CN106787933A - 基于准田字形压电振子驱动的平面电机及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多自由度压电超声电机技术，具体涉及基于准田字形压电振子驱动的平面电机及驱动方法，包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧组件，采用准田字形定子组件，且通过预紧组件与支座组件连接；动子组件分别连接定子组件和支座组件。电机通过激发准田字形定子组件的面外一阶对称弯曲振动、左右围杆面内一阶弯曲振动、前后围杆面内一阶弯曲振动三种模态的振动或近共振复合出两相椭圆运动轨迹，据此推动动子组件交替地沿x、y向移动。可实现微米甚至更高精度级平面运动；大大增加了电机输动力与速度并使电机运行平稳；电机利用面内驱动足推动动子组件，从而有利于实现平面电机的薄型化、平板化设计。

Description

基于准田字形压电振子驱动的平面电机及驱动方法

技术领域

本发明属于多自由度压电超声电机技术领域，尤其涉及基于准田字形压电振子驱动的平面电机及驱动方法。

背景技术

平面电机能实现平面运动装置直接驱动，是平面运动系统的理想驱动部件。为了推进平面电机技术的发展，近年来许多国家都在致力探索利用新的功能材料及新的物理效应，研制电磁平面电机、静电平面电机、微波平面电机、光热平面电机、形状记忆平面电机、压电平面电机等新型电机，其中电磁平面电机和压电平面电机相对更为现实一些。然而，尽管平面电磁电机也能实现二维或三维平面运动驱动，但却因其省却了中间缓冲、变换环节而使其内部的电磁参数摄动直接复映至电机运行特性上，与此同时，电磁耦合的固有非线性以及平面电磁电机绕组端部的齿槽效应均对电机输出特性产生较大影响，严重地制约了这类电机的运行稳定性及精密性，为此，人们将研究重点转向压电平面电机。压电平面电机作为超声电机一个独立分支而存在的时间虽不长，但却得到了较快发展。迄今为止，已推出压电平面电机有柱杆式、平板式、组合式等多种型式，比如，Ferreria通过对压电振子的陶瓷电极及驱动齿进行合理配置，实现了某工作平台的两自由度运动，该平台实质就是一种平面电机；CheeK也推出了压电平面电机，该电机是用3个压电电机巧妙复合而成，但其结构较大且非严格意义的平面电机；Hong通过激励矩板的一纵、四弯合成出两相椭圆而研制出一种平面电机，该电机速度100mm/s，但电机的辅助装置较多；Dembele推出了定位精度达2.5μm的三自由度平面电机；Vijver也推出一种压电三自由度压电平面运动作动器且其定位精度达l0nm，但电机速度极低。刘俊标在国内推出一种圆杆驱动的平面电机，通过激励圆杆两相正交弯曲振动合成出空间两相椭圆实现了平面运动驱动，但该电机性能不够理想；时运来研制出变截杆两正交四阶弯曲振动的驱动的平面电机，其速度190 mm/s；陈维山推出正交聚能器驱动的高速压电平面电机，速度960mm/s。为实现电机小型化，李朝东研制出矩框驱动结构的平面电机；程光明推出了惯性冲击式压电平面驱动器；金家楣也推出一种x向速度145mm/s、推力4.3N，y向速度180 mm/s、而推力为5.N的平面电机；严亮则推出单定子式平面超声驱动器；赵淳生研制出直线电机驱动的二维定位系统，实现了50mm行程内定位精度0.28μm。总的来看，由于发展时间不长，压电平面电机固有的精密和快响应特性远未发挥，电机性能离广泛的工程应用还有较大距离，已有压电平面电机原理和结构型式还极其有限，无法很好地满足应用领域对其提出的稳、快、准、好、小、薄、轻等多样需求，故发现全新压电平面电机原理和结构，深入平面电机工作驱动机理，推出更多压电平面电机样机以丰富平面电机型式，成为压电平面电机领域的重要研究内容。

