CN109495011B - 一种弧形振子直线型压电电机及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弧形振子直线型压电电机，其定子包括金属弹性体、两边若干组压电叠堆，两边若干组压电叠堆安装在金属弹性体的两端，且两边若干组压电叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称；驱动足设置在金属弹性体所包括的半椭圆结构的中间凸起处；驱动过程中，驱动足推动动子在电机固定板上做直线或旋转运动。本发明利用压电陶瓷片沿轴向方向极化变形，增加驱动足处的振幅，使得电机能量转化率和输出提高，同时利用电机结构特点可实现交流宏驱动、直流单相驱动、直流微驱动等电压激励方式。具有结构简单，便于装配和修理，输出速度高，控制性能好，驱动控制多样性的优点，可应用于宏微驱动控制平台上的精确定位，具有广阔的工业应用前景。

Description

一种弧形振子直线型压电电机及其驱动方法

技术领域

本发明属于直线型压电电机技术领域，具体涉及一种基于压电叠堆的弧形振子直线型压电电机及其驱动方法。

背景技术

压电电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机。与传统的电磁电机工作原理不同，是一种基于压电效应和超声振动的高新技术产品。它的研究和超高精密加工涉及机械振动、机械设计、电力电子学、自动控制原理等众多学科，以及它们之间的相互交叉和相互融合。压电电机具有结构紧凑、低速大扭矩、响应快、电磁兼容性和控制性能好等优点，已经在机器人、精密仪器仪表、医疗器械、航空航天以及新型武器装备领域得到广泛的关注和应用。与电磁电机相比，直线压电电机没有线圈，结构简单易于加工，能量密度大，在一些空间狭小的场合有着不可替代的作用。随着新材料、新工艺和新的结构形式的不断扩大，在未来空天飞行器、武器装备、微机电系统(MEMS)中，以及半导体制造技术、生命科学等领域中都具有广泛的应用前景。

目前已有的直线压电电机中，多为V型或者π型振子结构的直线型电机，特点是结构紧凑、设计灵活、低噪声运行等。其振子多利用矩形片状普通压电叠堆，为使驱动足表面质点产生椭圆运动轨迹，较好的输出性能，振子纵向弯曲和弯曲振动频率需趋于一致，但由于驱动足附近的柔性铰链放大的微位移有限，其体积较大，难以实现高精度微驱动，现有宏微驱动结构复杂，系统难以集成。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种弧形振子直线型压电电机，该电机通过对压电叠堆结构和金属弹性体进行改进，驱动足输出的振幅大，结构简洁，可靠性高，可实现能量的高效率转化。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述弧形振子直线型压电电机的驱动方法，该方法可实现交流宏驱动、直流单相驱动、直流微驱动等多种类型，精度高，应用范围更广。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种弧形振子直线型压电电机，包括电机固定板、定子、动子、给定子提供预紧力的预紧装置，定子固定在电机固定板上，预紧装置对其施加水平和垂直方向的预紧力；所述定子包括金属弹性体、两边若干组压电叠堆，两边若干组压电叠堆安装在金属弹性体的两端，且两边若干组压电叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称；驱动足设置在金属弹性体所包括的半椭圆结构的中间凸起处；驱动过程中，驱动足推动动子在电机固定板上做直线或旋转运动。

优选的，所述压电振子包括若干组压电叠堆，每一组压电叠堆为压电钹型叠堆或其他各种类型压电叠堆，压电钹型叠堆包括钹型外壳，以及设置在钹型外壳内的2M个压电陶瓷片，M≥1，在相邻两片压电陶瓷片相互贴合的面处设有电极片，电极片与驱动电源相连，相邻两片压电陶瓷片极化方向相反。

