CN116800122A - 一种多层压电陶瓷直线超声电机及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层压电陶瓷直线超声电机及驱动方法。包括压电振动器、夹持机构和滑动块，其中：压电致动器由一个多层压电陶瓷矩形板制成，在矩形板一个端面的中心处设摩擦块；滑动块被导轨限定沿直线滑动。该电机工作时，压电振动器工作在第一阶弯曲振动模态(B1)。驱动电源产生的电压激励多层压电陶瓷矩形板作高频的小振幅(纳米至微米级)椭圆轨迹运动，再通过附在多层压电陶瓷矩形板上的摩擦块与滑动块之间的摩擦力驱动滑动块作直线运动。可通过调节驱动电压的频率来改变电机的输出速度和推力。其优点是：它提供了一种简单紧凑的直线驱动结构；电机能在较宽温度范围内工作；利用多层压电陶瓷结构，能大幅降低工作电压。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动元件技术领域，特别涉及一种直线型压电超声电机及其驱动方法。
背景技术
超声电机与传统电机相比，具有以下特点：结构简单、紧凑、转矩/体积比值大；低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动；响应快(毫秒级)；断电自锁；分辨率高，在闭环控制下能获得高精度(小于100nm，某些特殊结构的超声电机能达到10nm以下运动精度)；不产生磁场，不受外界磁场干扰；形状可以多样化(圆的、方的、空心的、杆状的)，等等。由于其独特的性能，超声电机在很多场合优于电磁电机，拥有广阔的应用前景，尤其是在需要快速响应和高精度位置控制的应用领域(譬如医学成像系统中光学元件的精密驱动)，超声电机在运动行程、驱动力、驱动精度、响应速度和功率消耗等性能方面已显示出明显的优越性。在工业控制的领域，超声电机也逐渐得到更多的应用。
现有技术中，如美国专利US5877579中，公开一个长宽比约为4:1的矩形压电板L1-B2双振动模态系统，工作在第一阶纵振动模态(L1)和第二阶弯曲振动模态(B2)，两个模态具有接近的本征频率，主表面上的电极被分割为4个部分(2×2，长度方向和宽度方向都被均分为两部分)，在两个斜对角电极上施加一个接近模态本征频率的交流电压，能同时激励出第一阶纵向振动模态(L1)和第二阶横向弯曲振动模态(B2)，通过调节交流电压的幅值可改变电机的驱动速度和推力大小。美国专利US 7598656中，公开的也是一种双振动模态系统，利用一个长宽比约为2:1的矩形压电板，主表面上的电极被分割为2个部分(沿长度方向被均分)，在其中一个电极上施加交流电压能同时激励出2个振动模态(具有接近的本征频率，一个模态为对称模态SS-3，另一个模态为反对称模态AS-3)。当温度发生较大变化时，因这类电机的两个工作模态本征频率随温度变化的系数不同，两个本征频率之间产生较大的偏差，摩擦驱动头在工作电压激励下不能同时获得法向和切向的强烈振动，进而引起电机性能的急剧变化。
为了满足科学仪器、生物医疗、航空航天等产品对高稳定性致动器的需要，有必要发明一种新的直线超声电机及驱动方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对直线压电超声电机在实际使用中存在的各种弊端，提供一种新的直线压电超声电机结构。
本发明还提供了上述超声电机的驱动方法的技术方案。
为解决上述问题，本发明提供的多层压电陶瓷直线超声电机可采用以下技术方案：
一种多层压电陶瓷直线超声电机，包括压电振动器、保持压电振动器稳定的夹持机构和滑动块，滑动块被导轨限定在某一方向上沿直线滑动，压电振动器的一端设有摩擦块，摩擦块同滑动块弹性接触，所述压电振动器包括多层压电陶瓷矩形板，多层压电陶瓷矩形板由多个压电陶瓷片堆叠形成，一个压电陶瓷片包括正面、背面两个主表面，正面上覆盖两片第一电极，且该两片第一电极在压电陶瓷片宽度方向上相互不接触的对称设置；背面上完全覆盖一整片第二电极；所述多个压电陶瓷片以正面对正面、背面对背面的形式一正一反堆叠；压电振动器通电时给所有压电陶瓷片通电，每个压电陶瓷片中只有一片第一电极与第二电极之间通电。