发明内容

本发明的目的提出一种利用准田字弹性结构的压电平面电机，该电机利用准田字结构面内和外弯模态的复合振动，合成两相椭圆轨迹以推动动子做两相平移运动。该平面电机能产生精密平面运动，能输出较大动力与速度，应用于二维移动装置的精密定位和小型伺服机构精密驱动等领域。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于准田字形压电振子驱动的平面电机，包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧组件，采用准田字形定子组件，且通过预紧组件与支座组件连接；动子组件分别连接定子组件和支座组件。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，准田字形定子组件包括金属基体板、压电陶瓷组件和驱动足；金属基体板包括左围杆、右围杆、前围杆和后围杆以及十字板架，十字板架的四端分别与左围杆、右围杆、前围杆和后围杆采用柔性铰链连接，十字板架中心钻有定位孔，各围杆芯部均开有调整通孔；压电陶瓷组件包括粘贴于各围杆上、下表面及外侧的12片压电陶瓷片；驱动足设置于各围杆上表面两端，驱动足高度大于各压电陶瓷片厚度，且驱动足顶端涂敷摩擦材料。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，准田字形定子组件具有三种振动模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，十字板架端口与各围杆连接处均开有方槽，用于安装柔性铰链；各围杆及十字板架各端的横截面均为矩形或正方形。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，动子组件包括平面滑板、十字护珠板和若干滚珠；平面滑板上开设十字滑槽，槽宽大于滚珠直径；沿十字护珠板横向纵向各开有一排通孔与十字滑槽对应，通孔孔径小于滚珠直径；若干滚珠装入十字滑槽内，十字护珠板盖在平面滑板上，滚珠数量及位置与十字护珠板上通孔相对应，在十字护珠板和平面滑板的中心用螺钉固定，滚珠部分表面暴露于通孔之外；动子组件连接驱动足。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，支座组件包括机盒、盖板、定位销、凸台、4个定位块和定子挡架；机盒为长方体，包括底板和四周围板；底板中心钻有螺纹通孔，定位销安放在螺纹通孔中，并拧入紧定螺钉，定位销穿过十字板架的定位孔用于定子组件的安装定位；凸台安装于定位销周围；4个定位块用螺钉固定在底板上，每个定位块两相邻外侧面上各设置一圆弧凸起，圆弧凸起分别轻压在左围杆、右围杆、前围杆和后围杆的内侧，形成线接触连接，各定位块与对应围杆的接触点在各围杆的面内一阶弯曲振动节点处；定子挡架卡住十字板架中心，并通过螺钉固定于底板上，且定子挡架与十字板架之间采取润滑接触；盖板用螺钉固定在机盒的四周围板结合处，盖板采用矩框形结构；底板靠近四周围板处钻有四个安装通孔；盖板与滚珠连接构成滚动副。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，预紧组件包括碟形弹簧和至少一个环形垫圈；环形垫圈安放在凸台之上，碟形弹簧压在环形垫圈上，金属基体板压在碟形弹簧上。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，金属基体板选用磷青铜材料，压电陶瓷片采用PZT8。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，12片压电陶瓷片分成内激励陶瓷组和面外弯曲振动激励陶瓷组；粘贴于各围杆外侧的压电陶瓷片为面内激励陶瓷组，粘贴于各围杆上下表面的压电陶瓷片为面外弯曲振动激励陶瓷组；面内激励陶瓷组中置于左、右围杆外侧的为x向振动激励陶瓷片，置于前、后围杆外侧的为y向振动激励陶瓷片；各围杆上的面外弯曲振动激励陶瓷片粘贴在各围杆的面外一阶对称弯曲振动模态的波峰或波谷处；x向振动激励陶瓷片以及y向振动激励陶瓷片分别粘贴在左、右围杆，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态波峰或波谷处。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，x向振动激励陶瓷片，y向振动激励陶瓷片，面外弯曲振动激励陶瓷片均沿其厚度指向围杆表面的方向进行压电极化，各激励陶瓷片与金属基体板接触的电极接地。

基于准田字形压电振子驱动的平面电机的驱动方法，包括以下步骤，

（1）选取准田字形定子组件的三种振动模态作为其工作模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态三种工作模态；

（2）通过激发定子组件三种工作模态的共振或近共振，驱使其左、右围杆，前、后围杆上的驱动足分别沿xOz、yOz面做椭圆轨迹运动，进而推动动子组件沿x、y向移动；

（3）定子组件的三种工作模态的固有频率相等或尽可能趋于一致；定子组件结构尺寸须满足使三种工作模态频率处在超声频域之内；

（4）定子组件左、右围杆面内一阶弯曲振动模态共振用于推动动子组件沿x向移动；定子组件前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态共振用于推动动子组件沿y向移动；面外一阶对称弯曲振动模态共振实现左、右围杆，前、后围杆与动子组件的交替接触和分离，保证x、y向运动的实现。

在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机的驱动方法中，步骤（2）所述激发定子组件三种工作模态的共振或近共振包括左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态共振或近共振，采用在x向振动激励陶瓷片上施加幅值为150~300 V的交变正弦电功率信号进行激励；前、后围杆面内弯曲振动模态共振或近共振，采用在y向振动激励陶瓷片上施加幅值为150~300V的同频交变正弦电功率信号进行激励；面外一阶对称弯曲振动模态共振或近共振，采用在面外弯曲振动激励陶瓷片上施加幅值为150~300V的同频交变余弦电功率信号激发；施加在各压电陶瓷片上的交变电功率信号的驱动频率尽可能接近三种工作模态的固有频率。

本发明的原理如下：本发明基于准田字形压电振子驱动的平面电机，利用准田字形金属基体板的三种特定模态作为工作模态并通过激励这些模态的共振，推动平面滑板做平面运动，特定模态分别是准田字金属基体板的左右围杆的面内一阶弯曲振动模态、前后围杆的面内一阶弯曲振动模态、四根围杆的面外对称一阶弯曲振动模态。在这些模态中，四根围杆的面外对称一阶弯曲振动模态振动实现动子组件与定子组件动态接触与脱离，左右围杆面内一阶弯曲振动模态、前后围杆面内一阶弯曲振动模态的振动分别用于推动平面滑板的x向和y向运动。

四根围杆的面外对称一阶弯曲振动模态振动是利用逆压电效应进行激发的；当在四根围杆上、下两表面的压电陶瓷片通入特定的交变电功率信号时，可使前后围杆、左右围杆交替地与动子组件进行接触和分离，从而在定子组件与动子组件间产生x向、y向接触摩擦力；左右围杆面内一阶弯曲振动模态振动是利用逆压电效应进行激发的，当在左右围杆外侧的压电陶瓷片通入特定的交变电功率信号时，可使左右围杆产生面内一阶弯曲模态振动，驱使两围杆上的驱动足沿左、右方向振动，从而推动平面滑板朝x向移动；前后围杆面内一阶弯曲振动模态振动也利用逆压电效应进行激发，当在前后围杆外侧面上的压电陶瓷片通入特定交变电功率信号时，可使前后围杆产生面内一阶弯曲模态振动，驱使两围杆上的驱动足沿前、后方向振动，从而推动平面滑板朝y向移动。

