CN114244181A - 一种高功率密度压电驱动器及压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率密度压电驱动器及压电马达。该压电驱动器包括工作在第二阶弯曲(B2)振动模态的长方体状或圆柱状压电本体，在压电本体的四个主侧面上对称设置八个电极区域；并在一个主侧面上对称设置双摩擦头。所述压电马达包括所述压电驱动器和滑动组件，所述压电驱动器的双摩擦头与滑动组件的滑块上的摩擦片弹性接触。预设单相驱动电压激发压电本体产生沿对角线方向的非对称B2振型，再通过双摩擦头一个振动周期内交替、同向驱动滑块产生定向直线运动，使所述压电马达获得高驱动力、高功率密度，以及高位移分辨率特性。
Description
技术领域
本发明涉及压电马达技术，尤其涉及一种具有高功率密度、高步进分辨率，以及综合驱动性能优良的压电驱动器及超声直线压电马达，属于精密驱动与微机电领域。
背景技术
压电马达利用逆压电效应，将电能转换为某一振动模态的定向、高频微幅振动，再通过摩擦头与摩擦片之间的摩擦耦合作用驱动动子做宏观直线运动或旋转运动。与传统的电磁式马达或静电马达不同，压电马达具有分辨率高、无电磁干扰、行程长、速度快、噪声低、断电自锁等优势，从而在航天工程、半导体器件加工、生物医学操作、光通信等精密定位及精密驱动领域中得到了广泛应用。根据驱动机理的不同，压电马达可以被划分为谐振式压电马达和非谐振式压电马达两种类型。随着高精密技术的进一步发展，越来越多的应用场景中需要使用到既具有高功率密度、也具有高步进分辨率的压电马达。
非谐振式压电马达具有工作频带较宽、对环境温度变化不敏感、步进位移分辨率高等优势，主要包括直驱型马达、惯性马达、蠕动马达三类，但它们都存在因其特定驱动机理而导致的难以解决的问题：直驱型压电马达通常使用柔性铰链机构来放大压电叠堆的位移，但是由于压电叠堆的应变量一般最大为0.1％，故其工作行程十分有限；在锯齿状信号的驱动下，惯性马达利用快/慢运动产生的相对位移差来积累长行程运动，但其步进过程中的“回拖”行为、效率较低等问题是无法避免的；蠕动马达仿照尺蠖虫的运动方式，至少需要三个独立的压电致动元件及三路驱动电路来实现抱紧、伸缩、松开等步骤，因而结构复杂、体积大、制造成本过高。
与非谐振式压电马达相比，谐振式压电马达往往使用复合模态(如纵-弯模态、纵-扭模态等)进行驱动，具有速度快、驱动力大等优势。但是，目前的谐振式压电马达也存在一些待解决的问题。首先，靠两种非同构振动模态耦合产生驱动效果的谐振式压电马达对元件的结构尺寸有严格的限制，无论是装配误差还是环境温度变化都易引起模态去耦合效应甚至驱动失效。第二，为了实现大的驱动力，很多类型的压电马达的结构设计非常复杂，难以实现小型化和集成化。第三，高驱动能力和高步进分辨率往往是冲突的，二者往往无法同时实现。因此，谐振式压电马达还有很大的发展空间。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明受到脚踏自行车运动机理的启发，提出了一种工作于第二阶弯曲(B2)单振动模态压电驱动器，可激发附着在压电本体上左右两个摩擦头分别产生具有180°相位差、但具有同向运动轨迹的椭圆振动。类似于两个脚踏板，左右两个摩擦头可在一个振动周期内交替地驱动一个滑块产生直线运动；即一个周期内两次同向驱动滑块，而不是传统的压电直线马达一个周期内只驱动滑块一次。因而本发明马达可获得更高驱动速度、更高驱动力和更高功率密度，同时也保持了高位移分辨率优秀综合驱动特性。本发明同时也有效克服了传统采用复合模态工作模式的压电驱动器存在的结构设计复杂、功耗大及易受环境温度变化影响的问题。
本发明提供的技术方案是：
一种压电驱动器，包括压电本体和附着在压电本体上的左右两个摩擦头，其中：
所述压电本体为长方体状或圆柱状结构，在压电本体的四个主侧面上对称制备有八个电极区域1-E1～1-E8(参见图1及图2)，即每一个侧面上制备有两个大小相同、沿长度方向排列的长方形电极区域；所述电极区域既用作极化电极，也用作施加电场时的工作电极；