更进一步的，所述压电陶瓷片为中间通孔的圆片形结构。

优选的，金属弹性体为弧形振子，由半椭圆型结构与类钹型结构通过柔性铰连接而成，类钹型结构端面处放置压电陶瓷，压电叠堆与端面为面接触；所述驱动足设置在半椭圆结构的中间凸起处。压电钹型叠堆与端面通过直接面接触的方式传递压电钹型叠堆由于逆压电效应产生的能量，可有效增大驱动足处的振幅，同时还可减少能量损失，提高电机能量的转化率。另外，采用半椭圆结构与类钹型结构，可以增加金属弹性体的强度，避免由于施加的外力所导致弧形振子的变形。

更进一步的，所述定子包括一夹持件，该夹持件呈类钹型状，在夹持件两端分别设有压电叠堆支撑部，为平面结构，其上设有固定孔，上下两个固定孔在同一中心线上，压电叠堆通过上述固定孔固定在端面和压电叠堆支撑部之间。采用该夹持件可以将两边的压电钹型叠堆夹持在水平方向上，且通过固定孔装配在同一中心线上，结构紧凑，夹持件可以通过线切割一次性加工而成，从而减小加工尺寸参数对驱动足输出运动的影响。

更进一步的，所述半椭圆结构中椭圆长轴和短轴的比值依据宏微驱动变形条件确定，优选为比值在1.7～1.9之间，类钹型结构的夹角成钝角，优选在120°-130°。

更进一步的，在所述驱动足为柔铰块(截面为矩形)时，其顶端设有防磨块。在驱动足的半球型或半椭球型(截面为圆形)时，其顶端涂有耐摩擦材料，因此可以提高驱动足的工作寿命。

优选的，所述动子包括动子滑块，该动子滑块采用棱柱形结构，或者圆柱形结构，或者圆盘形结构。采用棱柱形结构时，驱动足可推动动子滑块在电机固定板上做直线运动，采用圆柱形结构或者圆盘形结构时，在宏驱动时，驱动足可推动动子滑块在电机固定板上做圆周旋转运动，在微驱动时，驱动足可以推动动子做微幅旋转运动。

更进一步的，所述动子滑块采用棱柱形结构，设置在动子滑轨上，动子滑轨固定在电机固定板上；动子滑块一端与一动子滑块限位块固定连接，动子滑轨端部设有突出部，所述驱动足与动子滑块为面接触。在动子滑块移动过程中，一旦动子滑块限位块与突出部接触，则不再移动，起到限位作用，防止动子滑块脱落滑轨导致重新安装的行程误差。

更进一步的，所述动子滑块限位块的横截面与动子滑块的横截面相同。

优选的，所述预紧装置包括切向限位机构和法向限位机构，切向限位机构约束定子切向自由度，法向限位机构约束定子在法向上的自由度，切向限位机构和法向限位机构之间的夹持距离均可调。从而在避免电机工作振动产生行程误差的同时，能够灵活调节切向和法向的预紧力大小。

一种基于上述弧形振子直线型压电电机的驱动方法，该方法包括步骤：

两边若干组压电钹型叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称，对压电钹型叠堆施加具有一定相位差的交流激励，同时激发对称振动模态和反对称模态，压电振子内的压电叠堆轴向位移转化为驱动足切向振动和轴向振动，这两项振动位移在驱动足合成为一个椭圆运动，在预紧力的作用下转为动子的直线运动或者是圆周运动，即可实现宏驱动。

一种基于上述弧形振子直线型压电电机的微驱动方法，该方法包括步骤：

两边若干组压电叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称，对一边压电叠堆施加单相的直流正电压激励，另一边振子悬空不给予激励或者施加负电压，施加激励的压电钹型叠堆膨胀时带动动子向同一方向运动；当要实现动子的反向运动时，对另一边的压电叠堆进行直流正电压激励，剩余一边悬空或者施加负电压，在预紧力的作用下，电机驱动足部分带动动子实现直线或者旋转运动，即可实现电机微驱动的变形。