本发明的有益效果是：

1、充分利用准田字形金属弹性结构的三种特定模态，实现电机的两个运动的直接驱动，避免了传统二维平面移动装置因采用两组直线运动变换机构所带来的运动误差，这就使平面电机具有微米甚至更高等级的精密运动和定位特性，并使平面电机具有快速响应工作特性。

2、定子组件的左右围杆和前后围杆的驱动足交替驱动动子运动，在运动驱动的每个时刻恒有4个驱动足同时推动动子运动，这使电机能输出较大推力并能保证电机运行的稳定性。

3、电机结构紧凑且有利于实现平面电机的薄型化、平板化。

附图说明

图1为本发明一个实施例平面电机装配结构示意图；

图2为本发明一个实施例平面电机外观结构示意图；

图3为本发明一个实施例定子组件示意图；

图4为本发明一个实施例金属基体板结构示意图；

图5为本发明一个实施例压电陶瓷组件配置方案示意图；

图6为本发明一个实施例动子组件的结构示意图；

图7为本发明一个实施例支座组件的结构示意图；

图8为本发明一个实施例预紧组件的结构示意图；

图9为本发明一个实施例左右围杆面内弯曲振动工作模态示意图；

图10为本发明一个实施例前后围杆面内弯曲振动工作模态示意图；

图11为本发明一个实施例面外对称一阶弯曲振动工作模态示意图；

图12为本发明一个实施例压电陶瓷组件极化供电方式示意图；

图13为本发明一个实施例推动动子组件沿x向移动第1步的主视图；

图14为本发明一个实施例推动动子组件沿x向移动第1步的俯视图；

图15为本发明一个实施例推动动子组件沿x向移动第1步的左视图；

图16为本发明一个实施例推动动子组件沿y向移动第1步的主视图；

图17为本发明一个实施例推动动子组件沿y向移动第1步的俯视图；

图18为本发明一个实施例推动动子组件沿y向移动第1步的左视图；

图19为本发明一个实施例推动动子组件沿y向移动第2步的主视图；

图20为本发明一个实施例推动动子组件沿y向移动第2步的俯视图；

图21为本发明一个实施例推动动子组件沿y向移动第2步的左视图；

图22为本发明一个实施例推动动子组件沿x向移动第2步的主视图；

图23为本发明一个实施例推动动子组件沿x向移动第2步的俯视图；

图24为本发明一个实施例推动动子组件沿x向移动第2步的左视图；

图中：1-定子组件，2-动子组件，3-支座组件，4-预紧组件；11-金属基体板，12-压电陶瓷组件，13-驱动足；111-左围杆，112-右围杆，113-前围杆，114-后围杆，115-十字板架，116-定位孔，117-柔性铰方槽，118-调整孔；121-面内弯曲振动激励压电陶瓷片，122-面外弯曲振动激励压电陶瓷片，1211-左右围杆x向振动激励陶瓷片，1212-左右围杆y向振动激励陶瓷片；21-平面滑板，22-十字护珠板，23-滚珠，24-螺钉，25-十字滑槽；31-机盒，32-盖板，33-定位销，34-凸台，35-螺钉，36-定位块，37-定子挡架；41-碟形弹簧，42-环形垫圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用如下技术方案，基于准田字形压电振子驱动的平面电机，包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧组件，采用准田字形定子组件，且通过预紧组件与支座组件连接；动子组件分别连接定子组件和支座组件。

进一步，准田字形定子组件包括金属基体板、压电陶瓷组件和驱动足；金属基体板包括左围杆、右围杆、前围杆和后围杆以及十字板架，十字板架的四端分别与左围杆、右围杆、前围杆和后围杆采用柔性铰链连接，十字板架中心钻有定位孔，各围杆芯部均开有调整通孔；压电陶瓷组件包括粘贴于各围杆上、下表面及外侧的12片压电陶瓷片；驱动足设置于各围杆上表面两端，驱动足高度大于各压电陶瓷片厚度，且驱动足顶端涂敷摩擦材料。

进一步，准田字形定子组件具有三种振动模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态。

进一步，十字板架端口与各围杆连接处均开有方槽，用于安装柔性铰链；各围杆及十字板架各端的横截面均为矩形或正方形。

进一步，动子组件包括平面滑板、十字护珠板和若干滚珠；平面滑板上开设十字滑槽，槽宽大于滚珠直径；沿十字护珠板横向纵向各开有一排通孔与十字滑槽对应，通孔孔径小于滚珠直径；若干滚珠装入十字滑槽内，十字护珠板盖在平面滑板上，滚珠数量及位置与十字护珠板上通孔相对应，在十字护珠板和平面滑板的中心用螺钉固定，滚珠部分表面暴露于通孔之外；动子组件连接驱动足。

