e用于激发Y-Z平面的合成振动或椭圆运动，用于驱动滑动块30沿+/-Y方向运动。采用圆柱状压电陶瓷管25，可使电机的电路连接方式进一步简化，所需要驱动电压也有可能进一步降低。但和压电陶瓷棒21相比，压电陶瓷管25具有相对低的驱动力。

图7揭示了本发明的另一种实施方法：方柱状压电单晶及表面电极结构。它与图2、5、6所示实施例的区别在于：所述的方柱状压电单晶26是Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)、Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)等一类具有优良压电性能(大的压电应变系数-d₃₁)的弛豫铁电单晶材料，其厚度和宽度相等，且晶体沿厚度和宽度方向具有同等的晶体取向，为{100}或{110}晶体方向，具体取决于何种取向晶体具有更强的压电性能(大的压电应变系数-d₃₁)。单晶表面电极分布如图7(a)或7(b)所示，其外侧表面上均匀对称分布地设置8个(或更多)轴向排布的长条形电极26a、26b、26c、26d、26e、26f、26g、26h，其极化方向与图2所示类似。电机工作时，电极26a、26g和26c、26e用于激发X-Z平面的合成振动或椭圆运动，用于驱动滑动块30沿+/-X方向运动；而电极26b、26h和26d、26f用于激发Y-Z平面的合成振动或椭圆运动，用于驱动滑动块30沿+/-Y方向运动。采用压电单晶26，可使电机所需的驱动电压降低，且驱动电压的频率范围更宽。

本发明上述实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种微型二自由度平面运动压电电机，包括压电驱动器、滑动块、一个弹性预压力装置和驱动电源，其特征在于：其中压电驱动器由一个压电陶瓷棒，或一个压电陶瓷管，或一个方柱状压电单晶构成；所述压电陶瓷棒、压电陶瓷管或方柱状压电单晶的底端粘接一摩擦块；通过弹性预压力装置实现摩擦块同滑动块之间的弹性摩擦；所述压电陶瓷棒、压电陶瓷管或方柱状压电单晶激发沿轴向Z方向的第一阶长度伸缩振动模式和沿X方向的第二阶弯曲振动模式的合成运动，以及沿轴向Z方向的第一阶长度伸缩振动模式和沿Y方向的第二阶弯曲振动模式合成运动。

2.根据权利要求1所述的压电电机，其特征在于：所述压电陶瓷棒或压电陶瓷管为圆柱状，其长度和直径的比例满足第一阶长度伸缩振动模式和第二阶弯曲振动模式具有相同或近似的共振频率。

3.根据权利要求2所述的压电电机，其特征在于：所述压电陶瓷棒外侧表面对称分布8个长条形电极，其中沿圆周方向分为4组，沿轴向Z方向分为2组，压电陶瓷棒沿圆周方向极化。

4.根据权利要求3所述的压电电机，其特征在于：在所述压电陶瓷棒外侧表面上增加设置4个长条形地电极，增加的4个电极处于其8个电极之间，其长度与压电陶瓷棒的长度相等。

5.根据权利要求2所述的压电电机，其特征在于：所述压电陶瓷管的外侧表面上均匀对称分布8个长条形电极，其中沿圆周方向分为4组，沿轴向Z方向分为2组，其内表面全部面积设置地电极，且压电陶瓷管沿径向方向极化。

6.根据权利要求1所述的压电电机，其特征在于：所述压电单晶为Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)或Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)，其第一阶长度伸缩振动模式和第二阶弯曲振动模式具有相同或近似的共振频率。

7.根据权利要求6所述的压电电机，其特征在于：所述压电单晶的4个棱边上或4个侧面上对称分布8个长条形电极，沿轴向Z方向分为2组。

8.根据权利要求7所述的压电电机，其特征在于：所述压电单晶的纵截面为正方形，其厚度和宽度相等，且晶体沿厚度和宽度方向具有同等的晶体取向，为{100}或{110}晶体方向。

9.根据权利要求1所述的压电电机，其特征在于：所述压电单晶驱动器使用驻波式驱动或行波式驱动。

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