CN1819433A - 压电振子阵列及采用此阵列的平面三自由度的微动平台 - Google Patents

Abstract

压电振子阵列及采用此阵列的平面三自由度的微动平台，它属于超声振动应用领域，它解决了微动平台能在同一平面内同时实现精确的直线运动和旋转运动的问题。本发明的压电振子阵列由同一平面内的东、南、西、北四个方位的振子群构成，上述四个振子群分别由至少一个正向条状振子(B1)和至少一个反向条状振子(B2)构成，所述正向条状振子(B1)上的相邻两组拨齿组(3)分别设置在此条形振动体(2)振动波长的八分之一和八分之五处，所述反向条状振子(B2)上的相邻两组拨齿组(3)分别设置在此条形振动体(2)振动波长的八分之三和八分之七处。采用此阵列的微动平台可以在同一平面内实现三个自由度的运动，且提高了微动台的响应速度和运动精度。

Description

压电振子阵列及采用此阵列的平面三自由度的微动平台

技术领域

本发明属于超声振动应用领域，具体涉及一种压电振子阵列及采用此阵列的平面三自由度的微动平台。

背景技术

现今精确定位的微动台的驱动方式有多种多样，但是基本上可以概括为螺旋传动驱动式和直接驱动式。螺旋传动驱动中又由于所应用动力的不同分为手动、电磁马达驱动及其他。由于螺旋传动本身的缺陷，这些模式都普遍存在传动精度低、响应速度慢、结构复杂等缺点。在超声马达出现之后，由于其具有响应速度快、体积小、无电磁干扰等优点，被普遍应用到了微动机构中。目前压电陶瓷电机的应用主要分为直线式超声马达和旋转式超声马达，两者分别可以实现精确的直线式运动和旋转运动。在微动机构中旋转式超声马达一般仍然采用螺旋传动。这使得微动系统在响应时间上有一定损失，精度不高，且效率较低。目前的很多应用领域都要求微动台能够同时实现精确的直线运动和旋转运动。对于这一要求现已存在的超声马达应用方式还不能很好的满足。在微动台结构上，目前的微动台大多只能实现平面的直线运动而且结构复杂。

发明内容

为了使微动平台能在同一平面内同时实现精确的直线运动和旋转运动，本发明提供了一种压电振子阵列及采用此阵列的平面三自由度的微动平台。

本发明的压电振子阵列由同一平面内的东、南、西、北四个方位的振子群构成，东、南、西、北四个振子群分别由至少一个正向条状振子B1和至少一个反向条状振子B2构成，构成南、北向振子群的各个条状振子横向放置并排成一列，构成东、西向振子群的各个条状振子纵向放置并排成一行。所述正向条状振子B1和反向条状振子B2都由一个条形振动体2、至少两个压电陶瓷片1和至少两组拨齿组3组成；在每个条状振子中，多个压电陶瓷片1依次相邻排列并贴于条形振动体2的下表面，并且所述压电陶瓷片1与条形振动体2同宽，所述压电陶瓷片1的长度等于条形振动体2的固有频率所确定波长的二分之一；所述正向条状振子B1中条形振动体2上表面的相邻两组拨齿组3分别设置在此条形振动体2振动波长的八分之一和八分之五处，所述反向条状振子B2中条形振动体2的上表面相邻两组拨齿组3分别设置在此条形振动体2振动波长的八分之三和八分之七处；每一组拨齿组3含有至少一个拨齿，并且在每个条状振子的每一组拨齿组3中，多个拨齿沿条形振动体2的宽度方向排成一列。在正向条状振子B1或反向条状振子B2中，各个条状振子下表面的压电陶瓷片1的个数为二或二的整数倍，各个条状振子上表面的拨齿组3的组数与压电陶瓷片1的个数相等。所述拨齿高度为3.5～4.5毫米。对于每个条状振子采用驻波驱动，即条形振动体2采用导电的弹性材料，将条形振动体2接地，然后对正向条状振子B1和反向条状振子B2下表面的相邻两个压电陶瓷片1上施加相位相差180°的正弦电压。

