CN118137880A - 一种压电定子、工作方法及压电马达驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电定子、工作方法及压电马达驱动装置，压电定子包括压电元件和摩擦部件，压电元件的形状为沿中心符合4mm对称的图形，压电元件第一面的电极层区域分为4N等分，分区电极沿着压电元件的中心线划分；压电元件沿厚度方向的上下两个面均设置有电极层，压电元件第二面采用全电极形式，压电元件的极化方向沿厚度方向，四个电极区域对应部分的极化方向相同；对压电定子表面进行电极划分，通过对不同区域施加电信号的调节可以实现双自由度、四方向独立驱动；基于所述压电定子，通过预紧力以确定驱动装置始终处在最佳工作状态下，并保证装置有断电自锁的功能，整体压电马达驱动装置结构设计简单，便于制作。

Description

一种压电定子、工作方法及压电马达驱动装置

技术领域

本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体涉及一种压电定子、工作方法及压电马达驱动装置。

背景技术

压电马达是一种利用压电材料的逆压电效应，激发压电驱动器(即定子)在一定频率内的微幅振动，并且通过摩擦作用，将定子的微幅振动转换为动子的宏观直线或旋转运动的一种压电器件。压电马达具有体积小、结构紧凑、能断电自锁、无电磁干扰、响应速度快、噪声低等优点。

按照压电马达自身运动的输出的不同，可分为单自由度压电马达(单定子实现单自由度驱动)和多自由度压电马达(单定子实现多自由度驱动)。相对单自由度马达多自由度马达有节省空间、便于控制等优势，但同样多自由度马达存在结构复杂、制作困难问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种压电定子、工作方法及压电马达驱动装置，结构简单，便于生产，能实现静音双自由度驱动。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种压电定子，包括压电元件和摩擦部件，压电元件的形状为沿中心符合4mm对称的图形，压电元件第一面的电极层区域分为4N等分，分区电极沿着压电元件的中心线划分；压电元件沿厚度方向的上下两个面均设置有电极层，压电元件第二面采用全电极形式，压电元件的极化方向沿厚度方向，四组电极区域对应部分的极化方向相同。

压电元件第一面中心设置有单独区域，所述单独区域为圆形或正方形。

压电元件和摩擦部件粘接，摩擦部件设置有多个。

摩擦部件材质为氧化铝、氧化硅、氧化锆或碳纤维，压电元件采用压电陶瓷、压电单晶或织构陶瓷，电极采用金、银、铜或铜合金。

本发明所述的压电定子的作动方法，向四组区域电极施加预设电压，激发压电元件的长宽两个方向的弯曲和厚度方向的伸缩模态或拱起模态相耦合；电压加载驱动方式有驻波驱动和行波驱动两种模式，压电元件将运动传递给与之相连接的摩擦部件，摩擦部件端面运动。

在驻波模式下，将相邻两个电极区域接入同一组交流信号，另外两个电极及全电极一侧接地，压电元件受激发产生驱动摩擦部件在垂直于第一面的平面内实现斜向的切向运动。

在行波模式下，其中一个电极区域接入第一组交流信号，相邻两个电极区域接入第二组交流信号，最后一个电极区域接入第三组交流信号，三组所接入的交流信号频率相同，电压幅值相同，第一组和第二组设置π/或-π/的相位差，第一组和第三组相位差为π，第二面全电极层接地；压电元件受激发产生能驱动动子逆时针或顺时针运动的椭圆轨迹。

本发明还提供一种压电马达驱动装置，包括底座、定子夹持结构、双自由度交叉滚珠滑块组、预紧梁、预紧螺钉以及压电定子；底座上设置有连接台，定子夹持结构和预紧梁均与连接台紧固连接，预紧梁设置在定子夹持结构远离底座的一面，预紧梁上设置预紧螺钉；定子夹持结构为挠性梁，预紧梁为刚形梁；压电定子与定子夹持结构朝向底座的一面连接，双自由度交叉滚珠滑块组设置在压电定子与底座之间，双自由度交叉滚珠滑块组与底座连接。

底座连接减震台；双自由度交叉滚珠滑块组表面粘接耐磨材料层。

双自由度交叉滚珠滑块组包括两个能直线运动的滚珠直线导轨，所述两个滚珠直线导轨垂直。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明采用一块沿中心符合4mm对称压电元件划分出等份的电极，至少划分四块电极，通过简单的结构实现压电定子的功能；基于本发明所述的压电定子，向其中的不同电极施加预设电压，实现驻波驱动和行波驱动模式，进而由压电元件带动摩擦部件运动，摩擦部件能用于带动电机动子移动。

