CN105634325A - 一种微型二自由度平面运动超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型二自由度平面运动超声电机，该电机包括依次连接的弹性预压力装置、压电陶瓷定子、滑动块，压电陶瓷定子为多层结构的压电陶瓷棒，其顶端粘接有一摩擦头，摩擦头上设置有滑动块；弹性预压力装置设置在压电陶瓷定子底部，提供预压力实现压电陶瓷定子和滑动块的摩擦接触；定子在电压激励下可以产生纵向Z方向第一阶纵向伸缩振动模态L1，横向X方向第2阶弯曲振动模态B2X和横向Y方向第4阶弯曲振动模态B4Y；被激发复合模态使端部摩擦头在XZ平面内做微幅高频椭圆运动，或在YZ平面内做“8”字型微幅高频运动，从而驱动与摩擦头接触的滑动块沿X或Y方向运动，或一个XY面内的任意方向平移运动。
Description
技术领域
本发明为一种二自由度压电超声电机，属于精密驱动领域。
背景技术
在微机电领域，精细制造等产业对精密驱动提出了更高的要求。而传统的电磁电机受制于其工作原理，转矩/质量比值不够大，体积缩小时能量效率明显下降，且无法断电自锁。因此在精密驱动领域应用逆压电效应和摩擦原理工作的超声电机显示了巨大的优势。
超声电机与传统电机相比,具有以下特点:结构简单、紧凑、转矩/质量比值大(是传统电机的3~10倍)；低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动；响应快(毫秒级)；断电自锁；在闭环条件下速度和位置控制性好，分辨率高；不产生磁场，不受外界磁场干扰；容易做成直线型超声电机；形状可以多样化(圆的、方的、空心的、杆状的)，等等。由于其优异的性能，超声电机在很多场合都可以取代电磁电机，拥有广阔的应用前景。在精密平台的驱动方面，利用超声电机低速大转矩，断电自锁等特点取代电磁电机则无需多余齿轮减速机构，可大大简化平台结构，降低成本，提高精度。
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（USPatent5877579）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。北京大学董蜀湘等人提出一种单定子结构的X-Y二自由度超声电机（中国发明专利CN101895231B），其利用压电陶瓷圆柱或方柱（横截面为正方形）的L1-B2X（或L1-B2Y）复合模态实现X（或Y）方向的驱动。B2X模态与B2Y模态是互为正交的同形模态，具有接近的共振频率，由于电机制备过程中可能存在结构的不对称，当驱动滑动块沿一个方向（譬如X方向）运动时可能同时激发出B2Y模态而产生滑动块沿Y方向的运动，致使电机难以控制。本发明提出的二自由度超声电机的主要优势在于激发L1-B2X复合模态可实现X方向的驱动，激发L1-B4Y复合模态可实现Y方向的驱动，B2X和B4Y模态具有不同的共振频率，故不会相互耦合，电机更容易控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提出了一种结构简单紧凑的小型二自由度超声电机以及提出了其驱动方法，实现了采用一个电机即可驱动平台的平面运动。
本发明提供的微型二自由度平面运动超声电机，包括压电陶瓷定子、滑动块、一个弹性预压力装置，所述压电陶瓷定子为一多层压电陶瓷棒，压电陶瓷棒顶端粘接有一摩擦头，在位于底端的弹性预压力装置的作用下与滑动块摩擦接触；所述压电陶瓷棒激发沿轴向Z方向的第一阶长度伸缩模态L1和沿X方向的第二阶弯曲振动模态B2X，以及沿Y方向的第四阶弯曲振动模态B4Y；以上所述的三种振动模态的共振频率具有以下关系：L1模态与B2X模态具有相等的共振频率，B4Y模态共振频率是L1模态共振频率的两倍。