采用上述压电振子阵列的平面三自由度的微动平台由支架13、固定架、滚动架、支撑体6、载料台7、受力板8、摩擦材料层9、压电振子阵列10、底面支撑台11和预压力装置12组成，固定架上相对的两个侧壁分别与支架13固定连接，并且所述两个侧壁与滚动架上相对的两个侧壁之间设有导轨，滚动架上另两个侧壁的内侧与支撑体6上相对的两个侧壁之间设有导轨，所述导轨设置在同一平面内。所述载料台7分为上部圆盘和下部转动轴两部分，所述载料台7的上部圆盘嵌入所述支撑体6的上端面内，所述支撑体6的中心开有一个圆形通孔，所述载料台7的下部转动轴的下端通过支撑体6的圆形通孔与所述受力板8的上表面固定连接，所述受力板8的下表面涂附有摩擦材料层9，所述摩擦材料层9的下表面与压电振子阵列10的各个拨齿的上表面相接触，压电振子阵列10的压电陶瓷片一侧与所述底面支撑台11的上表面相接触，所述预压力装置12是能给所述底面支撑台11的下表面施加预压力的机构。所述导轨可以采用双v型滚珠导轨，如图3所示。所述微动平台的支撑体6和载料台7之间可以应用轴承或者其他零件、结构实现无间隙、自由旋转配合，所述载料台7的上部圆盘可以与支撑体6无间隙同步水平运动、也可以相对其作自由旋转。

工作原理：单个压电陶瓷片上下表面加正弦变化的电压信号之后，由于压电陶瓷的压电效应，带动振子以驻波形式上下振动，此时振动波形即相当于正弦波的半个波长的波形，所以在单个条状振子上相邻两个压电陶瓷片上施加相位差为180°的正弦电压时，就可以在振子上产生一个完整的正弦驻波。由于驻波中各个质点在振动的整个过程中垂直方向的运动，并且振子在不同位置质点的振幅是不同的，所以条形振动体的上表面设置的一定高度和宽度的拨齿的轴线在运动过程中会伴随有倾斜角度的变化，而这一倾角的变化与竖直方向的振动相结合就获得了水平方向的速度分量，于是本发明通过拨齿与摩擦材料层的摩擦运动将水平方向的速度分量传递给载料台。拨齿位于驻波波长的八分之一、八分之三、八分之五以及八分之七处时其轴线在振动过程中的倾角变化尤其明显，因此将拨齿设置在这个位置可以增大摩擦力。如图8和图9所示，通过驻波波形可以看出，当拨齿位于驻波波长的八分之一和八分之五处时，正向条状振子B1提供沿-X方向的摩擦力，而拨齿位于驻波波长的八分之三和八分之七处时，反向条状振子B2提供沿+X方向的摩擦力。综上可知，图1中，当压电振子阵列中位于南、北两个方位的正向条状振子B1同时工作时，微动平台中载料台7向西做横向直线运动；当压电振子阵列中位于南、北两个方位的反向条状振子B2同时工作时，微动平台中载料台7向东做横向的直线运动；当压电振子阵列中位于东、西两个方位的正向条状振子B1同时工作时，微动平台中载料台7向北做纵向的直线运动；当压电振子阵列中位于东、西两个方位的反向条状振子B2同时工作时，微动平台中载料台7向南做纵向的直线运动；当压电振子阵列中位于北和东两个方位的反向条状振子B2、位于西和南两个方位的正向条状振子B1同时工作时，微动平台中载料台7作顺时针的旋转运动；当压电振子阵列中位于北和东两个方位的正向条状振子B1、位于西和南两个方位的反向条状振子B2同时工作时，微动平台中载料台7作逆时针的旋转运动。

