CN108429486B - 组合式平面三自由度超声波电机振子及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组合式平面三自由度超声波电机振子及其驱动方法，振子包括通过连接装置并列连接的两个夹心式柱状压电换能器组件，每个夹心式柱状压电换能器组件包括一个中柱、两个端柱、两组x向弯振压电陶瓷组件、四组z向弯振压电陶瓷组件以及从两侧将它们拧紧固定的两根螺钉，每组x向弯振压电陶瓷组件均由四片压电陶瓷片及一片电极片构成，每组z向弯振压电陶瓷组件均由两片压电陶瓷片及一片电极片构成，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化，通过两组电压信号激励振子，实现平面三自由度驱动。本发明解决了对接触面为平面的动子的三自由度驱动的问题。本发明属于电子产品技术领域，可以用于精密驱动、光学检测、微机械等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种组合式平面三自由度超声波电机振子及其驱动方法，更详细而言，涉及具有将两个夹心式压电换能器组件并列连接构成超声波电机振子，并且该超声波电机振子可以实现平面三自由度致动功能。本发明属于电子产品技术领域，可以用于精密驱动、光学检测、微机械等领域。
背景技术
超声波电机作为一种特种电机，和电磁电机相比，具有不受磁场影响、低速大扭矩、可直接驱动负载、断电自锁、结构灵活多样、可实现多自由度致动等特点。超声波电机利用压电材料的逆压电效应，将电能转化为超声波电机压电振子的振动能，并通过摩擦作用将振动能转化为运动部件(也称动子)的直线或旋转运动。超声波电机一般主要由定子、动子及预压力机构等功能部件组成，通常定子由压电振子充当，而压电振子实质上是工作在谐振状态的压电换能器。
常见的柱状压电振子由多个压电陶瓷采用沉积、粘贴或夹心的方式与金属弹性体相结合而构成。将多个压电陶瓷分组，在每组压电陶瓷施加适当的高频电压，可使压电振子产生特定的振动驻波；对振子的多组压电陶瓷分别施加在时间上相位不同的高频电压，可分别产生多个驻波。通过合成这些驻波，在压电振子表面产生复合波，如复合驻波或行波，从而在压电振子表面的驱动足产生椭圆运动轨迹，用于实现驱动功能。
现有的柱状超声波电机振子通常激励振子的单一驻波或由两个驻波叠加构成的复合波做简谐振动，并利用振子的驱动足实现单自由度驱动功能；少量柱状振子可以分别利用振子的两个复合波振动，分别实现平面两自由度直线驱动，或者利用振子的三个复合波振动实现对球形转子的三自由度旋转驱动功能。
为了实现平面三自由度的驱动，即沿平面两直角坐标轴的直线运动以及平面内旋转运动，通常需要采用多组超声波电机构成一个驱动系统，每组电机分别实现一个自由度的驱动功能，该方法的缺点和主要问题是电机数量较多，且一组电机工作时其余电机闲置不工作，闲置电机不能协助提高驱动系统整体的输出力或力矩，造成驱动系统整体效率低下。
由于超声波电机的结构灵活，在多自由度驱动领域内更有发展前景，这使得研制简单、高效的多自由度超声波电机成为一种必然。
实现多自由度驱动、电机系统的简化以及提升系统驱动性能均是超声波电机发展的重要方向，也是超声波电机的技术难点。采用多个具有多自由度驱动功能超声波振子组合构造新型超声波电机振子、并且利用多个电机协调工作是实现多自由度驱动功能、简化电机系统、解决电机闲置问题、以及提升电机输出性能的有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、能够实现平面三自由度驱动功能的组合式平面三自由度超声波电机振子及其驱动方法。