所述压电陶瓷棒由若干层压电陶瓷薄片沿陶瓷棒长度方向叠加而成，在每层压电陶瓷薄片的上表面和下表面刷有金属电极，并且根据电机控制模态的需要压电陶瓷棒侧表面刷有金属电极，压电陶瓷薄片表面电极与压电陶瓷棒侧面电极导通。
压电陶瓷薄片上下表面电极的形状由压电陶瓷片的位置决定，相邻两片压电陶瓷薄片接触的两个表面的电极形状相同。
所述压电陶瓷薄片通过高温烧结处理为一体或者通过粘接成一整体。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明提供的一种二自由度压电超声电机及其驱动方法，压电陶瓷定子的纵向第一阶伸缩振动模态、横向X方向的第2阶弯曲振动模态、横向Y方向的第4阶弯曲振动模态的共振频率具有以下关系：。压电陶瓷定子同时激发出模态和模态时，在定子端部的摩擦头上能产生XZ面内的椭圆运动，驱动与摩擦头接触的滑动块沿X方向运动；压电陶瓷定子同时激发模态和模态时，在定子端部的摩擦头上能产生YZ平面内的“8”字型运动，驱动与摩擦头接触的滑动块沿Y方向运动，同时激发出这三个模态即可实现滑动块在XY平面内任意方向的平移运动。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明提供的二自由度平面运动超声电机结构示意图；
图2为电机定子的结构示意图；
图3、图4为电机定子夹持方式示意图；
图5为压电陶瓷定子的结构示意图；
图6、图7为压电陶瓷定子上211、215部分的每片陶瓷上下两表面电极示意图，阴影部分为电极；
图8、图9为压电陶瓷定子上212、214部分的每片陶瓷上下两表面电极示意图，阴影部分为电极；
图10、图11为压电陶瓷定子上213部分的每片陶瓷上下两表面电极示意图，阴影部分为电极；
图12至图15为压电陶瓷定子四个侧面的电极示意图，阴影部分为电极；
(a)前表面F面，(b)后表面B面，(c)左表面L面,(d)右表面R面；
图16至图18为压电陶瓷定子的振动模态示意图；
其中，1-超声电机、2-定子、3-滑动块、4-弹性预压力装置、5-电机外壳底部；
21-多层压电陶瓷柱、22-摩擦头、23a、23b-x方向的两个夹持位置、24a、24b-y方向的两个夹持位置；
211、212、213、214、215-多层压电陶瓷柱的五个部分、216-绝缘隔层陶瓷、21a至21n-电极；
F、B、L、R四个面分别表示多层压电陶瓷柱的前、后、左、右四个侧面。
具体实施方式
本发明提供一种二自由度压电超声电机，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由图1可见：所示的二自由度平面运动超声电机1，包括定子2、滑动块3、一个弹性预压力装置4。其中定子2结构如图2所示，由一个特定尺寸的多层压电陶瓷柱21和一个摩擦头22粘接组装而成。通过弹性预压力装置4实现摩擦头22和滑动块3的摩擦接触，其中弹性预压力装置4中的弹簧处于压缩状态。弹性预压力装置4中的弹簧一端作用于多层压电陶瓷柱21，另一端作用于电机外壳底部5。滑动块3安装在一个X-Y运动平台上，作平面内平移运动。
定子2的夹持方式如图3、图4所示，x方向的两个夹持位置23a,23b为模态的弯曲振动节点，y方向的两个夹持位置24a,24b为模态的弯曲振动节点；夹持方式为弹性夹持，只限制定子x，y方向的运动而不限制其z方向运动。
图5为多层压电陶瓷柱21的结构示意图。多层压电陶瓷柱21可分为5个部分（211、212、213、214、215），5部分压电陶瓷占总长度的比例分别为19%，10%，38%，10%,19%，每两部分之间间隔1%的绝缘隔层陶瓷216。多层压电陶瓷柱21由大量压电陶瓷薄片组合而成，可以通过高温烧结热处理成为一个整体，或者利用环氧树脂粘接成一个整体。本实施例中，多层压电陶瓷柱21在X,Y,Z三个方向的尺寸分别设定为13.4mm，9.5mm，50mm，211~215这5个部分的厚度分别为9.5mm，5mm，19mm，5mm，9.5mm，每两部分之间的隔层绝缘陶瓷216厚度0.5mm。