所述压电本体采用体极化方式；在预设单相正弦波驱动信号作用下，所述压电本体会受激发产生沿对角线方向的第二阶弯曲(B2)模态下的谐振动；进一步的，在不同的电极与驱动信号的连接方式下，所述压电本体会产生两个正交的同型第二阶弯曲B2,a、B2,b振动模态，以使压电驱动器获得沿不同特定方向的椭圆型振动轨迹；
所述两个摩擦头粘结在压电本体同一侧面上的两个位移最大(即振型波腹)处。
在本发明中，为了保证两个正交的同型第二阶弯曲B2,a、B2,b振动模态的工作频率相同，将所述压电本体的横截面设计为正方形或者圆形。
施加于各电极区域的预设驱动电压的工作频率为压电本体第二阶弯曲(B2)模态的谐振频率。
B2振动模态的振型关于所述压电本体的垂直中心线0-0呈反对称，即所述压电本体左右两部分的振动轨迹拥有180°的相位差(参见图3和图4)。故为了获得更优秀的驱动能力，将所述两个摩擦头粘结于压电本体同一主侧面的B2振型的波腹、波谷上，也即产生位移最大的两个位置。所述压电本体产生的沿对角线方向的B2模态谐振动，可以通过双摩擦头的耦合作用驱动一个与之弹性接触的滑块产生两个方向的连续直线运动。
具体的，所述压电驱动器所采用的B2振动模态、双摩擦头的设置，以及驱动一个滑块的方法，跟一个自行车脚踏板的运动机制类似。由于自行车本身的非对称结构，两个踏板始终保持180°的角度旋转，而B2振动模态的非对称振型决定了所述双摩擦头的振动轨迹具有180°的相位差，即一个摩擦头向上振动时，另一个摩擦头向下振动，反之亦然。因此，两个摩擦头可在一个振动周期内交替地驱动一个滑块产生直线运动，即滑块在一个周期内被所述双摩擦头交替、同向驱动两次，所述压电驱动器也因而具有更大的驱动负载的能力。
所述双摩擦头可以设计为多种形状，如半球状、圆柱状、圆台状等。为了保证其与压电本体有良好的粘结强度，要求摩擦头的粘结面具有很高的平面度，并保证两个摩擦头的高度一致。
所述压电本体由压电陶瓷材料制作而成，可以选用典型的含铅系列压电陶瓷材料，如锆钛酸铅(PZT)基、钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)基压电陶瓷；还可以是无铅系列压电陶瓷材料，如铌酸钾钠(KNN)基、钛酸钡(BT)基、钛酸铋钠(BNT)基压电陶瓷等。
进一步的，本发明还提供一种工作于B2单模态的高功率密度压电马达，包括上述压电驱动器、滑动组件、预紧力组件和固定基座等组成。其中，所述滑动组件包括摩擦片、滑块和导轨，导轨固定在固定基座底部，摩擦片粘接在滑块上表面，滑块可沿导轨移动；所述压电驱动器通过预紧力组件安装在固定基座的上部，在预紧力组件提供的预紧力作用下所述压电驱动器的摩擦头与摩擦片弹性接触。
优选的，所述预紧力组件包括一体化成形的弹性片、紧固件(如螺钉)、金属或塑料外壳等，以提高器件的小型化和可集成化程度。所述压电驱动器安装在外壳内，弹性片与外壳的上表面紧固在一起，所述弹性片通过紧固件安装在所述固定基座上。
所述摩擦片通过环氧树脂粘接在滑块上，同滑块一起沿导轨做直线运动；预紧力组件通过紧固螺钉将弹性片与固定基座固定在一起；在预紧力组件提供的预紧力作用下，所述压电驱动器上的摩擦头与所述滑块上的摩擦片弹性接触，通过摩擦耦合将压电驱动器的高频特定取向振动转化为滑块的定向直线运动。
所述摩擦头和摩擦片由耐磨材料制成，根据不同的摩擦驱动要求，可以选择使用氧化铝、氧化锆、碳化硅、碳纤维等多种材料。
所述压电马达还包括驱动电路，用于为所述压电驱动器上的各电极区域提供预设驱动电压。上述B2模态压电马达采用简单的单相正弦波信号进行驱动，驱动电路相对比较简单。
所述驱动电路与所述压电驱动器压电本体的八个电极区域的不同连接驱动方式，将决定了压电马达的运动方向。正向运动：将驱动电路输出的正弦波信号CH1施加在压电本体一端相邻的一对电极区域、以及压电本体另一端反对称设置的一对相邻电极区域上，而其余四个电极区域接地，推动滑块向前直线运动；反向运动：将上述八个电极区域组合顺(或反)时针旋转90度，重新组合后的电极再引入电路正弦波信号CH2，推动滑块反向直线运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的压电驱动器，结构简单，易于集成。基于B2单模态工作的压电驱动器，可以有效避免传统复合模态压电驱动器存在的因环境温度变化或加工精度、装配误差而导致的模态失耦甚至驱动失效问题，驱动电路更也为简单。