进一步，支座组件包括机盒、盖板、定位销、凸台、4个定位块和定子挡架；机盒为长方体，包括底板和四周围板；底板中心钻有螺纹通孔，定位销安放在螺纹通孔中，并拧入紧定螺钉，定位销穿过十字板架的定位孔用于定子组件的安装定位；凸台安装于定位销周围；4个定位块用螺钉固定在底板上，每个定位块两相邻外侧面上各设置一圆弧凸起，圆弧凸起分别轻压在左围杆、右围杆、前围杆和后围杆的内侧，形成线接触连接，各定位块与对应围杆的接触点在各围杆的面内一阶弯曲振动节点处；定子挡架卡住十字板架中心，并通过螺钉固定于底板上，且定子挡架与十字板架之间采取润滑接触；盖板用螺钉固定在机盒的四周围板结合处，盖板采用矩框形结构；底板靠近四周围板处钻有四个安装通孔；盖板与滚珠连接构成滚动副。

进一步，预紧组件包括碟形弹簧和至少一个环形垫圈；环形垫圈安放在凸台之上，碟形弹簧压在环形垫圈上，金属基体板压在碟形弹簧上。

进一步，金属基体板选用磷青铜材料，压电陶瓷片采用PZT8。

进一步，12片压电陶瓷片分成内激励陶瓷组和面外弯曲振动激励陶瓷组；粘贴于各围杆外侧的压电陶瓷片为面内激励陶瓷组，粘贴于各围杆上下表面的压电陶瓷片为面外弯曲振动激励陶瓷组；面内激励陶瓷组中置于左、右围杆外侧的为x向振动激励陶瓷片，置于前、后围杆外侧的为y向振动激励陶瓷片；各围杆上的面外弯曲振动激励陶瓷片粘贴在各围杆的面外一阶对称弯曲振动模态的波峰或波谷处；x向振动激励陶瓷片以及y向振动激励陶瓷片分别粘贴在左、右围杆，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态波峰或波谷处。

更进一步，x向振动激励陶瓷片，y向振动激励陶瓷片，面外弯曲振动激励陶瓷片均沿其厚度指向围杆表面的方向进行压电极化，各激励陶瓷片与金属基体板接触的电极接地。

基于准田字形压电振子驱动的平面电机的驱动方法，包括以下步骤，

（1）选取准田字形定子组件的三种振动模态作为其工作模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态三种工作模态；

（2）通过激发定子组件三种工作模态的共振或近共振，驱使其左、右围杆，前、后围杆上的驱动足分别沿xOz、yOz面做椭圆轨迹运动，进而推动动子组件沿x、y向移动；

（3）定子组件的三种工作模态的固有频率相等或尽可能趋于一致；定子组件结构尺寸须满足使三种工作模态频率处在超声频域之内；

（4）定子组件左、右围杆面内一阶弯曲振动模态共振用于推动动子组件沿x向移动；定子组件前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态共振用于推动动子组件沿y向移动；面外一阶对称弯曲振动模态共振实现左、右围杆，前、后围杆与动子组件的交替接触和分离，保证x、y向运动的实现。

更进一步，步骤（2）所述激发定子组件三种工作模态的共振或近共振包括左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态共振或近共振，采用在x向振动激励陶瓷片上施加幅值为150~300 V的交变正弦电功率信号进行激励；前、后围杆面内弯曲振动模态共振或近共振，采用在y向振动激励陶瓷片上施加幅值为150~300V的同频交变正弦电功率信号进行激励；面外一阶对称弯曲振动模态共振或近共振，采用在面外弯曲振动激励陶瓷片上施加幅值为150~300V的同频交变余弦电功率信号激发；施加在各压电陶瓷片上的交变电功率信号的驱动频率尽可能接近三种工作模态的固有频率。

具体实施时，参见图1至图7，基于准田字形压电振子驱动的平面电机包括定子组件1、动子组件2、支座组件3和预紧组件4，定子组件1呈准田字形结构故亦称准田字形压电振子；定子组件1连接支座组件3；动子组件2连接定子组件1；预紧组件4连接支座组件3；预紧组件4连接定子组件1；支座组件3的盖板32连接动子组件2并构成滚动副。

定子组件1包括金属基体板11、压电陶瓷组件12、驱动足13。金属基体板11呈准“田”字结构，它包括左围杆111、右围杆112、前围杆113和后围杆114四根矩形或正方形截面的围杆以及十字板架115，各围杆均连接在十字板架115上，在十字板架中心钻有定位孔116，而在各围杆芯部则开有调整通孔118。十字板架115与四根围杆连接处开有柔性铰方槽117。各围杆上、下表面及外侧，均粘贴压电陶瓷片12。各围杆上表面的两端均设置了驱动足13，驱动足13顶面须高过压电陶瓷组件14中各压电陶瓷片的厚度，且驱动足13顶端涂敷高性能摩擦材料。

压电陶瓷组件12包括了12片压电陶瓷片，它们被分成了两个组别，其中粘在各围杆外侧的压电陶瓷片构成面内激励陶瓷组121，粘贴于各围杆上下表面压电陶瓷构成面外弯曲振动激励陶瓷组122。在面内激励陶瓷组121的各压电陶瓷片中，置于左、右围杆外侧的被称作x向振动激励陶瓷片1211；而置于前、后围杆外侧的则称为y向振动激励陶瓷片1212。