本发明所述的夹持结构动子采用可实现双自由度平动的双自由度交叉滚珠滑块组；将压电定子与定子夹持件粘接为一体，通过固定定子夹持件，保证压电定子和动子的装配位置关系。

定子夹持件采用具有优良弹性变形能力的材料制作，通过定子夹持件的弹性变形为压电定子与动子的接触提供可调节的弹性预紧力，弹性预紧力的加入能够将压电定子的振动最大化地转换为动子的移动，从而提高驱动力，以支持大行程驱动；加入预紧螺钉，通过旋转预紧螺钉来改变定子夹持件的变形程度，完成弹性预紧力的调节，此外，压电定子在电压驱动下实现形变，在断电情况下驱动装置停止工作，实现断电自锁且无噪音。

附图说明

图1为本发明所述的双自由度压电马达驱动装置压电定子示意图；

图2为本发明所述的双自由度压电马达驱动装置的振动模态示意图；

图3为本发明所述的双自由度压电马达驱动装置压电元件俯视图；

图4为本发明所述的双自由度压电马达驱动装置驻波模式下的摩擦部件位移仿真图；

图5为本发明所述的双自由度压电马达驱动装置行波模式下的摩擦部件位移仿真图；

图6为本发明所述的压电元件可采用的形状和表面电极划分方式示意图；

图7为本发明所述的双自由度压电马达驱动装置整体装配示意图；

图8为本发明所述双自由度压电马达驱动装置的结构拆分示意图；

图9为本发明所述双自由度压电马达驱动装置的局部视图。

具体实施方式

参考图1，本发明提供一种压电定子，包括压电元件8和摩擦部件7，压电元件的形状为沿中心符合4mm对称的图形，压电元件第一面的电极层区域分为4N等分，分区电极沿着压电元件的中心线划分；压电元件8沿厚度方向的上下两个面均设置有电极层，压电元件第二面采用全电极形式，压电元件7的极化方向沿厚度方向，四个电极区域对应部分的极化方向相同。

压电元件的俯视图形状可以是正方形、圆形、圆环等沿中心符合4mm对称的图形，上表面的电极层区域N等分，N是4的倍数，图6所示是其中几种压电元件的俯视图与电极划分方式。

图1为本发明所述压电马达驱动装置的压电定子，压电定子包括压电元件8及位于它中央的摩擦部件7组成。

所述摩擦部件7可以设置一个或多个，摩擦部件7通过环氧树脂固定在压电元件8上，压电元件8的微幅振动带动摩擦头振动，进而推动动子运动。

其中，摩擦部件材料可为氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化锆(ZrO₂)或碳纤维等耐磨材料。

其中压电元件8由压电材料制作，在压电元件厚度方向两表面设置有电极层。其中，压电材料可使用压电陶瓷、压电单晶、织构陶瓷等材料，表面电极材料由金、银或铜及铜合金等导电材料。

图2为所述压电定子在电压激励下的振动模式有限元仿真图，两种模态分别为图2a沿压电元件8边长的弯曲模态和图2b压电元件中部的拱起模态，两种振动模态耦合在摩擦部件7端部可以耦合成一个椭圆轨迹的运动，进而推动动子实现直线运动。

其中振动模态耦合是指，通过有限元仿真，使得压电元件的边长的弯曲模态和中部的拱起模态在相同电压激励频率产生。具体地，固定压电元件厚度，调整长度和宽度，得到切向模态和拱起模态频率最接近时的压电元件长、宽尺寸，定义为压电元件的最终尺寸。对仿真得出两种振型耦合的频率，即压电驱动器的工作频率。

椭圆轨迹运动推动动子直线运动是指，压电元件8通过摩擦部件7将运动传递给动子。当摩擦部件作椭圆运动的上半圈运动时，将与动子接触并推动动子向前，当压电元件8作椭圆运动的下半圈的运动时，摩擦部件7将与动子脱离并依靠惯性继续向前运动。如果这种椭圆运动连续不断地产生下去，对动子具有定向连续的拨动作用，从而动子产生连续运动。

图3为是压电元件的四分电极层的俯视图，在此侧对压电元件表面的电极层均分为V1、V2、V3和V4四个区域，在对侧电极层采用全电极的方式。本发明所述的压电驱动器可工作在驻波模式，也可工作在行波模式。

上述驻波模式驱动是指，在四分电极层上相邻两电极区域输入幅值相同、同频同相位的正弦交流驱动电压Vsinωt，剩余两电极区域和对侧全电极层接地；将相邻两个电极区域接入同一组交流信号，另外两个电极及全电极一侧接地，压电元件8受激发产生驱动摩擦部件7在垂直于第一面的平面内实现斜向的切向运动。