一种基于上述弧形振子直线型压电电机的微驱动方法，该方法包括步骤：两边若干组压电叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称，驱动足、动子均位于初始位置，首先，驱动足位于初始位置，对第一边压电叠堆施加直流反向电压激励，同时，对第二边压电叠堆施加直流正向电压激励，驱动足带动动子向第一边压电叠堆方向移动；

然后对第一边压电叠堆和第二边压电叠堆同时施加直流正向电压激励，驱动足垂直压紧动子，持续推动动子向第一边压电叠堆方向移动；

最后，对第一边压电叠堆施加直流正向电压A激励，同时，对第二边压电叠堆施加直流反向电压B激励，|A|＞|B|，则驱动足回到初始位置，动子也回到初始位置；

持续上述3个步骤的激励，可以带动动子进行直线上的往复运动，即可实现电机微驱动的变形。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明利用压电钹型叠堆和金属弹性体，在一定预紧力的作用下，对电机给予激励，利用压电陶瓷片沿轴向方向极化变形，增加了电机驱动足处的振幅值，使得电机能量转化率和输出提高。

2、本发明提出的压电钹型叠堆结构和金属弹性体，简化了电机结构，利于装配和修理，减小了动子滑块的运动误差，提高了精度，可提供基于宏微操控的高效率，大输出力和大输出位移的直线型压电电机，对改善其运行工作性能，对直线压电电机的微型化发展具有重要意义。

3、本发明具有驱动控制多样性，可采用多种激励方式，激励方式可以为交流宏驱动、直流微驱动，从而可应用于宏微驱动控制平台上的精确定位，具有广阔的工业应用前景。

4、本发明在压电电机与压电微致动器结合的基础上，结合压电执行器的特点，实现压电宏驱动和静态变形微驱动，可广泛应用于先进制造领域的精密驱动。

附图说明

图1是本实施例电机结构示意图。

图2是本实施例电机定子部分和夹持件的结构示意图。

图3是本实施例压电钹型叠堆的结构示意图。

图4是图3中A-A面剖视图。

图5(a)为本实施例电机的交流驱动的接线图。

图5(b)为本实施例电机的直流微驱动的接线图。

图5(c)为本实施例电机的直流单向微驱动的接线图。

图6为本实施例直流微驱动时电机驱动足的轨迹图。

图7为本实施例直流单相微驱动时施加直流电压波形图。

图8为本实施例对圆盘形结构的动子滑块进行驱动的运动示意图。

图9是本实施例直流微驱动时的运动效果图。

图10(a)为驱动足为半球型的金属弹性体结构示意图。

图10(b)为驱动足为半球型的定子与圆盘型结构的动子接触运动示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例公开了一种弧形振子直线型压电电机，该电机不但可以提高驱动足输出的振幅，而且根据振子结构可以使用多种激励方式，激励方式可以为交流宏驱动、直流单相驱动、直流微驱动，同时又因为电机设计结构简单，便于加工制造和安装调节的特点。

附图中各个部件的标号如下：电机固定板1、棱柱形结构的动子滑块2、预紧螺栓3、金属弹性体4、夹持件5、夹持件固定螺栓5-1、法向预紧块6、第一垂直预紧螺栓7、垂直预紧块8、第二垂直预紧螺栓9、垂直预紧块紧定螺钉10、垂直预紧螺母11、切向预紧块12、压电钹型叠堆13、钹型外壳13-1、压电陶瓷片13-2、电极片13-4、压电钹型叠堆固定螺栓13-3、驱动足14、耐摩擦金属块14-1、螺钉14-2、动子滑块限位块15、限位块螺钉16、动子滑轨17、限位块螺栓18、圆盘形结构的动子滑块19。

本实施例中弧形振子直线型压电电机，包括电机固定板1、定子、动子、预紧装置，定子、动子、预紧装置等均固定在电机固定板上，下面结合附图，对各个部分及其工作原理进行具体说明。

如图1、2所示，本实施例中定子包括金属弹性体4、两边若干组压电钹型叠堆和夹持件5，两边若干组压电钹型叠堆安装在金属弹性体4的两端，且两边若干组压电钹型叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称。