本发明提出的组合式平面三自由度超声波电机振子，它包括两个夹心式柱状压电换能器及连接装置。两个夹心式柱状压电换能器并列排布且电极片朝向一致，通过连接装置连接，形成电机振子。
夹心式柱状压电换能器为镜像对称结构，所述该换能器由一个中柱、两个端柱、两组可用于实现x向弯振压电陶瓷组件、四组z向弯振压电陶瓷组件、两根螺钉构成。六个压电陶瓷组件相对柱状换能器的中心位置对称分布，其中两组x向弯振压电陶瓷组件由四片陶瓷片及一片电极片构成，另外四个z向弯振压电陶瓷组件均由两片陶瓷片及一片电极片构成，每组压电陶瓷组件中的压电陶瓷片对称粘接在电极片的两侧表面上，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化，端柱底面设置凸起点状结构作为驱动足。
本专利采用上述结构，通过压电陶瓷及金属弹性体构造压电换能器，再通过压电换能器及连接装置构造组合式平面三自由度超声波电机振子。电机振子工作原理为：将电机振子水平安置，驱动足朝下，对于单个柱状换能器而言，利用压电陶瓷的d33模式，通过电压信号激励压电陶瓷组件的陶瓷进行轴向的收缩和扩张运动，从而分别激励柱状换能器在xoy平面内、yoz平面内的二阶弯振模态以及在yoz平面内的一阶纵振，通过以上三种振动模态的两两组合使驱动足在xoz平面内或yoz平面内形成椭圆运动轨迹，利用多个驱动足与动子之间的多个摩擦力的组合作用，驱动动子实现直线运动或旋转运动。
组合式平面三自由度超声波电机振子的平面三自由度驱动方法：第一，选取笛卡尔坐标系，三坐标轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，xoy平面为水平工作面，需要为电机振子提供两相具有π/2的相位差的交流电压信号；第二，电机振子用于实现xoy平面内沿x轴方向直线驱动时，两相电压激励信号分别用于驱动两个柱状压电换能器的适当的压电陶瓷组件，从而激励柱状换能器分别在xoy平面内和yoz平面内的二阶弯振，形成摇头复合运动，从而使驱动足形成在xoz平面内的椭圆运动轨迹，通过驱动足与动子的摩擦作用可以实现对动子沿x方向的驱动；第三，电机振子用于实现y方向直线驱动时，利用两相电压激励信号组合激励两个柱状压电换能器在yoz平面内的具有π/2相位差的二阶弯振和一阶纵振，形成同方向的纵弯复合振动，从而使驱动足形成在yoz平面内的椭圆运动轨迹，通过驱动足与动子的摩擦作用可以实现对动子沿y方向的驱动；第四，电机振子用于实现绕z方向旋转驱动时，两相电压激励信号用于激励两个夹心式柱状压电换能器组件的反方向的纵弯复合振动，通过驱动足与动子的摩擦作用形成相对于电机中心的扭矩，可以实现对动子绕z轴方向的旋转驱动。
附图说明
图1是本发明所述的一种组合式超声波电机振子的总体结构示意图；
图2是图1中超声波电机振子的部件排布示意图；
图3是图1中柱状压电换能器1沿轴线的剖视图；
图4是图1中柱状压电换能器1的零件排布示意图；
图5是图1中柱状压电换能器1和柱状压电换能器3的六组压电陶瓷组件中的陶瓷片表面极性示意图，“+”代表陶瓷极化方向朝向y轴正方向，“-”代表陶瓷极化方向朝向y轴负方向。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1-图5说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的组合式平面三自由度超声波电机振子包括连接装置2及两个夹心式柱状压电换能器组件1和3，