具体地，图4为压电定子在不同加压方式下的摩擦部件端面位移仿真图。对图3a中V1、V2区域输入驱动电压Vsinωt，V3、V4区域及对侧全电极层接地，可产生如图2a所示的切向向右的特征模态及中间部分拱起的特征模态，二者在摩擦头端部可以耦合成一个沿X方向斜向右上方的振动模态(椭圆运动的一种特殊形式)。图4a展示了摩擦部件端面位移仿真图，摩擦部件7在XOZ平面内实现了斜向右上的切向运动。

同样地，对图3a中V3、V4区域施加输入驱动电压Vsinωt，V1、V2和对侧全电极层接地，可产生沿X方向切向向左的特征模态及中部拱起的特征模态，二者在摩擦头端部可以耦合成沿X方向一个斜向左上方的振动模态。图4b展示了摩擦部件端面位移仿真图，摩擦部件在XOZ平面内实现了斜向左上的切向运动。

同样地，对图3a中V2、V3区域施加输入驱动电压Vsinωt，V1、V4和对侧全电极层接地，可产生沿Y方向切向向右的特征模态及中部拱起的特征模态，二者在摩擦头端部可以沿Y方向耦合成一个斜向右上方的振动模态。图4c展示了摩擦部件端面位移仿真图，摩擦部件在YOZ平面内实现了斜向右上的切向运动。

同样地，对图3a中V1、V4区域施加输入驱动电压Vsinωt，V2、V3和对侧全电极层接地，可产生沿Y方向切向向左的特征模态及中部拱起的特征模态，二者在摩擦头端部可以耦合成一个沿Y方向斜向左上方的振动模态。图4d展示了摩擦部件端面位移仿真图，摩擦部件在YOZ平面内实现了斜向左上的切向运动。

上述行波模式驱动是指，在四分电极层上一块电极区域输入正弦交流驱动电压Vsinωt，剩余电极区域分别输入Vsin(ωt+π/2)或Vsin(ωt-π/2)、Vsin(ωt+π)的驱动电压，对侧全电极层接地。

具体地，对图3a中V1区域输入驱动电压Vsinωt，V2、V4区域输入驱动电压V sin(ωt+π/2)，V3区域输入驱动Vsin(ωt+π)，对侧全电极层接地。可产生如图3b所示的沿对角线Ⅰ-III方向弯曲振动模态及中间部分拱起振动模态，二者在摩擦部件端部可以耦合成一个沿对角线Ⅰ-III方向顺时针的椭圆运动模态。图5a展示了摩擦部件8端面位移仿真图。

同样地，对图3a中V1区域输入驱动电压Vsinωt，V2、V4区域输入驱动电压V sin(ωt-π/2)，V3区域输入驱动Vsin(ωt+π)，对侧全电极层接地。可产生如图3b所示的沿对角线Ⅰ-III方向弯曲振动模态及中间部分拱起振动模态，二者在摩擦部件端部可以耦合成一个沿对角线Ⅰ-III方向逆时针的椭圆运动模态。图5b展示了摩擦部件8端面位移仿真图。

同样地，对图3a中V4区域输入驱动电压Vsinωt，V1、V3区域输入驱动电压V sin(ωt+π/2)，V2区域输入驱动Vsin(ωt+π)，对侧全电极层接地。可产生如图3b所示的沿对角线II-Ⅳ方向弯曲振动模态及中间部分拱起振动模态，二者在摩擦部件端部可以耦合成一个沿对角线II-Ⅳ方向顺时针的椭圆运动模态。图5c展示了摩擦部件8端面位移仿真图。

同样地，对图3a中V4区域输入驱动电压Vsinωt，V1、V3区域输入驱动电压V sin(ωt-π/2)，V2区域输入驱动Vsin(ωt+π)，对侧全电极层接地。可产生如图3b所示的沿对角线II-Ⅳ方向弯曲振动模态及中间部分拱起振动模态，二者在摩擦部件端部可以耦合成一个沿对角线II-Ⅳ方向逆时针的椭圆运动模态。图5d展示了摩擦部件端面位移仿真图。

动子和压电定子之间通过图7所示的夹持结构保证装配位置关系及驱动力的有效传递。图8为压电马达驱动装置的结构拆分示意图，装配整体包括底座1、定子夹持结构2、双自由度交叉滚珠滑块组3、预紧梁4、预紧螺钉5以及压电定子6。

由图7可见本发明所述压电驱动装置的整体装配关系，底座1固定放置，底座1上设置有M6的螺纹孔，为保证压电驱动装置工作状态下的稳定运动环境，可以将底座1通过M6螺纹固定在减震台上，以提高整体装置工作的稳定性。

底座1上设置有两组垂直凸起的连接台，在连接台顶部均设置有螺纹孔，定子夹持结构2和预紧梁4可通过螺钉紧固的方式相互正交的与底座1的连接台相连接；压电定子6通过粘接或机械卡紧的方式与定子夹持结构2相互连接，连接效果如图9所示。

