CN105723608B - 压电陶瓷平面电机及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种压电陶瓷平面电机，其包括平面基板和安装在所述平面基板上的动子，所述压电陶瓷平面电机还包括：至少一条压电陶瓷驱动腿，所述压电陶瓷驱动腿设置在所述动子上，用来驱动所述动子在所述平面基板上进行平面全向移动。还提供了一种用压电陶瓷驱动腿驱动平面电机的方法，实现了三种运动模式，即滑行模式、步行模式和微调模式。上述压电陶瓷平面电机及驱动方法可以有效地克服传统纳米定位平台运动范围小、速度慢的缺陷。

Description

压电陶瓷平面电机及其驱动方法
技术领域
本发明涉及平面电机领域，特别适用于压电陶瓷平面电机及其驱动方法。
背景技术
常规的平面电机具有二维直接驱动的特点，作为可以实现高精度、高频响的平面定位装置，近年来受到广泛关注。随着科技的进步，在现代工业和科学研究领域，尤其是半导体生产和微纳米加工方向，对纳米定位运动平台的需求正飞速增长。这些应用领域通常要求纳米定位平台具有很高的定位分辨率和定位精度，同时还要求平台有较大的运动行程。
在现有技术中，多种已经被开发的纳米定位平台采用的典型驱动方法包括电磁式平面电机、超声波平面电机、压电步行式平台，以及压电粘滑式平台。然而，上述的驱动方法都各自有一些缺点，例如电磁式平面电机需要复杂的运动控制；超声电机需要对共振体进行复杂的动力学分析，以及需要昂贵的摩擦材料；压电步行式平台运动速度较小；压电粘滑式平台的驱动力较小，而且有滑动摩擦导致的磨损。
发明内容
本发明的压电陶瓷平面电机可以有效地解决上诉纳米定位平台的问题，并克服了传统压电陶瓷运动平台运动范围小、速度慢的缺陷。
本发明是通过下述技术方案来实现：一种压电陶瓷平面电机，其包括平面基板和安装在所述平面基板上的动子，其特点在于，所述压电陶瓷平面电机还包括：至少一条压电陶瓷驱动腿，所述压电陶瓷驱动腿设置在所述动子上，用来驱动所述动子在所述平面基板上进行平面全向移动。
较佳地，所述平面电机还包括悬浮装置，所述悬浮装置使所述动子悬浮在所述平面基板上。
较佳地，所述悬浮装置为磁悬浮装置或空气悬浮装置。
较佳地，所述空气悬浮装置为至少一个空气轴承。
较佳地，所述平面电机还包括预紧机构，所述预紧机构使所述动子与所述平面基板之间产生预紧力。
较佳地，所述预紧机构为真空预紧机构或磁力预紧机构。
较佳地，所述压电陶瓷驱动腿包括至少一条多自由度驱动腿，布置在所述动子上，所述多自由度驱动腿的接触头提供至少两个自由度的运动。
较佳地，所述压电陶瓷驱动腿还包括至少一条单自由度驱动腿，布置在所述动子上，所述单自由度驱动腿的接触头提供一个自由度的运动。
较佳地，所述压电陶瓷驱动腿包括两条多自由度驱动腿和两条单自由度驱动腿。
较佳地，所述压电陶瓷驱动腿包括三条多自由度驱动腿和三条单自由度驱动腿。
较佳地，所述压电陶瓷平面电机包括六条多自由度驱动腿。
较佳地，所述多自由度驱动腿由剪切变形压电陶瓷和伸缩变形的压电陶瓷叠加而成。
较佳地，所述多自由度驱动腿包括至少两个第一压电陶瓷，所述至少两个第一压电陶瓷相互组合提供多自由度的运动。
较佳地，所述单自由度驱动腿通过一个第二压电陶瓷，所述第二压电陶瓷提供单自由度运动。
较佳地，所述压电陶瓷平面电机的运动控制模式包括滑行模式，在所述滑行模式中，存在所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板不接触的状态。
较佳地，压电陶瓷平面电机的运动控制模式包括滑行模式，在所述滑行模式中，存在所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板不接触的状态，所述动子处于悬浮状态。
较佳地，所述压电陶瓷平面电机的运动控制模式包括步行模式，在所述步行模式中，每一时刻至少有一条所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板接触。
较佳地，所述压电陶瓷平面电机的运动控制模式包括微调模式，在所述微调模式中，多条所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板在接触点不变的情况下，通过调整所述压电陶瓷驱动腿来实现动子位置的微调。
较佳地，所述压电陶瓷平面电机还包括位置反馈系统。
较佳地，所述位置反馈系统采用平面编码器或激光干涉仪。
较佳地，所述平面编码器包括读头和平面参照部件，所述平面参照部件安装在所述平面基板上；
所述读头安装在所述动子上，与所述动子一起移动，所述读头用于采集所述平面参照部件的信息，以获取所述动子在所述平面基板上的位置。
较佳地，所述平面编码器包括读头和平面参照部件，所述平面参照部件安装在所述动子上，与所述动子一起运动，所述读头安装在所述平面基板上；
当所述动子移动时，所述读头用于采集所述平面参照部件的位置信息，以获取所述动子在所述平面基板上的位置。
较佳地，所述平面编码器的所述平面参照部件采用光栅、显示装置或具有周期图案的基板。