发明效果：1)本发明提供了一种全新的驱动模式-压电陶瓷阵列驱动以及与此驱动模式相适应的新型结构微动台，它在同一平面内实现了精确的横向、纵向和旋转三自由度的运动。2)本发明提供的阵列式压电陶瓷驱动模式综合了直线式超声马达和旋转式超声马达的优点，可以同时实现平面内三自由度运动的动力提供，而且由于是直接驱动微动台，使得平台响应速度进一步提高，运动更加精确。3)本发明提供的微动台结构简单，易操作。4)本发明使得压电陶瓷优良特性有了全新方式的应用，在航空航天、医疗器械、智能机器人、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的压电振子阵列10下表面的压电陶瓷片1的排列示意图；图2是本发明压电振子阵列10中单个条状振子的结构示意图；图3是图2的A向视图；图4是本发明微动平台的结构示意图；图5是本发明微动平台的俯视图；图6是本发明中底面支撑台11的结构示意图；图7是底面支撑台11与阵列式压电振子10的装配示意图；图8是正向条状振子B1的结构及其工作原理的示意图；图9是反向条状振子B2的结构及其工作原理的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1至图3、图8和图9，本具体实施方式的压电振子阵列由同一平面内的东、南、西、北四个方位的振子群构成，东、南、西、北四个振子群分别由一个正向条状振子B1和一个反向条状振子B2构成，构成南、北向振子群的各个条状振子横向放置并排成一列，构成东、西向振子群的各个条状振子纵向放置并排成一行。所述正向条状振子B1和反向条状振子B2都由一个条形振动体2、四个压电陶瓷片1和四组拨齿组3组成；在每个条状振子中，四个压电陶瓷片1依次相邻排列并贴于条形振动体2的下表面，并且所述压电陶瓷片1与条形振动体2同宽，所述压电陶瓷片1的长度等于条形振动体2的固有频率所确定波长的二分之一；所述正向条状振子B1中条形振动体2上表面的相邻两组拨齿组3分别设置在此条形振动体2振动波长的八分之一和八分之五处，所述反向条状振子B2中条形振动体2的上表面相邻两组拨齿组3分别设置在此条形振动体2振动波长的八分之三和八分之七处；如图3所示，每一组拨齿组3含有三个拨齿，并且在每个条状振子的每一组拨齿组3中，三个拨齿沿条形振动体2的宽度方向排成一列。所述拨齿的高度为3.5～4.5毫米。当对正向条状振子B1和反向条状振子B2下表面的相邻两个压电陶瓷片1上施加相位相差180°的正弦电压时，各个条状振子提供图1中实线箭头所示方向的力。

具体实施方式二：参见图1至图3、图8和图9，采用具体实施方式一所述的压电振子阵列的平面三自由度的微动平台由支架13、固定架、滚动架、支撑体6、载料台7、受力板8、摩擦材料层9、压电振子阵列10、底面支撑台11和预压力装置12组成，固定架上相对的两个侧壁分别与支架13固定连接，并且所述两个侧壁与滚动架上相对的两个侧壁之间设有导轨，滚动架上另两个侧壁的内侧与支撑体6上相对的两个侧壁之间设有导轨，所述导轨设置在同一平面内。所述载料台7分为上部圆盘和下部转动轴两部分，所述载料台7的上部圆盘嵌入所述支撑体6的上端面内，所述支撑体6的中心开有一个圆形通孔，所述载料台7的下部转动轴的下端通过支撑体6的圆形通孔与所述受力板8的上表面固定连接，所述受力板8的下表面涂附有摩擦材料层9，所述摩擦材料层9的下表面与压电振子阵列10的各个拨齿的上表面相接触，压电振子阵列10的压电陶瓷片一侧与所述底面支撑台11的上表面相接触，所述预压力装置12是能给所述底面支撑台11的下表面施加预压力的机构。所述导轨可以采用双v型滚珠导轨，如图3所示。所述微动平台的支撑体6和载料台7之间可以应用轴承或者其他零件、结构实现无间隙、自由旋转配合，所述载料台7的上部圆盘可以与支撑体6无间隙同步水平运动、也可以相对其作自由旋转。上述压电振子阵列10中的每个条状振子采用驻波驱动方式，即条形振动体2采用导电的弹性材料，从条形振动体2的上表面引出一根导线并将其接地，然后从每个压电陶瓷片1的下表面各引出一根导线，最后使每个条状振子下表面的相邻两个压电陶瓷片1上通以相位相差180°的正弦电压。