参见图2，所述的金属弹性体4加工有内螺纹孔。金属弹性体4由半椭圆结构与类钹型结构连接而成，围成一个包括空腔的类环形。半椭圆结构中椭圆长轴和短轴的比值在1.7～1.9之间，在半椭圆结构的中间位置设有驱动足。当驱动足14形状为柔铰块时，截面为矩形，其顶端设有耐摩擦金属块14-1，耐摩擦金属块14-1的表面为矩形面，在驱动时，耐摩擦金属块与动子滑块为面接触。耐摩擦金属块14-1机加工有内螺纹孔和沉头孔，耐摩擦金属块和驱动足用螺钉14-2装配在一起。

在一实施例中，驱动足14可设置成图10(a)、(b)所示的半球型或半椭球型，其表面涂有耐摩擦材料，与动子滑块为点接触，可推动圆盘形结构的动子滑块19转动。

本实施例中，半椭圆结构与类钹型结构连接处设有连接平面，两边若干组压电钹型叠堆分别通过夹持件5固定在该连接平面上，均为面接触。类钹型结构包括3个面，分别是第一斜面、第一平面和第二斜面，其中第一斜面、第二斜面分别与第一平面的夹角在120°-130°。

夹持件5呈类钹型状，在夹持件两端分别设有压电叠堆支撑部，为平面结构，其上设有螺纹孔，上下两个螺纹孔在同一中心线上，压电钹型叠堆13通过压电钹型叠堆固定螺栓13-3固定在连接平面和压电叠堆支撑部之间。在其侧面也设有螺纹孔，通过夹持件固定螺栓5-1与类钹型结构固定。

参见图3、4，本实施例中，压电钹型叠堆13横截面为圆形，包括两组压电钹型叠堆，每一组压电钹型叠堆包括钹型外壳13-1，以及设置在钹型外壳内的4片压电陶瓷片13-2，在相邻两片压电陶瓷片相互贴合的面处设有电极片13-4，电极片与驱动电源相连，相邻两片压电陶瓷片极化方向相反。所述压电陶瓷片为中间通孔的薄圆片形结构。金属弹性体4和夹持件5均加工有内螺纹孔，用压电钹型叠堆固定螺栓13-3将钹型外壳、压电陶瓷片预紧固定在轴线方向上。

在实际应用中，动子滑块可采用图1所示的棱柱形结构的动子滑块2，以用于进行直线运动，也可以采用图8所示的圆盘形结构的动子滑块19，以用于进行旋转运动。本实施例中以图1所示的棱柱形结构的动子滑块2为例，旋转运动的原理不再详述。

参见图1，动子滑块2设置在动子滑轨17上，动子滑轨17固定在电机固定板1上。当电机工作带动动子滑块2进行运动时，为避免动子掉落重新装配可能造成的装配误差，在动子滑块2的一端加工有内螺纹，并通过限位块螺钉16装配有动子滑块限位块15，动子滑块限位块15为有一定厚度且横截面积和动子滑块相等的矩形块，动子滑轨17端部设有突出部。在动子滑块移动过程中，一旦动子滑块限位块15与突出部接触，则不再移动，解决了动子滑块可能会脱离的轨道的问题。

本实施例中，预紧装置包括切向限位机构和法向限位机构，切向限位机构约束定子切向自由度，法向限位机构约束定子在法向上的自由度。

具体的，切向限位机构包括两边对称的切向预紧块12，两个切向预紧块12之间夹持距离可通过水平预紧螺栓3调节，同时约束电机切向自由度。

具体的，法向限位机构包括法向预紧块6，法向预紧块6通过法向上的第一垂直预紧螺栓7、第二垂直预紧螺栓9、垂直预紧块8、垂直预紧块紧定螺钉10、垂直预紧螺母11提供预紧力。法向预紧块6中间加工有槽，将切向预紧块12安装于槽内，用限位块螺栓18固定在电机固定板1上，法向预紧可在预紧力的作用下在切向预紧块12表面上移动，约束电机在法向上的自由度，本发明所述的预紧装置能提供切向的预紧力，同时提供法向上的预紧力。