本发明还提供了一种压电陶瓷平面电机的驱动方法，其特点在于，所述压电陶瓷平面电机如上所述，所述驱动方法通过使用至少一条压电陶瓷驱动腿驱动所述动子在所述平面基板上进行平面全向移动。
较佳地，所述驱动方法进一步包括：使用悬浮装置将所述动子悬浮在所述平面基板上。
较佳地，所述驱动方法进一步包括：使用预紧机构使所述动子与所述平面基板之间产生预紧力。
较佳地，所述驱动方法包括如下运动控制模式：滑行模式、步行模式或微调模式。
较佳地，所述驱动方法由系统根据当前位置和目标位置之间的距离和动子定位精度要求来自动选择运动控制模式。
较佳地，所述驱动方法包括开环控制方法或采用所述位置反馈系统的闭环控制方法。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供了一种压电陶瓷平面电机，用以纳米定位，可以有效地克服传统纳米定位平台的一些缺陷。所述压电陶瓷平面电机采用压电陶瓷驱动腿进行驱动，实现了三种运动控制模式，即滑行模式、步行模式和微调模式。滑行模式的运动速度最快，步行模式运动速度相对较慢，但定位精度更高，拥有高精度的轨迹跟踪能力，而微调模式用于平面电机在最终位置的调整，其具有最高的定位精度。
所述压电陶瓷平面电机具有如下特点：可以实现三自由度(XYθz)(此处θz表示Z方向上的旋转角度)、大行程(行程仅局限于基板的大小)、大旋转角(可以360°旋转)及全向运动控制，并具有纳米级定位分辨率、多种运动模式(包括高速模式和高精度模式)、六自由度位置微调功能以及较高的稳态刚度和定位稳定性。
附图说明
图1为本发明压电陶瓷平面电机的整体结构示意图。
图2为本发明压电陶瓷平面电机的爆炸图。
图3为本发明压电陶瓷平面电机中空气轴承的布置示意图一。
图4为本发明压电陶瓷平面电机中空气轴承的布置示意图二。
图5为本发明压电陶瓷平面电机中空气轴承的布置示意图三。
图6为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿和单自由度驱动腿的布置示意图一。
图7为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿和单自由度驱动腿的布置示意图二。
图8为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的布置示意图。
图9为本发明压电陶瓷平面电机中二自由度驱动腿的布置示意图。
图10为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的爆炸图。
图11为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的整体结构示意图。
图12为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿采用三自由度剪切变形压电陶瓷的结构示意图。
图13为图12中剪切变形压电陶瓷的原理示意图。
图14为本发明压电陶瓷平面电机中单自由度驱动腿的爆炸图。
图15为本发明压电陶瓷平面电机中单自由度驱动腿的整体结构示意图。
图16a为本发明压电陶瓷平面电机处于滑行模式中的运动示意图一。
图16b为本发明压电陶瓷平面电机处于滑行模式中的运动示意图二。
图16c为本发明压电陶瓷平面电机处于滑行模式中的运动示意图三。
图16d为本发明压电陶瓷平面电机处于滑行模式中的运动示意图四。
图17a为本发明压电陶瓷平面电机处于步行模式中的运动示意图一。
图17b为本发明压电陶瓷平面电机处于步行模式中的运动示意图二。
图17c为本发明压电陶瓷平面电机处于步行模式中的运动示意图三。
图17d为本发明压电陶瓷平面电机处于步行模式中的运动示意图四。
图18a为本发明压电陶瓷平面电机处于微调模式中的运动示意图一。
图18b为本发明压电陶瓷平面电机处于微调模式中的运动示意图二。
图18c为本发明压电陶瓷平面电机处于微调模式中的运动示意图三。
图18d为本发明压电陶瓷平面电机处于微调模式中的运动示意图四。
图19为本发明压电陶瓷平面电机中位置传感器采用平面编码器的结构示意图一。
图20为本发明压电陶瓷平面电机中位置传感器采用平面编码器的结构示意图二。
图21为本发明压电陶瓷平面电机的坐标定义示意图。
图22为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的参数定义示意图一。
图23为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的参数定义示意图二。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明压电陶瓷平面电机包括平面基板和安装在平面基板上的动子，所述压电陶瓷平面电机还包括至少一条压电陶瓷驱动腿，所述压电陶瓷驱动腿设置在动子上，用来驱动所述动子在所述平面基板上进行平面全向移动。以下实施例仅以举例，压电陶瓷驱动腿的数目、形式并不受实施例的限制。
此外，所述压电陶瓷驱动腿包括至少一条多自由度驱动腿，布置在所述动子上，所述多自由度驱动腿的接触头提供至少两个自由度的运动。进一步优选地，所述压电陶瓷驱动腿还包括至少一条单自由度驱动腿，布置在所述动子上，所述单自由度驱动腿的接触头提供一个自由度的运动。