(2)本发明提出的压电驱动器及压电马达，工作在类似于脚踏自行车运动的工作机理；并结合B2模态反对称振型特性，在振型的位移振幅最大处，即振型的波峰、波谷位置分别粘结有左右两个摩擦头。在一个周期内，两个同向运动轨迹的椭圆振动保持有180°的相位差，但两个摩擦头可以交替(一周期内两次)、同向驱动滑块产生线性运动，故可以获得高驱动速度、高驱动力与高功率密度。
(3)本发明提出的压电马达，在步进模式下可以获得33nm的分辨率。并且通过调节驱动电路，步距从几十纳米至几十微米内可调，证明了其高的定位精度和优秀的综合驱动能力。
(4)本发明基于仿生运动方法提出压电马达新的驱动机理，为今后压电致动器及压电马达发展提供了新思路。
附图说明
图1为本发明所述压电驱动器实施例一的结构示意图；
其中，1为压电驱动器，1-C为压电本体，1-E1～1-E8为八个电极区域，1-T1与1-T2为摩擦头。
图2为本发明所述压电驱动器实施例二的结构示意图；
其中，1为压电驱动器，1-C为压电本体，1-E1～1-E8为八个电极区域，1-T1与1-T2为摩擦头。
图3为本发明实施案例一中压电驱动器工作于B2,a振动模态时的驱动方式示意图(a)和相应的有限元仿真图(b)。
图4为本发明实施案例一中压电驱动器工作于B2,b振动模态时的驱动方式示意图(a)和相应的有限元仿真图(b)。
图5为本发明实施案例一中压电驱动器分别工作在B2,a、B2,b振动模态时，两个摩擦头产生的双向运动轨迹。
图6为本发明所述压电马达实施例一的结构示意图；
其中，1为压电驱动器，1-C为压电本体，1-E1～1-E8为八个电极区域，1-T1与1-T2为摩擦头；2为预紧力组件，2-A为一体化成形的弹性片，2-B为紧固螺钉，2-C为金属或者塑料外壳；3为滑动组件，3-A为摩擦片，3-B为滑块，3-C为滑块导轨；4为固定基座。
图7为本发明所述压电马达实施例一的速度、功率与负载关系的数据测试图。
图8为本发明所述压电马达实施例一的最小分辨率的数据测试图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供的B2模态压电驱动器及压电马达，结构简单、易于集成，工作模态单一，不易受温度变化而产生模态解耦等问题。同时，本发明将B2模态反对称振型与脚踏自行车运动机理巧妙结合在一起，在反对称振型的最大位移(波峰、波谷)处各粘结一个摩擦头，并通过左右两个摩擦头在一个周期内的两次(交替)、同向驱动滑块，来获得包括高驱动速度、高驱动力、高功率密度、高分辨率在内的优秀综合驱动性能。
图1为本发明所述高功率密度压电驱动器实施例一的结构示意图。如图1中(a)所示，压电驱动器1由长方体状压电本体1-C以及两个摩擦头1-T1、1-T2组成。在所述长方体状压电本体1-C的四个主侧面上，被有八个大小相同的电极区域1-E1～1-E8(银电极)，同一侧面上的两个电极沿长度方向排列，既可以用作极化电极，也可以用作施加电场时的工作电极。为了获得更大的驱动速度及驱动力，将双摩擦头1-T1、1-T2粘结于振型的最大位移(波峰、波谷)处。图1(b)中的箭头标识出了长方体状压电本体1-C的体内极化方向。
图2为本发明所述压电驱动器实施例二的结构示意图。压电驱动器1由圆柱状压电本体1-C以及两个摩擦头1-T1、1-T2组成。在所述圆柱状压电本体1-C的四个主侧面上，被有八个大小相同的电极区域1-E1～1-E8(银电极)，同一侧面上的两个电极沿长度方向排列，既可以用作极化电极，也可以用作施加电场时的工作电极。为了获得更大的驱动速度及驱动力，将所述双摩擦头1-T1、1-T2粘结于振型的最大位移(波峰、波谷)处。