本实施例中电机采用压电钹型叠堆，利用d₃₃效应，位移经过金属弹性体4，在驱动足形成大的切向振幅和法向振幅，提高振动能量的转化率，提高了电机的工作效率和输出性能。本发明弧形振子直线型压电电机的驱动方法有三种，一种是交流宏驱动，一种是直流微驱动，一种是直流单相微驱动。

第一种是交流宏驱动，其接线方式如图5(a)所示，对电机进行交流激励，对两边的振子施加一定相位差(例如90°)的正弦信号交流电压激励，呈现切向振动和法向振动，在驱动足14处合成一椭圆运动，在预紧力的作用下，推动动子滑块2进行切向的直线运动，驱动足14处的振动由两边对称的振子提供轴向位移经过金属弹性体转化而成，如此一来驱动足14处所产生的振幅要比一般的柔性铰链要大得多，这样电机输出的位移和输出力将有很大的提高。

第二种是直流微驱动，其接线方式如图5(b)所示，先对左边压电叠堆13施加反向电压，大小为A，目的是让压电陶瓷片13-2收缩变形，同时对右边的振子施加正向电压，大小也为A，使压电陶瓷产生膨胀变形，则产生的总变形为驱动足14往左运动，在一定的预紧力下，则会带动动子滑块2往左运动一段距离，如图6中的①段，效果如图9所示。接着同时对两边的振子施加正向电压，大小为A，压电叠堆膨胀变形，进而形成金属弹性体4的变形，驱动足14会产生垂直向上的运动，如图6中的②段，增大电机和动子之间的静摩擦力，接着对左边压电叠堆13施加正向电压，大小为A，对右边的振子施加反向电压，大小为B，|A|＞|B|，使电机驱动足14产生往右下方变形一端距离，如图6中的③段。如此周而复始地施加激励信号，电机则可以带动动子进行直线上的往复运动，电机驱动足14上一点的运动轨迹如图6所示，图中虚线为起始位置。

第三种是直流单相微驱动，其接线方式如图5(c)所示，利用电机振子的安装结构特点，对一边的压电叠堆13施加直流电压，从0V调整到一定的电压值bV时，压电陶瓷片膨胀变形，推动金属弹性体4往相同的方向变形，在预紧力的作用下利用摩擦力带动动子滑块2向该方向运动一段距离，直至动子滑块限位块15与动子滑轨17接触或者不给予施加驱动则动子滑块2停止运动，动子滑块2反向运动时，则只对另一边的压电叠堆施加直流电压并调节即可，如此循环，则可带动动子滑块2往复运动，动子滑块2往左运动时施加的电压控制梯形波如图7所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弧形振子直线型压电电机，其特征在于，包括电机固定板、定子、动子、给定子提供预紧力的预紧装置，定子固定在电机固定板上，预紧装置对其施加水平和垂直方向的预紧力；所述定子包括金属弹性体、两边若干组压电叠堆，两边若干组压电叠堆安装在金属弹性体的两端，且两边若干组压电叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称；驱动足设置在金属弹性体所包括的半椭圆结构的中间凸起处；驱动过程中，驱动足推动动子在电机固定板上做直线或旋转运动；

金属弹性体为弧形振子，由半椭圆结构与类钹型结构通过柔性铰连接而成，类钹型结构端面处放置压电叠堆，压电叠堆与端面为面接触；所述驱动足设置在半椭圆结构的中间凸起处。

2.根据权利要求1所述的弧形振子直线型压电电机，其特征在于，所述压电振子包括若干组压电叠堆，每一组压电叠堆为压电钹型叠堆，压电钹型叠堆包括钹型外壳，以及设置在钹型外壳内的2M个压电陶瓷片，M≥1，在相邻两片压电陶瓷片相互贴合的面处设有电极片，电极片与驱动电源相连，相邻两片压电陶瓷片极化方向相反。