在以下实施例中所述多自由度驱动腿以三自由度驱动腿作为举例，但这并不受到实施例的限制，所述多自由度驱动腿还可以采用二自由度驱动腿或四自由度驱动腿等具有多个自由度的驱动腿，均可实现本发明的方案。
图1为本发明压电陶瓷平面电机的整体结构示意图。图2为本发明压电陶瓷平面电机的爆炸图。如图1和图2所示，所述压电陶瓷平面电机包括平面基板10和安装在平面基板10上的动子30。在动子30的中心位置设有悬浮装置，使得动子30在平面基板10上滑行。至少两条三自由度驱动腿40，布置在动子30上，每一条三自由度驱动腿40的接触头提供三个自由度的运动。
特别地，所述压电陶瓷平面电机还包括至少两条单自由度驱动腿50，布置在动子30上，每一条单自由度驱动腿50的接触头提供一个自由度的运动。
优选地，如图1和图2所示，所述悬浮装置为至少一个空气轴承20。空气轴承20可以提供真空预紧，通过在轴承的中间位置提供真空吸附力，与空气轴承的浮力达到动态平衡，使得空气轴承20能以较高的刚度和稳定性将动子30悬浮于平面基板10之上。空气轴承20装在动子30上。例如，空气轴承20通过柔性铰链21与动子30连接，并且在柔性铰链21的周围均匀布置若干微调螺丝31，用于调整动子30的俯仰角、翻滚角和高度位置。
其中，上述空气轴承20在动子30上的布置方式有多种。例如，图3为本发明压电陶瓷平面电机中空气轴承的布置示意图一。图4为本发明压电陶瓷平面电机中空气轴承的布置示意图二。图5为本发明压电陶瓷平面电机中空气轴承的布置示意图三。如图3所示，所述悬浮装置选用一个空气轴承20，将空气轴承20布置在动子30的中心位置。如图4所示，所述悬浮装置选用三个空气轴承20，将这些空气轴承20布置在动子30上，可以形成各种排布形式，例如图4所示的三角形式等等。如图5所示，所述悬浮装置选用四个空气轴承20，将这些空气轴承20布置在动子30上，如布置在动子30的各个顶角处。上述提到的空气轴承20的数量和排布方式并不局限于上述举例，其他类似的方式均可以实现本发明的技术方案。
另外，所述悬浮装置还可以采用磁悬浮机构，所述磁悬浮机构产生悬浮力将动子30悬浮于平面基板10之上，实现动子30的平面全向移动。
此处，对于三自由度驱动腿40和单自由度驱动腿50的布置方式有多种。图6为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿和单自由度驱动腿的布置示意图一。如图6所示，所述压电陶瓷平面电机包括两条三自由度驱动腿40和两条单自由度驱动腿50，两条三自由度驱动腿40和两条单自由度驱动腿50分别布置在动子30上。具体地说，两条三自由度驱动腿40安装在动子30的一组对角位置，两条单自由度驱动腿50安装在动子30的另一组对角位置。四个驱动腿分别布置在平面电机的四个对角位置，给平面电机的运动提供驱动力。在不同的运动模式下，这两种压电陶瓷驱动腿会协同工作使得动子30具有平面全向运动的能力和在停留位置的六自由度空间微调能力。这种布置方式需要较少的压电陶瓷，因此制造成本较低。
除上述图6所示的布置方式之外，三自由度驱动腿40和单自由度驱动腿50还可以有其他布置方式。图7为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿和单自由度驱动腿的布置示意图二。如图7所示，所述压电陶瓷平面电机包括三条三自由度驱动腿40和三条单自由度驱动腿50，将三自由度驱动腿40和单自由度驱动腿50一一对应形成三组单自由度驱动腿50和三自由度驱动腿40的组合，分别布置在动子30上。具体地说，三组驱动腿分别安装在动子30的两个相邻对角位置和远离所述对角位置的侧边的中心位置。这种布置方式可以不使用空气轴承或者磁悬浮机构，直接使用磁铁将平面电机吸紧在平面基座上，电磁吸引力为驱动腿提供摩擦需要的预紧力，不使用空气轴承或者磁悬浮机构的优点是可以大幅简化系统的设计。这种布置方式也可以使用空气轴承或磁悬浮机构，使得运动更加顺畅。
图8为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿布置示意图。如图8所示，所述压电陶瓷平面电机包括六条三自由度驱动腿40，三自由度驱动腿40两两一组地分别布置在动子30上。具体地说，三自由度驱动腿40两两一组地安装在动子30的两个相邻对角位置和远离所述对角位置的侧边的中心位置。这种布置方式的优点是驱动腿的数目多，使得电机运行起来更加顺畅。这种布置方式可以选择不使用气浮或磁浮，而且速度也较快，因为三自由度驱动腿40可以交替驱动动子30而无需停留。
本发明中的三自由度驱动腿40还可以用二自由度驱动腿来替换。图9为本发明压电陶瓷平面电机采用二自由度驱动腿时的布置方案之一，所述方案采用三个二自由度驱动腿400，可以实现动子的平面全向移动，其中二自由度驱动腿的两个自由度分别为沿图中箭头所示方向的摆动和垂直于平面基板方向的伸缩。
上述结构中三自由度驱动腿40、单自由度驱动腿50及二自由度驱动腿400的数量和排布方式并不局限于上述举例，其他类似的方式均可以实现本发明的技术方案。