动子组件包括平面滑板21，十字护珠板22，滚珠23；平面滑板21上开设十字滑槽25，滚珠23装于其内；在十字护珠板22横向纵向各钻一排小通孔。十字护珠板22盖在平面滑板21上，并在十字护珠板和平面滑板的中心用螺钉24将它们固为一体；滚珠23的部分表面暴露在十字护珠板22上的小通孔之外。

支座组件包括机盒3、盖板32、定位销33、凸台34、定位块36、定子挡架37，其中，机盒3为长方体，由底板和四周围板组成；定位块有4个，它们用螺钉固定在机盒3的底板上；定子挡架37也固定在机盒3的底板上；盖板32用螺钉35固定在机盒3的四周围板的结合处。在机盒3的底板中心钻有螺纹通孔，螺纹通孔中放入定位销33并在螺纹通孔内拧入紧定螺钉，凸台34安装于定位销周围；底板靠近周边处钻了四个通孔，用于电机的安装。盖板32为矩框形结构，这样可使动子组件中部位置外露。

参见图8，预紧组件4由碟形弹簧41、环形垫圈42组成。环形垫圈42装配在支座组件的凸台34之上，碟形弹簧41压在环形垫圈42上，定子组件2压在碟形弹簧上41上。

本实施例基于准田字形压电振子驱动的平面电机的驱动方法，选择准田字定子组件11的三种特定的振动模态作为工作模态。这些模态分别是准田字金属弹性板的左右围杆的面内一阶弯曲振动模态、前后围杆的面内一阶弯曲振动模态、四根围杆的面外对称一阶弯曲振动模态。电机工作时，通电激发左右围杆面内一阶弯曲振动模态共振，使两杆上的驱动足13推动动子组件沿x向移动；通电激发前后围杆面内一阶弯曲振动模态共振，使两杆上的驱动足13推动动子组件沿y向移动；通电激发面外一阶对称弯曲振动模态的共振，使左右围杆、前后围杆交替与动子组件2进行接触和分离，从而使左右围杆、前后围杆交替推动动子组件沿x向和y向移动。

而且，左右围杆一阶弯曲振动模态的共振，须通过在两杆外侧上的x向振动激励陶瓷片1211施加正弦电功率信号进行激发；前后围杆一阶弯曲振动模态的共振，须通过在两杆外侧上的y向振动激励陶瓷片1212施加正弦电功率信号进行激发；面外对称一阶弯曲振动工作模态共振，则须通过在面外弯曲振动激励陶瓷122施加余弦电功率信号进行激发。

以下详细描述实施例的实现，如图1、图2所示，基于准田字形压电振子驱动的平面电机，包括定子组件1、动子组件2、支座组件3和预紧组件4，平面电机外观上具有田字形特征，其定子组件1连接支座组件3，动子组件2连接定子组件1上的驱动足13，支座组件3通过其盖板32连接动子组件2上的滚珠32，并与动子组件形成滚动副，旨在减少动子组件3运行时的摩擦阻力；预紧组件4连接支座组件3和定子组件1。

如图3所示，定子组件1包括金属基体板11、压电陶瓷组件12、驱动足13。金属基体板11可以磷青铜材料制成，外观上呈现准“田”字形结构，它由左围杆111、右围杆112、前围杆113、后围杆114与十字板架115组成。各围杆的截面为矩形或正方形，它们分别连接十字板架115的四端，且采用了柔性铰链连接方式，以减小十字板架对各围杆振动工作模态的影响。

如图4所示，在十字板架中心部位钻有定子定位孔116，安装定子组件2时，利用定位孔116与支座组件3上定位销33之间的配合实现定子组件2的安装定位。金属基体板11上各围杆的芯部均钻有调整通孔118，主要是为了降低各围杆弯曲刚度以利于增大围杆弯曲振幅，同时还可通过调整这些孔的直径来调节电机三种工作模态的频率，旨在实现电机工作模态频率的一致性。在金属基体板11与各围杆连接处，开有窄方槽117，其作用在于实现十字板架115与各围杆的柔性铰链连接。各围杆上表面端部均设置两个驱动足13，且上下两表面及其外侧面均粘贴高性能压电陶瓷片PZT8。为了避免压电陶瓷片与动子组件出现工作冲突，驱动足13的高度应须高过压电陶瓷组件12中压电陶瓷片的厚度，并且为了增大定子组件1对动子组件2作用的摩擦驱动力，在驱动足13的表面涂敷有大摩擦系数的耐磨摩擦材料。

如图5所示，压电陶瓷组件12共包括12片压电陶瓷片，它们被分成了两个组别，其中粘贴在各围杆外侧的压电陶瓷片构成面内激励陶瓷组121，粘贴于各围杆上下表面压电陶瓷构成面外弯曲振动激励陶瓷组122。在面内激励陶瓷组121的各压电陶瓷片中，置于左、右围杆外侧的被称作x向振动激励陶瓷片1211；而置于前、后围杆外侧的则称为y向振动激励陶瓷片1212。为尽可能增大四根围杆的面外弯曲工作模态振动效应，要求各围杆上的面外弯曲振动激励陶瓷片122应尽可能粘贴在各围杆的面外一阶对称弯曲振动工作模态的波峰或波谷处。同时，为增强各围杆的面内一阶工作模态共振效应，要求x向振动激励陶瓷片1211以及y向振动激励陶瓷片1212分别粘贴左右围杆、前后围杆的面内一阶弯曲振动工作模态波峰或波谷处。