其中，所述摩擦头1-T1、1-T2可以设计为多种形状，如半球状、圆柱状、圆台状等。为了保证其与压电本体有良好的粘结强度，要求摩擦头的粘结面具有很高的平面度或者曲面吻合度，并保证两个摩擦头的高度一致。所述压电本体1-C由压电陶瓷材料制作而成，可以选用典型的含铅系列压电陶瓷材料，如锆钛酸铅(PZT)基、钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)基压电陶瓷；还可以是低损耗、无铅系列压电陶瓷材料，如铌酸钾钠(KNN)基、钛酸钡(BT)基、钛酸铋钠(BNT)基压电陶瓷等。
当所述压电本体1-C按照图3中(a)所示电极连接方式进行驱动时，会产生如图3中(b)所示有限元仿真的B2,a振动模态。具体的，电极1-E1、1-E4、1-E6和1-E7连接预设驱动电压CH1，电极1-E2、1-E3、1-E5和1-E8接地时，压电本体1-C受激发产生沿对角线(i-i)方向的往复振动，且弯曲振型关于所述压电本体1-C的中心线0-0反对称振动，即B2,a振动模态，此时摩擦头1-T1、1-T2会按照沿逆时针方向的椭圆型轨迹微幅振动。
当所述压电本体1-C按照图4中(a)所示电极连接方式进行驱动时，会产生如图4中(b)所示有限元仿真的B2,b振动模态。具体的，电极1-E3、1-E4、1-E5和1-E6连接预设驱动电压CH2，电极1-E1、1-E2、1-E7和1-E8接地时，压电本体1-C受激发产生沿对角线(ii-ii)方向的往复振动，且弯曲振型关于所述压电本体1-C的中心线0-0反对称振动，即B2,b振动模态，此时摩擦头1-T1、1-T2会按照沿顺时针方向的椭圆型轨迹微幅振动。B2,a、B2,b振动模态为正交的同型振动模态。
其中，预设驱动信号CH1和CH2为正弦波信号，单相信号驱动可有效避免传统复合模态压电驱动器存在的因环境温度变化或加工精度、装配误差而导致的模态失耦甚至驱动失效问题，驱动电路更为简单。由于所述压电本体1-C的横截面形状为正方形或圆形，故B2,a和B2,b振动模态的谐振频率相同，即CH1和CH2信号为相同(同频、等幅)的正弦波信号。
图5为本发明实施案例中压电驱动器双向振动时两个摩擦头的运动轨迹示意图。利用环氧树脂将两个摩擦头1-T1、1-T2分别粘结在B2模态振型的波峰、波谷处，使用单相正弦波信号进行驱动，获得可程控的驻波运动。当将正弦波信号CH1施加在电极1-E1、1-E4、1-E6和1-E7上，其余电极1-E2、1-E3、1-E5和1-E8接地(即按照图3中(a)所示电极连接方式驱动)时，摩擦头均会产生沿x方向(1-方向)的水平位移振动和沿z方向(3-方向)的垂直位移振动，从而构成沿逆时针方向的椭圆运动轨迹。若将摩擦头与滑块弹性耦合在一起，则可以推动滑块沿x正方向、向前直线运动。而当按照图4中(a)所示方式连接CH2信号时，可推动滑块沿x负方向、向后直线运动。由于B2振动模态的振型关于所述压电本体1-C的中心线呈反对称，故压电本体1-C左右两部分的振动轨迹拥有180°的相位差，因此，两个摩擦头的振动轨迹一直保持有180°的相位差，即摩擦头1向上振动时，摩擦头2向下振动，反之亦然。滑块在一个周期内被所述双摩擦头交替、同向驱动两次，所述压电驱动器也因而具有更大的驱动负载的能力。
可以看出，所述压电驱动器所采用的B2振动模态及双摩擦头的设计方法，类似于脚踏自行车运动的工作机制。由于自行车本身的非对称结构，两个踏板始终保持180°的角度旋转，交替驱动自行车向前行进。本实施例中对此进行类比，两个摩擦头1-T1、1-T2分别粘结于轨迹具有180°相位差的对称位置上，在一个周期内交替、同向驱动滑块做直线运动。值得注意的是，在自行车单向离合器部件的影响下，自行车只能单向前行进，而所述压电驱动器可以驱动滑块产生双向运动。
图6为本发明所述高功率密度压电马达实施例之一的结构示意图。该压电马达由所述B2模态压电驱动器1、预紧力组件2、滑动组件3、固定基座4组成，可以提高器件的小型化和可集成化程度。其中，预紧力组件2由一体化成形的弹性片2-A、紧固螺钉2-B和外壳2-C组成，滑动组件3由摩擦片3-A、滑块3-B和滑块导轨3-C组成。压电驱动器1安装在外壳2-C内，弹性片2-A与外壳2-C的上表面紧固在一起。使用紧固螺钉2-B将弹性片2-A与固定基座4固定在一起，为压电驱动器1的工作提供足够的预紧力，使摩擦头1-T1和1-T2与摩擦片3-A弹性接触，再通过摩擦头和摩擦片3-A间的摩擦耦合，驱动摩擦片3-A和滑块3-B一起沿滑块导轨3-C作双向直线运动。