图10为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的爆炸图。图11为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的整体结构示意图。如图10和图11所示，根据上述结构，每一条三自由度驱动腿40包括第一底座41、第一外壳42，以及用于提供三个自由度的三个第一压电陶瓷43。每一个第一压电陶瓷43的底部通过垫片431均匀圆周地固定至第一底座41上。这里的垫片431可以通过胶水或其他辅助工具粘在第一底座41上。垫片431的作用是在拆除第一压电陶瓷43时，起到保护第一压电陶瓷43的作用。因为在拆卸第一压电陶瓷43时，可以将力直接施加在垫片431上撬开第一压电陶瓷43，而不是将拆除力施加在第一压电陶瓷43上。优选地，每一个第一压电陶瓷43的顶部还可以设置第一圆头顶尖44，此处的第一圆头顶尖44具有一个半球形的顶头，这样力通过第一圆头顶尖44可以沿着轴向方向施加到第一压电陶瓷43上，以消除可能破坏第一压电陶瓷43的切向力和力矩。
同时，三自由度驱动腿40还包括三自由度运动头47、柔性机构、第一弹性部件48及压紧螺盖49。压紧螺盖49通过第一弹性部件48将三自由度运动头47和所述柔性机构压紧在三个第一压电陶瓷43上。其中，所述柔性机构可以采用柔性变形盘或柔性金属件。优选地，三自由度运动头47的下表面和柔性盘46的上表面粘合，通过第一弹性部件48压紧在第一圆头顶尖44上。三自由度驱动腿40还可以包括调整螺帽481用于调整第一弹性部件48的预紧力，调整螺帽481安装在三自由度运动头47上。当然，更优选地这里还可以加设导向盘45。具体地，在导向盘45上设置有三个经过精密加工的圆柱槽451，使得第一圆头顶尖44分别对应嵌设在圆柱槽451内，用于给第一圆头顶尖44提供准确的运动位置。再由压紧螺盖49与调整螺帽481配合将柔性盘46的边缘和导向盘45一起连同第一压电陶瓷43压紧在第一外壳42内。
此处的三自由度运动头47使用轻质材料制成，其下表面和柔性盘46的上表面用胶水粘合。第一弹性部件48优选为两个叠加起来的蝶型弹簧，三自由度运动头47通过所述蝶形弹簧压紧在三个第一圆头顶尖44上。柔性盘46是使用电火花在金属片上加工而成。金属片上特殊的结构使得柔性盘46可以在特定的维度内拥有较大的变形能力，而在其他维度上具有较大的刚度。图10中所示的柔性盘46使得三自由度运动头47在伸长和两个摆动方向有较大的变形能力。因此，当三个第一压电陶瓷43作伸缩运动时，三个第一圆头顶尖44会顶着柔性盘46和三自由度运动头47，将三个第一压电陶瓷43的直线运动转换为三自由度运动头47的伸长和两个摆动运动。由于第一压电陶瓷43的伸长范围较小，因此需要有机械的运动放大设计，并且三个第一圆头顶尖44的摆放位置和三自由度运动头47沿中心轴线的长度决定了第一压电陶瓷43的运动放大效果。如果三个第一圆头顶尖44分布的圆周半径较小，且三自由度运动头47沿着轴线方向的长度较长，就会有较大的运动放大的效果，反之效果较小。
调整螺帽481主要用来调整第一弹性部件48的预紧力，第一压电陶瓷43需要在很高的压紧力下才能有很好的动态性能。特别地，在三自由度运动头47的顶端安装有接触头471，接触头471由防磨损材料制成，以减少磨损和后期方便更换。另外，三自由度驱动腿40也可以不采用上述结构设计，而是直接采用三自由度的剪切变形压电陶瓷来代替。
图12为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿采用三自由度剪切变形压电陶瓷的结构示意图。图13为图12中剪切变形压电陶瓷的原理示意图。如图12和图13所示，所述三自由度驱动腿可以直接采用三自由度的剪切变形压电陶瓷来代替。当在压电陶瓷施加电压时，压电陶瓷会产生横向位移。所以在设计三自由度驱动腿时可以采用两个剪切变形压电陶瓷70和一个伸缩变形的压电陶瓷80叠加而成。如图12所示，其中两个剪切变形压电陶瓷70使用胶水粘合起来，并使得两者的变形方向相垂直。当电压施加到这两个压电陶瓷上时，就可以实现X和Y两个相互垂直方向的平面运动。Z方向的伸缩运动使用一个伸缩变形的压电陶瓷80来提供，以实现驱动腿的伸长和缩短。所述三自由度驱动腿的顶端安装使用防磨损材料做成的接触头471与平面基板的接触。当三个压电陶瓷同时变形时，就可以实现驱动腿三个自由度的运动。这种结构可以使得三自由度驱动腿的设计更加的简洁和方便。
图14为本发明压电陶瓷平面电机中单自由度驱动腿的爆炸图。图15为本发明压电陶瓷平面电机中单自由度驱动腿的整体结构示意图。如图14和图15所示，根据上述结构，每一条单自由度驱动腿50包括第二底座51、第二外壳52，以及第二压电陶瓷53，第二压电陶瓷53用于提供一个自由度。第二压电陶瓷53的底部安装在第二底座51上。此外，单自由度驱动腿50还包括单自由度运动头56、第二弹性部件57及调节螺帽58。调节螺帽58通过第二弹性部件57将单自由度运动头56连同第二压电陶瓷53压紧在第二外壳52内。优选地，在第二压电陶瓷53的顶部还可以设置第二圆头顶尖54，其中单自由度运动头56设置在圆头顶尖上，第二圆头顶尖54的功能与上述第一圆头顶尖44相同。当然，更优选地这里还可以加设导向套55，导向套55套设在单自由度运动头56外部，并安装在第二外壳52的内部，使得单自由度运动头50能够沿着导向套55滑动。此处第二弹性部件57优选为两个叠加的蝶形弹簧，通过所述蝶形弹簧将单自由度运动头56压紧，使得压紧力作用在第二压电陶瓷53上。
