CN1068683C - 压电超声微马达精密驱动的二维微动台 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密自动控制与微细操作领域。本发明包括一组用弹簧螺钉相连的可相对移动的第一、第二块板，在二块板适当位置处设置有第一、第二个带有中心孔的微调旋扭，还包括的第一、第二压电超声微马达，二个微马达的输出轴分别插入两个微调旋扭的中心孔中，与微调旋扭配合直接驱动微动台的两个微调旋扭，具有结构简单、体积小、精度高、空程小、带负载能力强等特点。

Description

压电超声微马达精密驱动的二维微动台

本发明属于精密自动控制与微细操作技术领域。

传统的二维微动台，通常采用手动微调旋扭调节。当这种微动台用于某些控制，如激光谐振腔调节系统时，则手动操作存在许多不足，如手对微调器的作用力，影响调节精度，并且可重复性差。在一些复杂的光学系统中，还需要打开仪器外壳才能进行调节，不仅不方便，而且对激光器的性能有不良的影响。

用配有减速器的微型电磁马达可以用于二维微动台的驱动，但由于其体积大，系统复杂，操作空间大，在一些空间受限制的场合，使用受到限制。美国New Focus公司发明的“桌布”原理的压电陶瓷致动器，具有体积小，精度高，使用较方便，但是寿命受其工作方式的影响，并且其制造精度要求高，压电致动器与微调旋扭彼此不是独立元件，而是一对摩擦付，互相配合才能工作，对装配精度以及驱动电源要求很高，造价昂贵。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，采用一对微型压电超声马达直接驱动微动台的两个微调旋扭，使其具有更简单的结构，更小的体积，以及精度高，空程小，寿命长，带负载能力强，极高的位移分辩率，和造价低等优点。

本发明提出一种压电超声微马达驱动的二维微动台，包括一组用弹簧螺钉相连的可相对移动的第一、第二块板，在二块板适当位置处设置有结构相同的第一、第二个带有中心孔的微调旋扭，其特征在于还包括结构相同的第一、第二压电超声微马达，所说的二个微马达的输出轴分别插入第一、第二微调旋扭的中心孔中构成传动件。

本发明所述的马达与微调旋扭连接结构有两种方式，第一种方式为所说的一种压电超声微马达驱动的二维微动台，其特征在于，所说的第一块板上连有分别支撑第一、第二微马达的二个马达固定座，所说的微马达的输出轴开有一段轴向沟槽，所说的微调旋扭上端部开有一销孔，一销钉通过微调旋扭的销孔插入微马达输出轴的沟槽内，使微马达输出轴与微调旋扭配合构成传动件。

第二种方式为所说的第一块板上设置二个具有导向与防止马达转动功能的杆，称为导向杆，所说的第一、第二微马达下端部固定一联接板，该联接板一端有一配合孔，所说的导向杆恰穿过配合孔，所说的微马达的输出轴插入微调旋扭的中心孔内，通过微调旋扭上端部的螺钉，将输出轴与微调旋轴紧固在一起。

本发明所说的微马达包括中心轴及套于轴上的定子和转子，所说的定子由上、下匹配块及紧压于上、下匹配块之中的压电陶瓷环片构成，所说的上匹配块为波纹管，所说的转子紧压于所说的波纹管的上端部，所说的定子的上、下两端内壁置有一对轴承，所说的中心轴置于两轴承之中，所说的转子通过压力机构与所说的中心轴紧配合，转子带动中心轴输出力矩。

本发明微动台采用的驱动元件是一种具有独立结构的小体积、低速、高分辨率特性的自由弯曲振动模式的压电超声微马达，这种微动台与传统的手动微调旋扭的方式相比，其可靠性、分辩率大为提高；该微动台与配有减速器的微型电磁马达做为驱动元件的微动台相比，其结构简单，体积大为减小，与微调旋扭的装配容易、工作稳定，特别适用于体积小、空间、重量都受限制的各种应用场合，具有很强的实用性。

附图简要说明：

图1为本发明实施例之一的结构示意图。

图2为本发明实施例之一微马达与微调旋扭装配示意图。

图3为本发明实施例之二结构示意图。

图4为本发明实施例采用的压电超声马达结构示意图。

本发明设计出二种结构的二维微动台的实施例，其结构如图1～图4所示，结合附图详细说明如下：

本发明设计出采用上述微马达的二维微动台的第一种结构实施例。如图1、2所示。图1为微动台的整体结构立体示意图。图中，101、102为二个压电超声微马达；211、212为二个固定微马达的固定座；221、222为一对细牙螺杆构成的微调旋扭；23、24为可相对移动的板，当将下板24固定时，该板为固定板，上板23为可动板；反之亦然。微调旋扭221、222置入可动板23上相应的细牙螺孔中，微马达101、102分别与微调旋扭221、222同轴相连；上、下二板之间的套于螺钉27上的一组拉力弹簧25保持上、下板处于适当予紧力状态。置设在二板一角处的滚珠26与二个微调旋扭221、222构成二个板的三个受力点。二个压电微马达101、102通过固定座211、212固定于可动板23上，微马达的输出轴驱动微调旋扭作微小角度旋转，再通过旋扭的细牙螺纹带动可动板23作二维精密运动。

图2为实施例一的侧面剖示图。图中可更清楚地展示微动马达101与可动板23及微调旋扭221的连接关系。(另一马达102的连接关系完全相同)。其中，套于外壳1010中的微马达101的输出轴11穿过固定座211对应孔插入微调旋扭221的中心轴孔之中，固定座用螺钉分别与微马达和可动板23固接。微调旋扭拧入可动板的细牙螺孔中，其底部有一滚珠2210与固定板接触。微马达输出轴11上开有一槽沟110，微调旋扭221上端部开有一销孔，一销钉2211，穿过销孔正好插入马达输出轴的槽沟110中，销钉起传动作用，使马达输出轴能带动微调旋扭旋转，同时允许旋扭在轴向方向上下运动，另一方面，伸出旋扭外面的一端，销钉还可起限位作用，防止旋扭与马达输出轴脱离。