进一步的，单片压电陶瓷沿厚度方向极化。
进一步的，压电振动器通电时，驱动电源产生频率接近于压电振动器B1模态本征频率的单相正弦交流电压，激励多层压电陶瓷矩形板产生横向弯曲振动；多层压电陶瓷矩形板在电压激励下同时产生非共振的纵向伸缩振动。
进一步的，附着在多层压电陶瓷矩形板上的摩擦块作椭圆轨迹运动，通过摩擦力驱动滑动块作直线运动。
进一步的，通过调节驱动电压的频率来改变电机的输出速度和推力。
进一步的，还设有抵靠压电振动器与摩擦块所在一端相对一端的弹簧，压电振动器通过该弹簧产生的预压力实现摩擦块同滑动块的弹性接触。
进一步的，多个压电陶瓷片堆叠成整体并通过陶瓷/金属内电极低温共烧技术制备。
进一步的，所述多层压电陶瓷矩形板两侧形成侧面电极，所述侧面电极中，一个侧面电极与位于同侧的一组第一电极导通，另一个侧面电极与另一组同侧的第一电极导通，第三个侧面电极与所有第二电极导通。
进一步的，滑动块的滑动方向限定在与所述多层压电陶瓷矩形板的宽度平行的方向。
本发明提供的上述多层压电陶瓷直线超声电机的驱动方法可采用以下技术方案：
设两片第一电极分别位于压电陶瓷片正面的两侧，对多层压电陶瓷矩形板通电时，所有位于同一侧的第一电极与所有第二电极之间施加一个单相正弦交流电压，另一个第一电极保持为浮动开路状态；
当交流电压的驱动频率fd略高于B1弯曲模态本征频率fB1时，所述压电陶瓷矩形板21的B1横向弯曲振动模态被激发，同时还会产生非共振的纵向伸缩振动；滑动块沿+x或-x方向移动；
当驱动电压频率fd约等于B1弯曲模态本征频率fB1时(fd≈fB1)，x方向振幅达到最大值，x和y方向的位移ux和uy之间相位差约为90°；滑动块作高速运动。
当驱动电压频率fd高于fB1并逐渐增大时，x方向振幅逐渐减小，x和y方向的位移ux和uy之间相位差大于90°并逐渐增加；滑动块作低速运动。
有益效果：相对于现有技术，本发明直线超声电机只利用一个第一电极与一个第二电极所产生的压电驱动力(多层压电陶瓷矩形板中只有一侧的第一电极通电而另一侧不通电)，即可以导致横向弯曲振动模态将被激发，同时产生非共振的纵向伸缩振动，所以不必设定压电陶瓷板的长宽比为某一特定值。并且，该电机能在较宽温度范围内工作；利用多层压电陶瓷结构，能大幅降低工作电压。
附图说明
图1为本发明实施例总体结构示意图。
图2为压电振动器2的结构示意图。
图3为多层压电陶瓷矩形板21的内部层间电极示意图。
图4为多层压电陶瓷矩形板21的第一阶弯曲B1振动模态振型示意图。
图5为直线超声电机1的驱动电压施加方法示意图。
图6为摩擦块22的端部质点在xy平面内的椭圆运动轨迹示意图。
图7为外形尺寸30×7.5×3.0mm的Pb(Zr,Ti)O3多层压电陶瓷矩形板的振动模态B1，B2，L1的有限元计算结果。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明的部分实施例，下面结合具体实施例对本发明作进一步地说明。
由图1可见：所示的B1振动模态多层压电陶瓷直线超声电机1有一个压电振动器2，该压电振动器2包括多层压电陶瓷矩形板21，在矩形板一个端面的中心处粘接一个摩擦块22。所述的电机1还有一个滑动块3。所述的摩擦块22与滑动块3弹性接触，利用一个弹簧4产生的预压力F来实现。滑动块3的接触平面与摩擦块22所处平面平行，且滑动块3的滑动方向限定在与所述多层压电陶瓷矩形板21的宽度平行的方向。所述的压电振动器2被夹持机构5约束横向的运动。所述的夹持机构5包括4个滚珠轴承(51,52,53,54)和一个弹簧55，其中滚珠轴承51和52内孔固定于电机外壳上，弹簧55一端固定于电机外壳上。
图2为压电振动器2的结构示意图。所述的多层压电陶瓷矩形板21是Pb(Zr,Ti)O3等一类具有优良压电性能(大的压电应变系数-d31)的多层共烧陶瓷材料，其外形为长方块状，在压电矩形板21一个端面的中心处粘接一个摩擦块22，所述的摩擦块22也可以是一个球形、半球形、短棒形、方块形的耐磨材料，通过环氧树脂与多层压电陶瓷矩形板21粘接复合在一起。