当第二压电陶瓷53伸长时，其将运动传递到单自由度运动头56上。调整螺帽58安装在单自由度驱动腿50的第二外壳52上，用来调整弹簧施加的预紧力，使得第二压电陶瓷53有更好的动态性能。单自由度驱动腿50只提供单自由度运动头56的伸长运动。当第二压电陶瓷53驱动时，单自由度运动头56的头部与平面基板10接触，使得动子30产生制动的效果。
根据上述结构，本发明压电陶瓷平面电机具有三种运动控制模式：滑行模式、步行模式和微调模式。总的来说，滑行模式运动速度快；步行模式运动速度相对较慢，但定位精度更高，拥有高精度的轨迹跟踪能力；微调模式能对动子在目标位置附近进行微调，其定位控制精度最高，下文将进一步详细说明。
图16a为本发明压电陶瓷平面电机处于滑行模式中的运动示意图一。图16b为本发明压电陶瓷平面电机处于滑行模式中的运动示意图二。图16c为本发明压电陶瓷平面电机处于滑行模式中的运动示意图三。图16d为本发明压电陶瓷平面电机处于滑行模式中的运动示意图四。在滑行模式中，两个单自由度驱动腿50一直处于抬起状态，两个三自由度驱动腿40通过高速摆动来驱动动子30。在这种状态下，空气轴承20的阻力非常小，所以动子30可以像滑雪一样在平面基板10上高速滑行。所述滑动模式中三自由度驱动腿40的接触头与平面基板10可能会有滑动摩擦存在，这样会产生较严重的磨损。因此，为了降低滑动摩擦现象，动子30的加速度会被控制在一定的范围，以保证驱动力小于最大静摩擦力。这种运动模式能够使动子30以最快的速度到达目标位置。
图17a为本发明压电陶瓷平面电机处于步行模式中的运动示意图一。图17b为本发明压电陶瓷平面电机处于步行模式中的运动示意图二。图17c为本发明压电陶瓷平面电机处于步行模式中的运动示意图三。图17d为本发明压电陶瓷平面电机处于步行模式中的运动示意图四。在步行模式中，动子30如图17a-17d所示进行步进运动。单自由度驱动腿50与平面基板10接触以提供制动力，三自由度驱动腿40在平面基板10上拨动以提供驱动力。如图17b和图17c所示，当两个三自由度驱动腿40推动动子30时，两个单自由度驱动腿50会被抬起。如图17a和图17d所示，当两个三自由度驱动腿40抬起准备下一次驱动时，两个单自由度驱动腿50伸长将动子30锁停在平面基板10上。这种运动模式可以保持每一时刻至少有一条驱动腿与平面基板10接触，以防止外部的干扰力移动动子30。相比上述滑行模式，步行模式可以有很强的抗干扰能力和高精度的定位与轨迹跟随能力。
图18a为本发明压电陶瓷平面电机处于微调模式中的运动示意图一。图18b为本发明压电陶瓷平面电机处于微调模式中的运动示意图二。图18c为本发明压电陶瓷平面电机处于微调模式中的运动示意图三。图18d为本发明压电陶瓷平面电机处于微调模式中的运动示意图四。在微调模式中，两条三自由度驱动腿40和两条单自由度驱动腿50通过各自内部的第一压电陶瓷43和第二压电陶瓷53来调整动子30的六个自由度的空间位置。由于第一压电陶瓷43和第二压电陶瓷53的行程较短，所以微调模式的调整范围也较小。如图18a-18d所示，三自由度驱动腿40在开始时伸长并锁住动子30，通过第一压电陶瓷43具有的较高的位移分辨率来微调三自由度运动头的摆动角，从而调整动子30的位置。两个单自由度驱动腿50也会配合一起微调动子30的俯仰角，翻滚角和高度位置。由于两条三自由度驱动腿40和两条单自由度驱动腿50都能同时接触平面基板10，所以动子30可以保持最佳的稳定性。这里的微调模式主要用来微调动子30至目标位置，其拥有最高的定位精度，特别适用于高精度位置控制，例如半导体加工的光刻掩模对准。
本发明提供的另一种压电陶瓷平面电机的基本结构与上述压电陶瓷平面电机基本一致，其不同之处仅在于，本实施例压电陶瓷平面电机中的所述平面电机不采用悬浮装置，而是采用预紧机构，所述预紧机构安装在所述动子上，使所述动子与所述平面基板之间产生预紧力。所述预紧机构为真空预紧机构或磁力预紧机构(图中未示)，使得所述平面电机通过所述预紧机构与所述平面基板之间的吸引力实现在所述平面基板上的平面全向移动。这种结构的压电陶瓷平面电机适用于以下两种情况：即所述压电陶瓷平面电机的驱动腿包括三条三自由度驱动腿和三条单自由度驱动腿，所述三自由度驱动腿和所述单自由度驱动腿一一对应为一组，布置在所述平面电机上；或者所述压电陶瓷平面电机的驱动腿包括六条三自由度驱动腿，所述三自由度驱动腿两两一组地布置在所述平面电机上。