两个夹心式柱状压电换能器组件的结构完全相同，均为沿y轴方向镜像对称结构，以夹心式柱状压电换能器组件1为例进行说明，所述该夹心式柱状压电换能器组件1由下述零部件构成：一个中柱1-4、两个端柱1-2和1-6、两根螺钉1-1和1-7、两组x向弯振压电陶瓷组件1-3和1-5、四组z向弯振压电陶瓷组件1-8、1-9、1-10和1-11，中柱位于夹心式柱状换能器组件正中，两侧对称排布x向弯振陶瓷组，每个x向弯振陶瓷组件外侧对称相向排布两组z向弯振压电陶瓷组件，z向弯振压电陶瓷组外侧放置端柱，端柱具有突出点作为驱动足且朝向底面，再用两根螺钉1-1和1-7从两侧相对拧紧固定。
各组x向弯振压电陶瓷组件的结构均相同，以x向弯振压电陶瓷组件1-3为例进行说明，所述该x向弯振压电陶瓷组件1-3是由四片相同结构的陶瓷片1-3-1、1-3-2、1-3-4和1-3-5及一片电极片1-3-3构成，每片压电陶瓷片均为长方形带半圆孔薄板，压电陶瓷组中电极片任意一侧的两片压电陶瓷片的长边与z轴同向，且半圆孔口相对形成圆孔粘接在电极片的一侧表面上，另外两片压电陶瓷片同样方式粘接在电极片的另一侧表面上；
各组z向弯振陶瓷组件的结构均相同，以z向弯振压电陶瓷组件1-10为例进行说明，所述该z向弯振压电陶瓷组件1-10由2片相同结构的压电陶瓷片1-10-1和1-10-2及一片电极片1-10-3组成，两片压电陶瓷片的长边与电极片的长边对齐，对称粘接在电极片的两侧表面上。
所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。两组夹心式柱状换能器组件的所有压电陶瓷片的极化方向如图5所示，任意相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反，电极片两侧对称位置两片压电陶瓷片的极化方向相反，根据压电陶瓷片的极化方向可以将其分成两组，将其中一组压电陶瓷片1-3-1、1-3-5、1-5-2、1-5-4、1-8-2、1-9-1、1-10-1、1-11-2、3-3-1、3-3-5、3-5-2、3-5-4、3-8-2、3-9-1、3-10-1和3-11-2定义为陶瓷片组A，其极化方向为y轴正方向，将另一组压电陶瓷片1-3-2、1-3-4、1-5-1、1-5-5、1-8-1、1-9-2、1-10-2、1-11-1、3-3-2、3-3-4、3-5-1、3-5-5、3-8-1、3-9-2、3-10-2和3-11-1定义为陶瓷片组B，其极化方向为y轴负方向。
本实施方式所述的陶瓷片组A的极化方向为y轴正方向，陶瓷片组B的极化方向为y轴负方向，但不限于此，上述两陶瓷片组的压电陶瓷片的极化方向也可以全部同时调整为相反的方向。
本实施方式中，夹心式柱状换能器组件具有正方形截面形状。因此能够廉价且高效地进行制造。但是在本发明中，柱状换能器也可以采用如圆形截面形状，对应的陶瓷片采用半圆环形薄片结构、中柱和端柱采用带中孔的圆柱形结构。
本实施方式中，夹心式柱状换能器组件作为振动体存在xoy平面内的二阶弯振模态，即为x方向的二阶弯振模态；同样也存在yoz平面内的二阶弯振模态，即为z方向的二阶弯振模态。两个振动模态正交、频率相近，取两频率之间的某一频率为激振频率，在各个压电陶瓷组件上施加电场，激发压电陶瓷组件振动带动换能器做复合弯曲振动(也称摇头运动)，使驱动足在xoz平面内形成周期性椭圆形运动轨迹，再与上表面为平面的动子4摩擦接触产生沿x方向的推力，推动动子沿x方向直线运动；类似的柱状换能器存在沿y轴方向的一阶纵振，调整换能器结构尺寸使该纵振频率与振动体在yoz平面内的二阶弯振模态趋近，取这个两频率之间的某一频率为激振频率，在各个压电陶瓷组件上施加电场，激发压电陶瓷组件振动带动换能器做纵弯复合振动，使驱动足在yoz平面内形成周期性椭圆形运动轨迹，再利用两个换能器的四个驱动足与动子摩擦接触，当两个换能器的驱动足产生沿y轴同方向的推力，推动动子沿y方向直线运动；当两个换能器的驱动足产生沿y轴反方向的推力，形成力矩，推动动子绕z轴旋转运动。