图3为图2所示多层压电陶瓷矩形板21的内部层间电极示意图。多层压电陶瓷矩形板由多个压电陶瓷片堆叠形成，外侧面电极与内部层间电极导通，按物理连接可分为3组电极(21a,21b，和21c)，正面上覆盖两片第一电极21a、21b，且该两片第一电极21a、21b在压电陶瓷片宽度方向上相互不接触的对称设置；背面上完全覆盖一整片第二电极21c；如图3所示，所述多个压电陶瓷片以正面对正面、背面对背面的形式一正一反堆叠。第一电极21a和21b左右对称分布且从中线分隔开，第二电极21c左右对称分布但不分割，压电陶瓷沿厚度方向极化处理。多层压电陶瓷矩形板21是由许多压电陶瓷薄片(几十至几微米厚)堆叠组成，可通过陶瓷/金属内电极低温共烧技术制备，具有驱动电压低的优点。多层压电陶瓷矩形板21堆叠成型后两侧形成侧面电极23，所述侧面电极23中，一个侧面电极与位于同侧的一组第一电极21a或21b导通，另一个侧面电极与另一组同侧的第一电极导通，第三个侧面电极与所有第二电极21c导通。
图4为所述多层压电陶瓷矩形板21的第一阶弯曲B1振动模态振型示意图。图中定义直角坐标系y轴、x轴、z轴分别平行于矩形板的长、宽、厚方向，利用压电陶瓷材料的d31效应可激发xy平面内的B1弯曲模态，弯曲挠度沿x方向。因为本发明直线超声电机只利用单一共振模态，所以不必设定压电陶瓷板的长宽比为某一特定值。
图5为所述直线超声电机1的驱动电压施加方法示意图。在所述多层压电陶瓷矩形板21的电极21a(或21b)和电极21c之间施加一个单相正弦交流电压，另一个电极21b(或21a)保持为浮动开路状态，该交流电压的频率可调，驱动频率fd略高于所述B1弯曲模态本征频率fB1，所述压电陶瓷矩形板21的B1横向弯曲振动模态将被激发，同时还会产生非共振的纵向伸缩振动。所述摩擦块22的端部质点在xy平面内做椭圆轨迹运动，通过摩擦作用驱动所述的滑动块3沿+x(或-x)方向移动。
图6为所述摩擦块22的端部质点在xy平面内的椭圆运动轨迹示意图。在电极21b上施加电压，运动轨迹为顺时针方向，滑动块3沿-x方向移动。驱动频率fd远低于第一阶纵向伸缩振动模态本征频率(fd＜＜fL1)，压电陶瓷矩形板21的纵向伸缩振动为非共振状态，其振幅几乎不随驱动频率变化，相位与驱动电压保持一致。当驱动电压频率fd约等于B1弯曲模态本征频率fB1时(fd≈fB1)，x方向振幅达到最大值，x和y方向的位移ux和uy之间相位差约为90°椭圆的长轴和短轴近似沿x方向和y方向，所述的滑动块3作高速运动；当驱动电压频率fd高于fB1并逐渐增大时(fd>fB1)，x方向振幅逐渐减小，x和y方向的位移ux和uy之间相位差大于90°并逐渐增加/>轨迹为一个斜椭圆，所述的滑动块3作低速运动。以一个具体的实例进行说明。譬如，利用Pb(Zr,Ti)O3陶瓷制作一个外形尺寸为30×7.5×3.0mm(L×W×T)的多层压电陶瓷矩形板，其材料参数约为：密度7600kg/m3，杨氏模量73GPa，泊松比0.3，压电系数d31＝-150×10-12m/V，利用有限元方法计算得到其B1,B2,L1模态振型如图7所示，本征频率分别为fB1＝22.3kHz,fB2＝49.7kHz,fL1＝51.5kHz，相应地，驱动频率应略高于B1弯曲模态本征频率fB1(22.3＜fd＜＜49.7kHz)。若设置单层厚度为t＝0.1mm(n＝30层,nt＝T)，施加70Vpp(伏特，峰峰值)交流电压，电场强度幅值为E＝350V/mm，产生的非共振纵向伸缩应变为/>摩擦头端部的法向振幅为/>足够满足电机工作要求。
相对于Nanomotion公司和PI公司的双模态超声电机，本发明超声电机具有更好的温度稳定性，能在更宽温度范围下工作。当温度发生较大变化时，因这类双模态电机的两个工作模态本征频率随温度变化的系数不同，两个本征频率之间产生较大的偏差，摩擦驱动头在工作电压激励下不能同时获得法向和切向的强烈振动，进而引起电机性能的急剧变化。本发明超声电机只利用一个共振模态(B1)来产生切向(驱动方向)的振动，同时利用非共振长度伸缩产生法向的振动。当温度发生变化时，B1模态本征频率fB1会发生变化，驱动控制系统可以根据温度传感器反馈调整驱动频率，使切向振幅维持不变；与此同时，非共振的法向振动也不会随温度变化发生剧烈改变；因此，电机的输出性能不会发生急剧变化。