当然，上述结构中三自由度驱动腿、单自由度驱动腿的数量和排布方式并不局限于上述举例，其他类似的方式均可以实现本发明的技术方案。进一步地，所述压电陶瓷平面电机还包括位置反馈系统，所述位置反馈系统可以采用平面编码器或激光干涉仪。以平面编码器为例，图19为本发明压电陶瓷平面电机中位置传感器采用平面编码器的结构示意图一。如图19所示，所述压电陶瓷平面电机中设置的位置反馈系统采用平面编码器90，其中平面编码器90包括读头92和平面参照部件91，将平面参照部件91安装在平面基板10上，使得动子30在平面参照部件91上运动。读头92安装在动子30上与动子30一起移动，通过读头92采集平面参照部件91的信息，从而获取动子30在平面基板10上的位置。这里使用的平面编码器90的平面参照部件91优选为光栅、显示装置或者具有周期图案的基板。进一步优选地，在平面参照部件91上还可以增加保护层(图中未示)。
图20为本发明压电陶瓷平面电机中位置传感器采用平面编码器的结构示意图二。如图20所示，所述压电陶瓷平面电机中设置的位置反馈系统采用平面编码器90包括读头92和平面参照部件91，将平面参照部件91安装在动子30上(如图20所示平面参照部件91设在动子30的下端，与读头92相对)与动子30一起运动，读头92安装在平面基板30上，与平面参照部件91相对。这里使用的平面编码器90的平面参照部件91优选为光栅、显示装置或者具有周期图案的基板。当动子30移动时，读头92采集平面参照部件91的位置信息从而获取动子30在平面基板10上的位置。
本发明还提供了一种压电陶瓷平面电机的驱动方法，所述压电陶瓷平面电机如上所述，所述驱动方法通过使用至少一条压电陶瓷驱动腿驱动所述动子在所述平面基板上进行平面全向移动。
优选地，所述驱动方法进一步包括：使用悬浮装置将所述动子悬浮在所述平面基板上。优选地，所述驱动方法进一步包括：使用预紧机构使所述动子与所述平面基板之间产生预紧力。
此外，所述驱动方法包括如下运动控制模式：滑行模式、步行模式或微调模式。所述运动控制模式可以由用户选择，也可以由系统根据当前位置和目标位置之间的距离和动子定位精度要求来自动选择。所述驱动方法还包括开环控制方法或采用所述位置反馈系统的闭环控制方法。
如采用闭环控制方法，则动子30在开始运行时会通过位置传感器(图中未示)读取动子30的当前位置，再与预设的目标位置相比较得出需要移动的距离。如果运动控制模式由用户选择，系统将以用户选择的运动控制模式将动子驱动至目标位置。如果运动控制模式由系统自动选择，则系统会根据距离目标位置的远近和运动精度的要求来选择运动控制模式。如果动子30距离目标位置较远，则系统会选择滑行模式以最快的速度接近目标位置。当动子30达到目标位置附近一定范围以内时，系统会选择步行模式来以更高的精度趋近目标。最后当动子30在微调模式的运动范围内时，系统会选择微调模式将电机微调至最精确的目标位置。
一旦系统确定了运行模式之后，处理器(图中未示)会根据各个运行模式的控制算法来生成压电陶瓷的电压控制信号。第一压电陶瓷43和第二压电陶瓷53的电压控制信号通过功率放大器进行放大，从而驱动动子30的运动。在动子30移动一段距离后，系统会重新判断动子30是否已经达到距离目标位置。如果距离目标位置的距离在满足的范围之内，则系统提示平面电机已经达到理想位置，反之则重新开始控制回路。
此外，上述运动控制方法中涉及了各个运动模式的控制算法。图21为本发明压电陶瓷平面电机的坐标定义示意图。如图21所示，四个坐标系Ob，Om，Oleg_1，Oleg_2分别固定在平面基板、动子30和三自由度驱动腿40上。首先，假设平面电机相对于平面基板的坐标系的速度根据下述公式(1)得到：
则第i个三自由度驱动腿的速度在各自的坐标系下应该如下述公式(2)所示：
其中雅克比矩阵如下述公式(3)所示：
图22为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的参数定义示意图一。图23为本发明压电陶瓷平面电机中三自由度驱动腿的参数定义示意图二。如图22和图23所示，第i个三自由度驱动腿的运动头拥有三个自由度(δi、Φi、Zi)，是通过三个第一压电陶瓷的伸缩来驱动。如图22和图23示出的三个自由度变量的定义方式。其中角度δi定义了三自由度运动头运动所在的平面，称之为运动平面，同时这个变量也定义了驱动腿的驱动方向。角度δi的数值是通过上述公式(2)中的算出。第i个三自由度驱动腿的运动头摆动角Φi和运动头垂直伸长量Zi确定了所述运动头在运动平面内移动的位置。如图23中的r是三个第一压电陶瓷的均布半径，则第i个三自由度驱动腿内部的第j个第一压电陶瓷的位移长度可以通过下述公式(4)获得：
dji_3DOF＝-Zi-rcos[120°(j-1)+δi]Φi j＝1，2，3 i＝1，2 (4)
特别地，在滑行模式中，三自由度驱动腿40的接触头可以在三个第一压电陶瓷43的驱动下沿着一个椭圆轨迹60来驱动动子30。椭圆轨迹60所在的平面为运动平面，通过变量δi决定并随着运动方向的改变而改变。这里的第一压电陶瓷43的驱动速度可以高达几百赫兹，使得动子30能在平面基板上高速滑动。第i个三自由度驱动腿内部的第j个压电陶瓷的运动控制方程如下公式(5)-(7)所示：
dji_3DOP＝Aji cos(2πft+θji)j＝1，2，3 i＝1，2 (5)