具体实施方案二、本实施方式与具体实施方式一所述的组合式平面三自由度超声波电机振子不同点在于，每个压电陶瓷片均由压电体和一对电极涂层组成，组成这一对电极涂层的两个涂层分别位于压电体的双侧长方形带半圆孔表面上。
本实施方式所述的压电体由锆钛酸铅类压电陶瓷形成，但不限于锆钛酸铅类压电陶瓷，也可以是聚偏氟乙烯、氮化铝等其它压电材料形成的压电体。所述的电极涂层采用在压电陶瓷片表面设置的Al、Cu、Ag、Ag-Pd合金等适当的金属材料涂层实现。
具体实施方案三、本实施方式与具体实施方式一所述的组合式平面三自由度超声波电机振子不同点在于，本实施方式所述的连接装置2由一根连接梁形成，但不限于一根连接梁的结构，也可以是多根连接梁或其它有效连接方式。
具体实施方案四、本实施方式与具体实施方式一所述的组合式平面三自由度超声波电机振子不同点在于，本实施方式所述的柱状换能器组件为夹心式柱状换能器组件，但压电陶瓷的固定方式不限于夹心式结构，也可以是贴片式、沉积式或其它有效连接方式。
具体实施方案五、本实施方式与具体实施方式一所述的组合式平面三自由度超声波电机振子不同点在于，本实施方式所述夹心式柱状换能器组件，应通过调整保证各零部件尺寸使得二阶弯振与一阶纵振的固有振动频率趋近。
具体实施方案五、结合图1说明本具体实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的组合式平面三自由度超声波电机振子不同点在于，为电机振子提供两相有π/2的相位差交流电压信号，电压信号频率与夹心式柱状换能器组件的二阶弯振及一阶纵振的固有振动频率趋近，用于实现沿x方向直线驱动时，两相电压激励信号其中的一相用于连接驱动两个夹心式柱状换能器组件的所有x向弯振压电陶瓷组件1-3、1-5、3-3和3-5，另一相电压激励信号用于连接驱动两个夹心式柱状换能器组件的所有z向弯振压电陶瓷组件1-8、1-9、1-10、1-11、3-8、3-9、3-10和3-11；用于实现沿y方向直线驱动时，一相电压激励信号用于连接驱动两个夹心式柱状换能器组件的z向弯振压电陶瓷组件1-9、1-10、3-9和3-10，另一相电压激励信号用于连接驱动两个夹心式柱状换能器组件的z向弯振压电陶瓷组件1-8、1-11、3-8和3-11，所有x向弯振压电陶瓷组件接地；用于实现绕z轴旋转驱动时，一相电压激励信号用于驱动两个夹心式柱状换能器组件的z向弯振压电陶瓷组件1-9、1-10、3-8和3-11，另一相电压激励信号用于驱动两个夹心式柱状换能器组件的z向弯振压电陶瓷组件1-8、1-11、3-9和3-10，所有x向弯振压电陶瓷组件接地。
Claims (3)