对图6所示的B2模态压电马达进行测试，测得的速度、功率与负载的关系曲线如图7所示。从图7中可以看出，压电马达的速度随电场强度的增大而逐渐增大，随负载的增大而逐渐降低；压电马达的输出功率随负载的增加呈现出先增大后降低的趋势。在59.1kHz的谐振频率下，该马达的最大驱动速度为211.2mm/s，最大负载力是5.4N，最大输出功率是218.3mW。其中值得注意的是，该马达的功率密度为243mW/cm3(4.112mW/cm3·kHz)，该值是现有报道中绝大部分马达功率密度的两倍甚至十倍以上。
本发明所述压电马达实施例一的最小分辨率的数据测试图如图8所示，该马达的最小位移分辨率为33nm。
由此可以看出，本发明提出的B2模态压电马达具有优秀的综合驱动性能——结构紧密、集成度高、负载大、功率密度高、步进分辨率高，在航天工程、半导体器件加工、医学操作、光通信等领域都将会有广阔的应用空间。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种压电驱动器，包括压电本体和两个摩擦头，其特征在于，所述压电本体为长方体状或圆柱状结构，在压电本体的四个侧面上对称制备有八个电极区域，即每一个侧面上制备有两个大小相同、沿长度方向排列的长方形电极区域；所述电极区域既用作极化电极，也用作施加电场时的工作电极；所述压电本体采用体极化的极化方式；各电极区域在预设驱动电压作用下，使得所述压电本体受激发产生两个正交、同型、并沿对角线方向的第二阶弯曲即B2模态振动；所述压电本体的横截面为正方形或者圆形，确保两个正交的同型第二阶弯曲B2,a、B2,b振动模态的工作频率相同；两个摩擦头粘结在压电本体同一侧面上的两个位移最大处。
2.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，在不同的电极与驱动信号的连接方式下，所述压电本体会可控产生两个正交的同型第二阶弯曲B2,a、B2,b振动模态，以使压电驱动器获得沿不同特定方向的椭圆型振动轨迹。
3.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，两个摩擦头分别粘结在所述压电本体同一侧面左右两部分的对称位置上，分别产生具有180°相位差、但同向的椭圆振动轨迹。
4.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，施加于各电极区域的预设驱动电压的工作频率为压电本体第二阶弯曲模态的谐振频率。
5.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述摩擦头为半球状、圆柱状或圆台状，且两个摩擦头的高度一致。
6.一种压电马达，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的压电驱动器和滑动组件、预紧力组件和固定基座，其中，所述滑动组件包括摩擦片、滑块和导轨，导轨固定在固定基座底部，摩擦片粘接在滑块上表面，滑块可沿导轨移动；所述压电驱动器通过预紧力组件安装在固定基座的上部，在预紧力组件提供的预紧力作用下所述压电驱动器的摩擦头与摩擦片弹性接触。
7.如权利要求6所述的压电马达，其特征在于，所述预紧力组件包括一体化成形的弹性片、紧固件和外壳，所述压电驱动器安装在外壳内，弹性片与外壳的上表面固定在一起，所述弹性片通过紧固件安装在所述固定基座上。
8.如权利要求6所述的压电马达，其特征在于，所述压电马达还包括驱动电路，为所述压电驱动器上的各电极区域提供预设驱动电压。
9.如权利要求8所述的压电马达，其特征在于，所述驱动电路输出的正弦波信号CH1施加在压电本体一端相邻的一对电极区域、以及压电本体另一端反对称设置的一对相邻电极区域上，而其余四个电极接地，推动滑块向前直线运动；将上述八个电极区域组合顺时针或反时针旋转90度、引入电路正弦波信号CH2，推动滑块反向直线运动。
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