其中，Az_i和AΦ_i分别定义了椭圆轨迹60的长轴和短轴，即三自由度驱动腿40每步抬起的高度和滑动步距。每一步抬起的高度可以调整三自由度驱动腿40与平面基板的接触压电，滑行步距可以调整动子30的滑行速度。驱动腿的驱动频率用f来表示，频率也可以用来控制平面电机的滑行速度。通过合理地调整各个变量，从而得到对三自由度驱动腿内部第一压电陶瓷的运动控制。
在步行模式中，两个三自由度驱动腿40和两个单自由度驱动腿50一起工作来驱动动子30逐步前进。三自由度驱动腿40的步行模式的控制算法与滑行模式中控制算法相同，其区别是步行算法使用了更低的驱动频率f(一般小于100Hz)。单自由度驱动腿50的控制方程较为简单，其控制方程只需要满足当三自由度驱动腿40在抬起迈步准备下一次驱动时，单自由度驱动腿50伸长压紧平面基板进行制动。第i个单自由度驱动腿通过如下公式(8)实现控制：
在微调模式中，两个三自由度驱动腿40和两个单自由度驱动腿50一起配合起来微调动子30在空间中六个自由度的位置。假设六个自由度的调整向量为和那么在三自由度驱动腿40和单自由度驱动腿50内部的第一压电陶瓷和第二压电陶瓷采用的控制方程如下公式(9)-(15)所示：
dji_3DOF＝-Zi-rcos[120°(j-1)+δi]ΔΦi j＝1，2，3 i＝1，2 (10)
其中：
综上所述，本发明提出了一种新型的用于大行程纳米定位的压电陶瓷平面电机。所述压电陶瓷平面电机利用了真空预压的空气轴承来降低运动阻力，同时保证了电机具有较高的刚度。另外还利用了多条压电陶瓷驱动腿(包括三自由度驱动腿和单自由度驱动腿，或全部为三自由度驱动腿)来驱动平面电机，从而达到纳米级的定位分辨率。此外，所述压电陶瓷平面电机具有三种工作模式：滑行模式，步行模式和微调模式。在滑行模式中，平面电机可以快速运动，适用于长距离的移动。在步行模式中，平面电机作步进运动，且步距可以调整，其运动速度相对较慢，但定位精度更高，拥有高精度的轨迹跟随能力。在微调模式中，驱动腿伸长压紧基板，并通过调整运动头的摆动角对动子的最终位置进行微调。微调模式下的平面电机的控制最稳定，定位精度也最高。上述三种工作模式可以结合起来，从而同时获得高速和高定位精度的优点。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (28)

1.一种压电陶瓷平面电机，其包括平面基板和安装在所述平面基板上的动子，其特征在于，所述压电陶瓷平面电机还包括：至少一条压电陶瓷驱动腿，所述压电陶瓷驱动腿设置在所述动子上，用来驱动所述动子在所述平面基板上进行平面全向移动；其中，所述压电陶瓷驱动腿包括至少一条多自由度驱动腿，布置在所述动子上，所述多自由度驱动腿的接触头提供至少两个自由度的运动。
2.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述平面电机还包括悬浮装置，所述悬浮装置使所述动子悬浮在所述平面基板上。
3.如权利要求2所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述悬浮装置为磁悬浮装置或空气悬浮装置。
4.如权利要求3所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述空气悬浮装置为至少一个空气轴承。
5.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述平面电机还包括预紧机构，所述预紧机构使所述动子与所述平面基板之间产生预紧力。
6.如权利要求5所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述预紧机构为真空预紧机构或磁力预紧机构。
7.如权利要求1-6任意一项所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述压电陶瓷驱动腿还包括至少一条单自由度驱动腿，布置在所述动子上，所述单自由度驱动腿的接触头提供一个自由度的运动。
8.如权利要求7所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述压电陶瓷驱动腿包括两条多自由度驱动腿和两条单自由度驱动腿。
9.如权利要求7所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述压电陶瓷驱动腿包括三条多自由度驱动腿和三条单自由度驱动腿。
10.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述压电陶瓷平面电机包括六条多自由度驱动腿。
11.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述多自由度驱动腿由剪切变形压电陶瓷和伸缩变形的压电陶瓷叠加而成。
12.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述多自由度驱动腿包括至少两个第一压电陶瓷，所述至少两个第一压电陶瓷相互组合提供多自由度的运动。