3.根据权利要求1所述的弧形振子直线型压电电机，其特征在于，

所述定子包括一夹持件，该夹持件呈类钹型状，在夹持件两端分别设有压电叠堆支撑部，为平面结构，其上设有固定孔，上下两个固定孔在同一中心线上，压电叠堆通过上述固定孔固定在类钹型结构端面和压电叠堆支撑部之间。

4.根据权利要求3所述的弧形振子直线型压电电机，其特征在于，所述半椭圆结构中椭圆长轴和短轴的比值依据宏微驱动变形条件确定，类钹型结构的夹角成钝角；

驱动足截面为矩形或者圆形，在驱动足截面为矩形时，在驱动足顶端设有防磨块；在驱动足截面为圆形时，驱动足形状为半球型或半椭球型，在驱动足顶端涂覆有耐摩擦材料。

5.根据权利要求1所述的弧形振子直线型压电电机，其特征在于，所述动子包括动子滑块，该动子滑块采用棱柱形结构，或者圆柱形结构，或者圆盘形结构。

6.根据权利要求5所述的弧形振子直线型压电电机，其特征在于，所述动子滑块采用棱柱形结构，设置在动子滑轨上，动子滑轨固定在电机固定板上；动子滑块一端与一动子滑块限位块固定连接，动子滑轨端部设有突出部，所述驱动足与动子滑块为面接触。

7.根据权利要求1所述的弧形振子直线型压电电机，其特征在于，所述预紧装置包括切向限位机构和法向限位机构，切向限位机构约束定子切向自由度，法向限位机构约束定子在法向上的自由度，切向限位机构和法向限位机构之间的夹持距离均可调。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述弧形振子直线型压电电机的驱动方法，其特征在于，该方法包括步骤：

两边若干组压电钹型叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称，对压电钹型叠堆施加具有一定相位差的交流激励，同时激发对称振动模态和反对称模态，压电振子内的压电叠堆轴向位移转化为驱动足切向振动和轴向振动，这两项振动位移在驱动足合成为一个椭圆运动，在预紧力的作用下转为动子的直线运动或者是圆周运动，即可实现宏驱动。

9.一种基于权利要求1-7任一项所述弧形振子直线型压电电机的微驱动方法，其特征在于，该方法包括步骤：

两边若干组压电叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称，对一边压电叠堆施加单相的直流正电压激励，另一边振子悬空不给予激励或者施加负电压，施加激励的压电叠堆膨胀时带动动子向同一方向运动；当要实现动子的反向运动时，对另一边的压电叠堆进行直流正电压激励，剩余一边悬空或者施加负电压，在预紧力的作用下，电机驱动足部分带动动子实现直线或者旋转运动，即可实现电机微驱动的变形。

10.一种基于权利要求1-7任一项所述弧形振子直线型压电电机的微驱动方法，其特征在于，该方法包括步骤：两边若干组压电叠堆关于压电振子中心轴线呈180°水平镜像对称，驱动足、动子均位于初始位置，首先，驱动足位于初始位置，对第一边压电叠堆施加直流反向电压激励，同时，对第二边压电叠堆施加直流正向电压激励，驱动足带动动子向第一边压电叠堆方向移动；

然后对第一边压电叠堆和第二边压电叠堆同时施加直流正向电压激励，驱动足垂直压紧动子，持续推动动子向第一边压电叠堆方向移动；

最后，对第一边压电叠堆施加直流正向电压A激励，同时，对第二边压电叠堆施加直流反向电压B激励，|A|＞|B|，则驱动足回到初始位置，动子也回到初始位置；

持续上述3个步骤的激励，可以带动动子进行直线上的往复运动，即可实现电机微驱动的变形。

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