如图6所示，所述动子组件包括平面滑板21、十字护珠板22、滚珠23。平面滑板21上铣出了十字滑槽25，并且槽宽应略大于滚珠直径以便滚珠23能装在滑槽内。十字护珠板22主要起到挡护滚珠23的作用。沿十字护珠板22的纵向、横向钻出两排小的通孔，小通孔的孔径略小于滚珠直径，并且小通孔的数量及其位置分别与滑槽内滚珠23数量及位置相对应。十字护珠板22盖在平面滑板21上，并在十字护珠板和平面滑板的中心用螺钉24将它们固定为一体，须使滚珠23上有一部分表面外露在十字护珠板22的小通孔之外，从而使滚珠23与盖板32形成滚动副以减小摩擦阻力。

如图7所示，支座组件包括机盒3、盖板32、定位销33、凸台34、定位块36、定子挡架37，其中，定位块共有4个，它们用螺钉固定在机盒3的底板上，而各定位块36上的两相邻侧面上均设置了两个圆弧凸起，且两个凸起分别轻压在定子组件1的两相邻围杆的内侧，形成线接触连接，而4个定位块上共8个凸起分别与4根围杆接触，能起到限制定子x、y向移动与绕z轴转动的作用。定子挡架37跨在金属基体板11的十字板架115上，进行轻压后，用螺钉将其固定在机盒3的底板上，起限制定子的z向移动的作用。为了尽可能减少因定子组件2的定位固定而给其工作模态的振动带来的不良影响，定位块与围杆接触的位置必须是围杆的面内一阶弯曲振动的节点处，而定子挡架37与定子组件2之间应实施简单润滑，旨在尽量减小档架37对十字板架115滑移运动的摩擦阻力。盖板32通过螺钉35固定在机盒3的四周围板的结合处。在机盒3的底板中心处钻有螺纹通孔，放入定位销33并在螺纹通孔内拧入紧定螺钉，通过定位销33与十字板架定位孔116的配合，实现定子组件的安装定位。在底板靠近四周围板的位置钻四个通孔，用作平面电机的安装固定。盖板32呈矩框形结构，旨在保证动子组件2的中间部位能呈外露状态。

如图8所示，预紧组件4包括碟形弹簧41和若干个环形垫圈42。环形垫圈42安放在支座组件的凸台34之上，碟形弹簧41压在环形垫圈42上，定子组件1的金属基体板11压在碟形弹簧41上。预紧组件4实现定子组件1对动子组件2的预紧加压作用，以使定子组件1对动子组件2产生较大的摩擦驱动力。增加或减少环形垫圈42的数量，可调节定子组件1与动子组件2的预紧程度，从而调节电机输出动力的大小。

如图9、图10、图11所示，本实施例基于准田字形压电振子驱动的平面电机的驱动方法，选取准田字形定子组件11的三种特定的振动模态作为其工作模态，这些模态分别是左右围杆的面内一阶弯曲振动模态、前后围杆的面内一阶弯曲振动模态、四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态。平面电机通过激发定子组件1上述三种工作模态的共振或近共振，驱使其左右围杆、前后围杆上的驱动足13分别沿xOz、yOz面做椭圆轨迹运动，进而借助驱动足13作用动子组件2上的摩擦力，推动动子组件2沿x、y向移动。为合成出上述两相椭圆轨迹运动，要求定子组件的三相工作模态的固有频率必须相等或尽可能趋于一致。同时，为了防止电机在运转时产生较大的机械噪声，须合理设计定子组件1的结构尺寸，使三相工作模态频率处在超声频域之内，这样一来，在对三相工作模态进行激励时，定子的各围杆就会做超声频域工作模态共振或近共振，使左右围杆驱动足13沿xOz面做椭圆运动，而前后围杆则沿yOz面做椭圆运动。定子组件1的三种工作模态的作用分别是：定子组件1左右围杆面内一阶弯曲振动模态共振主要起推动动子组件2沿x向移动之作用；定子组件1前后围杆的面内一阶弯曲振动模态共振，主要起推动动子组件2沿y向移动之作用；面外一阶对称弯曲振动模态共振则实现左右围杆、前后围杆与动子组件2的交替接触和分离，保证x、y向运动的实现。

如图12所示，定子组件2上左右围杆的面内一阶弯曲振动模态共振或近共振，是通过在左右围杆的x向振动激励陶瓷片1211上施加幅值在150~300 V范围之内的交变正弦电功率信号进行激励的；前、后围杆面内弯曲振动模态共振或近共振，则通过在前后围杆的y向振动激励陶瓷片1212施加幅值在150~300V范围之内的同频交变正弦电功率信号进行激励的；面外一阶对称弯曲振动模态的共振或近共振，则通过在面外弯曲振动激励陶瓷122施加幅值为150~300V的同频交变余弦电功率信号激发的。为能够激发出电机正常运行所需的足够大的驱动足13振幅，施加在各压电陶瓷片上的交变电功率信号的驱动频率，必须与三种工作模态的固有频率尽可能接近。

为了保证在对压电陶瓷片进行通电后能有效地激发定子组件2三种工作模态的共振或近共振，必须对压电陶瓷组件12内的各陶瓷片极化配置方式进行合理设计，亦即要求各压电陶瓷片均需沿其厚度指向围杆表面的方向进行压电极化，各压电陶瓷片与定子组件1的金属基体板接触的电极应接地。