Claims (10)
1.一种多层压电陶瓷直线超声电机，包括压电振动器、保持压电振动器稳定的夹持机构和滑动块，滑动块被导轨限定在某一方向上沿直线滑动，压电振动器的一端设有摩擦块，摩擦块同滑动块弹性接触，其特征在于，
所述压电振动器包括多层压电陶瓷矩形板，多层压电陶瓷矩形板由多个压电陶瓷片堆叠形成，一个压电陶瓷片包括正面、背面两个主表面，正面上覆盖两片第一电极，且该两片第一电极在压电陶瓷片宽度方向上相互不接触的对称设置；背面上完全覆盖一整片第二电极；所述多个压电陶瓷片以正面对正面、背面对背面的形式一正一反堆叠；
压电振动器通电时给所有压电陶瓷片通电，每个压电陶瓷片中只有一片第一电极与第二电极之间通电。
2.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷直线超声电机，其特征在于，单片压电陶瓷沿厚度方向极化。
3.根据权利要求1或2所述的多层压电陶瓷直线超声电机，其特征在于，压电振动器通电时，驱动电源产生频率接近于压电振动器B1模态本征频率的单相正弦交流电压，激励多层压电陶瓷矩形板产生横向弯曲振动；多层压电陶瓷矩形板在电压激励下同时产生非共振的纵向伸缩振动。
4.根据权利要求3所述的多层压电陶瓷直线超声电机，其特征在于，附着在多层压电陶瓷矩形板上的摩擦块作椭圆轨迹运动，通过摩擦力驱动滑动块作直线运动。
5.根据权利要求3所述的多层压电陶瓷直线超声电机，其特征在于，通过调节驱动电压的频率来改变电机的输出速度和推力。
6.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷直线超声电机，其特征在于，还设有抵靠压电振动器与摩擦块所在一端相对一端的弹簧，压电振动器通过该弹簧产生的预压力实现摩擦块同滑动块的弹性接触。
7.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷直线超声电机，其特征在于，多个压电陶瓷片堆叠成整体并通过陶瓷/金属内电极低温共烧技术制备。
8.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷直线超声电机，其特征在于，所述多层压电陶瓷矩形板两侧形成侧面电极，所述侧面电极中，一个侧面电极与位于同侧的一组第一电极导通，另一个侧面电极与另一组同侧的第一电极导通，第三个侧面电极与所有第二电极导通。
9.根据权利要求1所述的多层压电陶瓷直线超声电机，其特征在于，滑动块的滑动方向限定在与所述多层压电陶瓷矩形板的宽度平行的方向。
10.一种根据权利要求1至9任一项所述的多层压电陶瓷直线超声电机的驱动方法，其特征在于，设两片第一电极分别位于压电陶瓷片正面的两侧，对多层压电陶瓷矩形板通电时，所有位于同一侧的第一电极与所有第二电极之间施加一个单相正弦交流电压，另一片第一电极保持为浮动开路状态；
当交流电压的驱动频率fd略高于B1弯曲模态本征频率fB1时，所述压电陶瓷矩形板21的B1横向弯曲振动模态被激发，同时还会产生非共振的纵向伸缩振动；滑动块沿+x或-x方向移动；
当驱动电压频率fd约等于B1弯曲模态本征频率fB1时(fd≈fB1)，x方向振幅达到最大值，x和y方向的位移ux和uy之间相位差约为90°；滑动块作高速运动；
当驱动电压频率fd高于fB1并逐渐增大时，x方向振幅逐渐减小，x和y方向的位移ux和uy之间相位差大于90°并逐渐增加；滑动块作低速运动。
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| CN117412660B (zh) * | 2023-12-14 | 2024-04-16 | 乌镇实验室 | 一种共烧型多层压电致动器 |
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