本发明的第二种实施例结构如图3所示。

实施例二与实施例一的不同之处在于微马达101与可动板23和微调旋扭221的连接关系不同。本实施例中，微马达的输出轴11插入微调旋扭221的中心孔中通过紧固螺钉2212与旋扭紧固在一起。微马达下端部同一联接板4相连，联接板的另一端有一配合孔41套在一导向杆5上，在马达的旋转方向上与其吻合很好。导向杆5螺合于可动板23上。当马达输出轴输出力矩驱动旋扭转动时，该导向杆起力矩支点作用，同时限制马达与旋扭一起只能沿此杆上、下运动而不能转动。微调旋扭221下端装有防脱档圈2213可防止旋扭外旋过头，脱离移动板之外。

上述二个实施例均具有体积小、结构简单、成本低，以及直接驱动、精度高、分辩率高等特点，当无信号输入时，马达输出轴自锁，因而二微调旋扭也被锁住，使其不但调节精度高，而且稳定、可靠。

上述两实施例采用的微马达结构如图4所示，该马达由定子30，转子31，中心轴32及压力机构34所组成。其中定子30由放大弯曲振动振幅的波纹管301，产生弯曲振动的机电换能元件，二对压电陶瓷环片302，与波纹管相连并将压电陶瓷环片紧压其中的下匹配块303构成一个夹心式自由弯曲振动模式驱动定子。下匹配块303是由一带中心通孔的圆柱3031和与之联成一体的也带中心通孔的予紧螺杆3032构成，螺杆3032与波纹管301下端部螺孔配合联接，将套于予紧螺杆上的压电陶瓷环302压紧，绝缘套3021起绝缘作用。

定子的下匹配块下端部内和波纹管上端部内部安装一对轴承331,332，中心轴通过上、下轴承起到定轴心作用，再通过压力机构与转子紧配合，转子可驱动中心轴产生力矩输出。波纹管的上端面切有一组槽3011，构成马达定子的波动输出面，槽3011的作用是放大弯曲波动振幅和增加定子，转子之间的摩擦效果，提高力矩输出。依靠波动和摩擦来驱动转子时，在输出面会因摩擦损耗出现一些细小颗粒，槽3011的另一个作用是充许这些颗粒落入槽中，从而改善马达运转的平稳性。马达脉冲步进工作时，可获得低速和约12Nm的位移分辨率，马达连续运转时，则可获得约0.6mm/s较快的位移速度。

本实施例的主要参数及性能指标如下：

1、微动台最小位移步距：

驱动微动台的二个压电微马达，受单片机指令控制。指令马达分别以每步运行时间150μs,200μs驱动微动台，测试结果如下：

a，每步步距运行时间150μs

   无负载运行步数：10；测试得到的总位移；0.14μm；位移步距：0.014μm。

b，每步步距运行时间200μs

   无负载运行步数：10；测试得到的总位移：0.20μm；位移步距：0.02μm。

1000gf负载下运行步数：10；测试得到的总位移：0.20μm；位移步距：0.02μm。

2、压电超声微马达性能测试

   压电微马达外形尺寸为圆柱型，直径φ15mm，长30mm，工作频率35MHz；

a，马达空载转速：71.4转/分；

b，马达最大力矩：550gf.cm

c，马达最小角分辩率：

   已测得微动台最小位移步距：0.014μm；

   微动台的微调旋扭螺距：0.5mm。

   马达最小角分辩率=最小位移步距(μm)×360/500(μm)=0.010°。

Claims (4)

1、一种压电超声微马达驱动的二维微动台，包括一组用弹簧螺钉相连的可相对移动的第一、第二块板(23、24)，在二块板适当位置处设置有结构相同的第一、第二个带有中心孔的微调旋钮(221、222)，其特征在于，还包括结构相同的第一、第二压电超声微马达(101、102)，所说的二个微马达的输出轴分别插入第一、第二微调旋钮的中心孔中，与微调旋钮配合构成传动件。

2、如权利要求1所说的压电超声微马达驱动的二维微动台，其特征在于，所说的第一块板上连有分别支撑第一、第二微马达的二个马达固定座(211、212)，所说的微马达的输出轴开有一段轴向沟槽(110)，所说的微调旋钮上端部开有一销孔，一销钉(2211)通过微调旋钮的销孔插入微马达输出轴的沟槽内，使微马达输出轴与微调旋钮配合构成传动件。

3、如权利要求1所说的压电超声微马达驱动的二维微动台，其特征在于，所说的第一块板上设置二个限制转动和导向作用的导向杆(5)，所说的第一、第二微马达下端部固定一联接板(4)，该联接板一端有一配合孔套在所说导向杆上，所说的微马达输出轴插入微调旋钮中心孔内，通过微调旋钮上端的螺钉，将输出轴与旋钮紧固在一起。

4、如权利要求2或3所说的压电超声微马达驱动的二维微动台，其特征在于，所说的微马达包括中心轴(32)及套于轴上的定子(30)和转子(31)，所说的定子由上、下匹配块(301、303)及紧压于上、下匹配块之中的压电陶瓷环片(302)构成，所说的上匹配块为波纹管，所说的转子紧压于所说的波纹管的上端部，所说的定子的上、下两端内壁置有一对轴承(331、332)，所说的中心轴置于两轴承之中，所说的转子与所说的中心轴通过压力机构(34)紧配合。

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