在准田字形定子组件1的一个振动工作周期T内，定子组件1分四个阶段对动子组件2进行推动以实现平面电机的x、y向的移动。考虑到左围杆111与右围杆112、前围杆113与后围杆114的振动及其对动子组件2的驱动情况完全相同，故下面仅以右围杆112、前围杆113为例来说明动子组件2的平面运动推动过程，具体如下：

第一步（在0~T/4时段），如图13、图14、图15所示，在xOz面内，右围杆112由最大上弯状态弯回到面外弯曲振动的零弯曲变形量状态，使其驱动足13保持与动子组件2接触；而在沿xOy平面内，右围杆112由面内弯曲变形为零的状态弯曲到最大右弯状态，使右围杆112上的两个驱动足A、B分别由A1、B1运行到A2、B2，从而推动动子组件2沿x向移动第一步。与此同时，在xOz面内，前围杆113由最大下弯状态弯回到面外零弯曲变形量状态，前围杆113上的驱动足13与动子组件2相分离；在沿xOy面内，前围杆113由面内零弯曲变形量状态向前弯曲到面内最大前弯状态，使前围杆113上的驱动足E、F分别由E1、F1行进到E2、F2。

第二步（在T/4~T/2时段），如图16、图17、图18所示，在沿xOz平面内，右围杆112由面外零弯曲量变形状态向下弯曲到最大下弯状态，使其驱动足13与动子组件2相分离；而在沿xOy面平面内，右围杆112由最大右弯状态回复到面内零弯曲变形状态，使右围杆112上的两个驱动足A、B分别由A2、B2到达A3、B3。同时，在xOz面内，前围杆113由面外零弯曲量变形状态向上弯曲至最大上弯状态，使前围杆113上的两个驱动足与动子组件2进行接触；沿xOy面之内，前围杆113由面内最大前弯态向后弯曲成面内零弯曲变形状态，使前围杆上的两驱动足E、F由E2、F2到达E3、F3并且推动动子组件2沿y向后移一步。

第三步（在T/2~3T/4时段），如图19、图20、图21所示，在沿xOz平面内，右围杆112由最大下弯状态弯回到面外零弯曲量变形量状态，使其驱动足13与动子组件2之间保持分离状态；沿xOy面内，右围杆112由面内零弯曲变形量状态向左弯曲到最大左弯状态，使右杆112上的两个驱动足A、B分别由A3、B3到达A4、B4。同时，在xOz面内，前围杆113则由最大上弯状态回复到面外零弯曲变形量状态，使前围杆113上的驱动足13仍保持与动子组件2相接触；沿xOy面内，前围杆由面内零弯曲变形量状态向后弯曲成最大后弯状态，驱使前围杆113上的两个驱动足E、F由E3、F3行进到E4、F4，从而推动动子组件2沿y向后移第二步。

第四步（在3T/4~ T时段），如图22、图23、图24所示，沿xOz面内，右围杆112由面外零弯曲变形量状态向上弯曲到最大上弯状态，使右围杆112的驱动足13与动子组件2开始接触；沿xOy面内，右围杆112由面内最大左弯状态回复到面内零弯曲变形量状态，使右围杆112上的两个驱动足A、B分别由A4、B4到达A1、B1，从而推动动子组件2沿x向移动第二步。同时，在xOz面内，前围杆112由面外零弯曲变形量状态向下弯曲到最大下弯状态，使前围杆113上的驱动足13与动子组件2相分离；沿xOy面内，前围杆113则由最大后弯状态弯回到面内零弯曲变形量状态，使前围杆113上的两驱动足E、F由E4、F4行进到E1、F1。

每当定子组件1完成一个振动周期T，它就就将推动动子组件2上的平面滑板21分别沿x、y向移动2个步距，而当定子组件1不断重复上述振动循环时，它将推动平面滑板21不断沿着x、y向行进。如果逆转面外一阶对称弯曲振动工作模态振动与左右围杆面内一阶弯曲振动模态振动之间相位差，或者逆转面外一阶对称弯曲振动工作模态振动与前后围杆的面内一阶弯曲振动模态振动之间的相位差，则平面滑板21将反向运行。

综上所述，在本实施例中定子组件连接支座组件，动子组件连接定子组件的驱动足，支座组件的盖板连接动子组件上的滚珠并构成滚动副，预紧组件下端连接支座组件、上端连接定子组件。定子组件外观呈“田”字形结构，电机通过激发准田字形定子组件的面外一阶对称弯曲振动、左右围杆面内一阶弯曲振动、前后围杆面内一阶弯曲振动三种模态的振动或近共振复合出两相椭圆运动轨迹，据此推动动子组件交替地沿x、y向移动。由定子组件直接驱动动子组件，故平面电机可实现微米甚至更高精度级别的平面运动；定子组件上八个驱动足分两组交替地推动动子组件运动，每个时刻均有四个驱动足推动动子组件移动，这就大大增加了平面电机输出动力与速度并使电机运行平稳；平面电机利用面内驱动足推动动子组件，从而有利于实现平面电机的薄型化、平板化设计。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (12)

1.基于准田字形压电振子驱动的平面电机，包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧组件，其特征在于，采用准田字形定子组件，且通过预紧组件与支座组件连接；动子组件分别连接定子组件和支座组件。