13.如权利要求7所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述单自由度驱动腿通过一个第二压电陶瓷，所述第二压电陶瓷提供单自由度运动。
14.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述压电陶瓷平面电机的运动控制模式包括滑行模式，在所述滑行模式中，存在所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板不接触的状态。
15.如权利要求2所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，压电陶瓷平面电机的运动控制模式包括滑行模式，在所述滑行模式中，存在所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板不接触的状态，所述动子处于悬浮状态。
16.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述压电陶瓷平面电机的运动控制模式包括步行模式，在所述步行模式中，每一时刻至少有一条所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板接触。
17.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述压电陶瓷平面电机的运动控制模式包括微调模式，在所述微调模式中，多条所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板在接触点不变的情况下，通过调整所述压电陶瓷驱动腿来实现动子位置的微调。
18.如权利要求1所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述压电陶瓷平面电机还包括位置反馈系统。
19.如权利要求18所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述位置反馈系统采用平面编码器或激光干涉仪。
20.如权利要求19所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述平面编码器包括读头和平面参照部件，所述平面参照部件安装在所述平面基板上；
所述读头安装在所述动子上，与所述动子一起移动，所述读头用于采集所述平面参照部件的信息，以获取所述动子在所述平面基板上的位置。
21.如权利要求19所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述平面编码器包括读头和平面参照部件，所述平面参照部件安装在所述动子上，与所述动子一起运动，所述读头安装在所述平面基板上；
当所述动子移动时，所述读头用于采集所述平面参照部件的位置信息，以获取所述动子在所述平面基板上的位置。
22.如权利要求20或21所述的压电陶瓷平面电机，其特征在于，所述平面编码器的所述平面参照部件采用光栅、显示装置或具有周期图案的基板。
23.一种压电陶瓷平面电机的驱动方法，其特征在于，所述压电陶瓷平面电机如权利要求1-22任意一项所述，所述驱动方法通过使用至少一条压电陶瓷驱动腿驱动所述动子在所述平面基板上进行平面全向移动。
24.如权利要求23所述的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法进一步包括：使用悬浮装置将所述动子悬浮在所述平面基板上。
25.如权利要求23所述的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法进一步包括：使用预紧机构使所述动子与所述平面基板之间产生预紧力。
26.如权利要求23所述的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法包括如下运动控制模式：滑行模式、步行模式或微调模式；在所述滑行模式中，存在所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板不接触的状态；在所述步行模式中，每一时刻至少有一条所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板接触；在所述微调模式中，多条所述压电陶瓷驱动腿与所述平面基板在接触点不变的情况下，通过调整所述压电陶瓷驱动腿来实现动子位置的微调。
27.如权利要求26所述的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法由系统根据当前位置和目标位置之间的距离和动子定位精度要求来自动选择运动控制模式。
28.如权利要求23-27任意一项所述的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法包括开环控制方法或采用位置反馈系统的闭环控制方法。
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