具体地，定子夹持结构2提供压电定子与动子接触时的弹性预紧力，定子夹持结构依靠自身中部的变形以提供弹性力。定子夹持结构2采用树脂等具有良好弹性变形能力的材料制作。预紧梁4垂直布置于定子夹持结构2上方用于固定预紧螺钉5，预紧梁4采用刚性材料制成。

预紧螺钉5由预紧梁4中部的螺纹孔旋入，预紧螺钉5端部与定子夹持结构2上表面接触，可通过调整其旋入长度以调节定子夹持结构2的变形量，进而调节压电定子6与动子接触的预紧力。

双自由度交叉滚珠滑块组3通过螺钉固定在底座1上，位于压电定子6的正下方。双自由度交叉滚珠滑块组3，由垂直叠放的两个可实现直线运动的滚珠直线导轨组成。双自由度交叉滚珠滑块组3可完成相互正交两个方向的直线运动。

可以在双自由度交叉滚珠滑块组3表面粘接与摩擦部件7同样材质的耐磨材料，以提高压电驱动装置整体的工作稳定性和寿命。底座1底部可以通过压电定子6驱动方向的要求设置螺纹孔，以调节双自由度交叉滚珠滑块组3的运动方向来适应压电定子6的驱动方向。

Claims (10)

1.一种压电定子，其特征在于，包括压电元件(8)和摩擦部件(7)，压电元件的形状为沿中心符合4mm对称的图形，压电元件第一面的电极层区域分为4N等分，分区电极沿着压电元件的中心线划分；压电元件(8)沿厚度方向的上下两个面均设置有电极层，压电元件第二面采用全电极形式，压电元件(7)的极化方向沿厚度方向，四个电极区域对应部分的极化方向相同。

2.根据权利要求1所述的压电定子，其特征在于，压电元件第一面中心设置有单独区域，所述单独区域为圆形或正方形。

3.根据权利要求1所述的压电定子，其特征在于，压电元件(8)和摩擦部件(7)粘接，摩擦部件(7)设置有多个。

4.根据权利要求1所述的压电定子，其特征在于，摩擦部件材质为氧化铝、氧化硅、氧化锆或碳纤维，压电元件(7)采用压电陶瓷、压电单晶或织构陶瓷，电极采用金、银、铜或铜合金。

5.权利要求1～4任一项所述的压电定子的作动方法，其特征在于，向四个区域电极施加预设电压，激发压电元件(8)的长宽两个方向的弯曲和厚度方向的伸缩模态或拱起模态相耦合；电压加载驱动方式有驻波驱动和行波驱动两种模式，压电元件(8)将运动传递给与之相连接的摩擦部件(7)，摩擦部件(7)端面运动。

6.根据权利要求5所述的压电定子的作动方法，其特征在于，在驻波模式下，将相邻两个电极区域接入同一组交流信号，另外两个电极及全电极一侧接地，压电元件(8)受激发产生驱动摩擦部件(7)在垂直于第一面的平面内实现斜向的切向运动。

7.根据权利要求5所述的压电定子的作动方法，其特征在于，在行波模式下，其中一个电极区域接入第一组交流信号，相邻两个电极区域接入第二组交流信号，最后一个电极区域接入第三组交流信号，三组所接入的交流信号频率相同，电压幅值相同，第一组和第二组设置π/(2)或-π/(2)的相位差，第一组和第三组相位差为π，第二面全电极层接地；压电元件(8)受激发产生能驱动动子逆时针或顺时针运动的椭圆轨迹。

8.一种压电马达驱动装置，其特征在于，包括底座(1)、定子夹持结构(2)、双自由度交叉滚珠滑块组(3)、预紧梁(4)、预紧螺钉(5)以及压电定子(6)；底座(1)上设置有连接台，定子夹持结构(2)和预紧梁(4)均与连接台紧固连接，预紧梁(4)设置在定子夹持结构(2)远离底座(1)的一面，预紧梁(4)上设置预紧螺钉(5)；定子夹持结构(2)为挠性梁，预紧梁(4)为刚形梁；压电定子(6)与定子夹持结构(2)朝向底座(1)的一面连接，双自由度交叉滚珠滑块组(3)设置在压电定子(6)与底座(1)之间，双自由度交叉滚珠滑块组(3)与底座(1)连接。

9.根据权利要求8所述的压电马达驱动装置，其特征在于，底座(1)连接减震台；双自由度交叉滚珠滑块组(3)表面粘接耐磨材料层。

10.根据权利要求8所述的压电马达驱动装置，其特征在于，双自由度交叉滚珠滑块组(3)包括两个能直线运动的滚珠直线导轨，所述两个滚珠直线导轨垂直。