多层压电陶瓷柱21由大量压电陶瓷薄片组成，每片陶瓷两个表面（A面和B面）都涂有金属电极，电极的形状由压电陶瓷片的位置决定，相邻两片陶瓷片接触的两个表面的电极形状相同（即A面对A面，B面对B面），具体电极形状如图6至图11所示，其中阴影部分为电极。图中每片陶瓷的上下表面电极通过多层压电陶瓷柱21的侧面电极引出。多层压电陶瓷柱21的四个侧面电极形状如图12至15所示，阴影部分为电极,（a），（b），（c），（d）分别为前面F面，后面B面，左面L面和右面R面电极示意图。21a~21n为侧面电极，这14个电极分别刷在多层压电陶瓷柱21的5个部分(211、212、213、214、215)的不同侧面上。电机制备过程中压电陶瓷的极化工艺如下：在电极21a、21d上施加正电压，电极21e、21f上施加相等幅度的负电压，电极21g、21k接地；在电极21h、21j上施加正电压，电极21l、21n上施加相等幅度的负电压，电极21b、21c接地；电极21i施加正电压，电极21m接地。
超声电机1的驱动方式如下：在电极21i上施加频率幅度的正弦交流电，电极21m接地，即可激发Z方向第一阶纵向伸缩振动模态L1，如图16所示；在电极21h、21j、21l、21n上施加频率幅度相位相差90°的正弦交流电压，电极21g、21k接地,即可激发X方向第二阶弯曲振动模态B2X，如图17所示；二者同时施加即可合成定子2在XZ面内的顺时针方向或逆时针方向的椭圆运动，驱动滑动块3沿X正方向或负方向运动。在电极21i上施加频率幅度的正弦交流电，电极21m接地，激励第一阶纵向伸缩振动模态L1，同时在电极21a、21d、21e、21f上施加频率幅度的正弦交流电，电极21l、21n接地，即可激发Y方向第四阶弯曲振动模态B4Y，如图18所示,可以合成定子2在YZ面内的“8”字形运动，驱动滑动块3在Y方向运动。上述激励同时施加可实现滑动块3在XY平面内任意方向的运动。、、的大小独立调节，可以控制定子2在Z、X、Y方向的振幅，从而调节运动速度和驱动力。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种微型二自由度平面运动超声电机，包括压电陶瓷定子、滑动块、一个弹性预压力装置，其特征在于：所述压电陶瓷定子为一多层压电陶瓷棒，压电陶瓷棒顶端粘接有一摩擦头，在位于底端的弹性预压力装置的作用下与滑动块摩擦接触；所述压电陶瓷棒激发沿轴向Z方向的第一阶长度伸缩模态L1和沿X方向的第二阶弯曲振动模态B2X，以及沿Y方向的第四阶弯曲振动模态B4Y；以上所述的三种振动模态的共振频率具有以下关系：L1模态与B2X模态具有相等的共振频率，B4Y模态共振频率是L1模态共振频率的两倍。
2.根据权利要求1所述的一种微型二自由度平面运动超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷棒由若干层压电陶瓷薄片沿陶瓷棒长度方向叠加而成，在每层压电陶瓷薄片的上表面和下表面刷有金属电极，并且根据电机控制模态的需要压电陶瓷棒侧表面刷有金属电极，压电陶瓷薄片表面电极与压电陶瓷棒侧面电极导通。
3.根据权利要求2所述的一种微型二自由度平面运动超声电机，其特征在于：压电陶瓷薄片上下表面电极的形状由压电陶瓷片的位置决定，相邻两片压电陶瓷薄片接触的两个表面的电极形状相同。
4.根据权利要求2或3所述的一种微型二自由度平面运动超声电机，其特征在于：所述压电陶瓷薄片通过高温烧结处理为一体或者通过粘接成一整体。
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