1.组合式平面三自由度超声波电机振子，其特征在于，它包括连接装置(2)及两个夹心式柱状压电换能器组件(1和3)，所述该两个夹心式柱状压电换能器组件的结构均相同，为沿y轴方向镜像对称结构，每个夹心式柱状压电换能器组件均由一个中柱、两个端柱、两组x向弯振压电陶瓷组件、四组z向弯振压电陶瓷组件以及两根螺钉构成，中柱位于夹心式柱状换能器组件正中，两侧对称排布x向弯振陶瓷组，每个x向弯振陶瓷组件外侧对称相向排布两组z向弯振压电陶瓷组件，z向弯振压电陶瓷组外侧放置端柱，端柱具有突出点作为驱动足且朝向底面，再由两根螺钉从两侧相对拧紧固定；所述各组x向弯振压电陶瓷组件的结构均相同，每组x向弯振压电陶瓷组件均由四片相同结构的陶瓷片及一片电极片构成，电极片的两侧各有两片压电陶瓷片，所述夹心式柱状压电换能器组件包含的所有压电陶瓷片均为长方形带半圆孔薄板并且沿厚度方向极化，所述每组x向弯振压电陶瓷组件所含的电极片任意一侧的两片压电陶瓷片的长边与z轴同向，且半圆孔口相对形成圆孔粘接在电极片的一侧表面上，另外两片压电陶瓷片同样方式粘接在电极片的另一侧表面上，位于电极片任意一侧的两片压电陶瓷片的极化方向相反，位于电极片两侧的对称位置上的两片压电陶瓷片的极化方向也相反，位于中柱两端的两组x向弯振压电陶瓷组件的对称位置上的两片压电陶瓷片的极化方向也相反；所述各组z向弯振压电陶瓷组件的结构均相同，每组z向弯振压电陶瓷组件均由两片相同结构的陶瓷片及一片电极片构成，两片压电陶瓷片的长边与电极片的长边对齐，对称粘接在电极片的两侧表面上，位于同一组z向弯振压电陶瓷组件两侧的两片压电陶瓷片的极化方向相反，位于换能器一端上下相邻的两组z向弯振压电陶瓷组件的相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反，位于换能器两端的对称位置上的两组z向弯振压电陶瓷组件的对称位置上的两片压电陶瓷片的极化方向也相反；所述夹心式柱状压电换能器组件所包含的所有压电陶瓷片根据其极化方向可以分成两组，压电陶瓷片(1-3-1、1-3-5、1-5-2、1-5-4、1-8-2、1-9-1、1-10-1、1-11-2、3-3-1、3-3-5、3-5-2、3-5-4、3-8-2、3-9-1、3-10-1和3-11-2)为一组，压电陶瓷片(1-3-2、1-3-4、1-5-1、1-5-5、1-8-1、1-9-2、1-10-2、1-11-1、3-3-2、3-3-4、3-5-1、3-5-5、3-8-1、3-9-2、3-10-2和3-11-1)为另一组，两组的极化方向分别为y轴正方向和y轴负方向。
2.根据权利要求1所述的组合式平面三自由度超声波电机振子，其特征在于，每片压电陶瓷片均由压电体和一对电极涂层组成，组成这一对电极涂层的两个涂层分别位于压电体的双侧长方形带半圆孔表面上。
3.驱动权利要求1所述的组合式平面三自由度超声波电机振子的驱动方法为：用于实现沿x方向直线驱动时，对电机振子施加具有π/2的相位差的两相电压激励信号，其中的一相电压激励信号用于驱动两个夹心式柱状压电换能器组件的所有x向弯振压电陶瓷组件，另一相电压激励信号用于驱动两个夹心式柱状压电换能器组件的所有z向弯振压电陶瓷组件；用于实现沿y方向直线驱动时，其中的一相电压激励信号用于驱动两个夹心式柱状压电换能器的z向弯振压电陶瓷组件(1-9、1-10、3-9和3-10)，另一相电压激励信号用于驱动两个夹心式柱状压电换能器的z向弯振压电陶瓷组件(1-8、1-11、3-8和3-11)，所有x向弯振压电陶瓷组件接地；用于实现绕z轴旋转驱动时，其中的一相电压激励信号用于驱动两个夹心式柱状压电换能器的z向弯振压电陶瓷组件(1-9、1-10、3-8和3-11)，另一相电压激励信号用于驱动两个夹心式柱状压电换能器的z向弯振压电陶瓷组件(1-8、1-11、3-9和3-10)，所有x向弯振压电陶瓷组件接地。
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