2.如权利要求1所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，准田字形定子组件包括金属基体板、压电陶瓷组件和驱动足；金属基体板包括左围杆、右围杆、前围杆和后围杆以及十字板架，十字板架的四端分别与左围杆、右围杆、前围杆和后围杆采用柔性铰链连接，十字板架中心钻有定位孔，各围杆芯部均开有调整通孔；压电陶瓷组件包括粘贴于各围杆上、下表面及外侧的12片压电陶瓷片；驱动足设置于各围杆上表面两端，驱动足高度大于各压电陶瓷片厚度，且驱动足顶端涂敷摩擦材料。

3.如权利要求2所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，准田字形定子组件具有三种振动模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态。

4.如权利要求2所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，十字板架端口与各围杆连接处均开有方槽，用于安装柔性铰链；各围杆及十字板架各端的横截面均为矩形或正方形。

5.如权利要求3所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，动子组件包括平面滑板、十字护珠板和若干滚珠；平面滑板上开设十字滑槽，槽宽大于滚珠直径；沿十字护珠板横向纵向各开有一排通孔与十字滑槽对应，通孔孔径小于滚珠直径；若干滚珠装入十字滑槽内，十字护珠板盖在平面滑板上，滚珠数量及位置与十字护珠板上通孔相对应，在十字护珠板和平面滑板的中心用螺钉固定，滚珠部分表面暴露于通孔之外；动子组件连接驱动足。

6.如权利要求5所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，支座组件包括机盒、盖板、定位销、凸台、4个定位块和定子挡架；机盒为长方体，包括底板和四周围板；底板中心钻有螺纹通孔，定位销安放在螺纹通孔中，并拧入紧定螺钉，定位销穿过十字板架的定位孔用于定子组件的安装定位；凸台安装于定位销周围；4个定位块用螺钉固定在底板上，每个定位块两相邻外侧面上各设置一圆弧凸起，圆弧凸起分别轻压在左围杆、右围杆、前围杆和后围杆的内侧，形成线接触连接，各定位块与对应围杆的接触点在各围杆的面内一阶弯曲振动节点处；定子挡架卡住十字板架中心，并通过螺钉固定于底板上，且定子挡架与十字板架之间采取润滑接触；盖板用螺钉固定在机盒的四周围板结合处，盖板采用矩框形结构；底板靠近四周围板处钻有四个安装通孔；盖板与滚珠连接构成滚动副。

7.如权利要求6所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，预紧组件包括碟形弹簧和至少一个环形垫圈；环形垫圈安放在凸台之上，碟形弹簧压在环形垫圈上，金属基体板压在碟形弹簧上。

8.如权利要求2所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，金属基体板选用磷青铜材料，压电陶瓷片采用PZT8。

9.如权利要求3所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，12片压电陶瓷片分成内激励陶瓷组和面外弯曲振动激励陶瓷组；粘贴于各围杆外侧的压电陶瓷片为面内激励陶瓷组，粘贴于各围杆上下表面的压电陶瓷片为面外弯曲振动激励陶瓷组；面内激励陶瓷组中置于左、右围杆外侧的为x向振动激励陶瓷片，置于前、后围杆外侧的为y向振动激励陶瓷片；各围杆上的面外弯曲振动激励陶瓷片粘贴在各围杆的面外一阶对称弯曲振动模态的波峰或波谷处；x向振动激励陶瓷片以及y向振动激励陶瓷片分别粘贴在左、右围杆，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态波峰或波谷处。

10.如权利要求9所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，x向振动激励陶瓷片，y向振动激励陶瓷片，面外弯曲振动激励陶瓷片均沿其厚度指向围杆表面的方向进行压电极化，各激励陶瓷片与金属基体板接触的电极接地。

11.基于准田字形压电振子驱动的平面电机的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤，

(1)选取准田字形定子组件的三种振动模态作为其工作模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态三种工作模态；

(2)通过激发定子组件三种工作模态的共振或近共振，驱使其左、右围杆，前、后围杆上的驱动足分别沿xOz、yOz面做椭圆轨迹运动，进而推动动子组件沿x、y向移动；

(3)定子组件的三种工作模态的固有频率相等或尽可能趋于一致；定子组件结构尺寸须满足使三种工作模态频率处在超声频域之内；

(4)定子组件左、右围杆面内一阶弯曲振动模态共振用于推动动子组件沿x向移动；定子组件前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态共振用于推动动子组件沿y向移动；面外一阶对称弯曲振动模态共振实现左、右围杆，前、后围杆与动子组件的交替接触和分离，保证x、y向运动的实现。

12.如权利要求11所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机的驱动方法，其特征在于，步骤(2)所述激发定子组件三种工作模态的共振或近共振包括左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态共振或近共振，采用在x向振动激励陶瓷片上施加幅值为150～300V的交变正弦电功率信号进行激励；前、后围杆面内弯曲振动模态共振或近共振，采用在y向振动激励陶瓷片上施加幅值为150～300V的同频交变正弦电功率信号进行激励；面外一阶对称弯曲振动模态共振或近共振，采用在面外弯曲振动激励陶瓷片上施加幅值为150～300V的同频交变余弦电功率信号激发；施加在各压电陶瓷片上的交变电功率信号的驱动频率尽可能接近三种工作模态的固有频率。