具体实施方式三：参见图4至图7，本具体实施方式与具体实施方式二的不同点在于：所述底面支撑台11为一个十字形板，所述十字形板的四个外伸端的上表面开有长槽11-2，所述长槽11-2的深度为1.5～2.5毫米，所述十字形板中心部分的上表面开有一个矩形槽11-1，所述十字形板的中心部分的下表面有一凸出的轴11-3。所述十字形板的四个外伸端的上表面槽沿分别支撑着所述压电振子阵列10的东、南、西、北四个振子群，如图7所示，所述十字形板的四个外伸端的上表面槽沿与正向条状振子B1或反向条状振子B2的陶瓷片一侧相接触，并且所述十字形板的上表面两个槽沿分别插入到各个条状振子下表面的相邻两个陶瓷片1之间的间隙中。上述长槽11-2的宽度由列式压电振子10的分区决定。其他组成和连接关系与具体实施方式二相同。将底面支撑台制作成带槽的十字形板，方便了给压电陶瓷片1通电，并且给压电陶瓷片1产生驻波提供了一定的空间。

具体实施方式四：参见图4至图7，本具体实施方式与具体实施方式三的不同点在于：所述预压力装置12由中心带有螺纹通孔的底板12-1和调节螺钉12-2组成，所述底板12-1与所述支架13通过紧固件固定连接，所述调节螺钉12-2与所述底板12-1的中心螺纹通孔螺纹连接，并且所述调节螺钉12-2的中心开有一个盲孔，所述十字形板下表面的轴11-3插入到此盲孔内，在轴11-3的下端面与盲孔底部之间设有一弹簧12-3。轴11-3插入调节螺钉12-2的盲孔中与其间隙配合，并压缩弹簧12-3，这样在旋转调节螺钉12-2的时候，弹簧12-3施加在轴11-3的压力就会加大，从而加大预压力。其他组成和连接关系与具体实施方式三相同。当旋转调节螺钉使其向上运动时就会增大预压力装置12对底面支撑台11的压力，继而增大振子拨齿与摩擦材料层之间的压力。

具体实施方式五：参见图4和图5，本具体实施方式与具体实施方式二的不同点在于：支架13分为左侧和右侧支架两部分，左侧和右侧支架均为折成直角的平板，左侧和右侧支架的一个直角边垂直放置。其他组成和连接关系与具体实施方式二相同。维持支架的垂直度有利于保证微动平台的水平度。

具体实施方式六：参见图4和图5，本具体实施方式与具体实施方式五的不同点在于：所述固定架由第一半闭矩形架4-1和纵向导轨条4-2两部分组成，所述第一半闭矩形架4-1只有三边且水平放置，所述第一半闭矩形架4-1上与开口侧相对的一边与左侧支架的垂直直角边固定连接并且此边上设有V形导轨；纵向导轨条4-2的两端分别固定在第一半闭矩形架4-1开口侧的两边上，纵向导轨条4-2的内侧壁面向第一半闭矩形架4-1上的V形导轨且此内侧壁上发有V形导轨，纵向导轨条4-2的外侧壁与右侧支架的垂直直角边固定连接。其他组成和连接关系与具体实施方式五相同。当纵向导轨条4-2的外侧壁与右侧支架的垂直直角边通过调节螺钉连接时，通过调节螺钉可以调节两个V形纵向导轨之间的距离，使得载料台7可以与支撑体6无间隙同步水平运动。

具体实施方式七：参见图4和图5，本具体实施方式与具体实施方式六的不同点在于：所述滚动架由第二半闭矩形架5-1和横向导轨条5-2两部分组成，所述第二半闭矩形架5-1也只有三边且水平放置，所述第二半闭矩形架5-1上与开口侧相对的一边的内壁设有V形导轨，所述第二半闭矩形架5-1的另两边的外壁设有V形导轨且此外壁的V形导轨分别通过滚动体14与第一半闭矩形架4-1和纵向导轨条4-2的V形导轨滑动连接；所述横向导轨条5-2的两端分别固定在所述第二半闭矩形架5-1开口侧的两边上，横向导轨条5-2的内侧壁面向第二半闭矩形架5的V形导轨且此内侧壁上设有V形导轨；所述支撑体6是横截面为矩形的四棱柱，在支撑体6相对的两个侧表面上分别设有V形导轨，所述支撑体6的V形导轨分别通过滚动体14与第二半闭矩形架5-1和横向导轨条5-2的V形导轨滑动连接。其他组成和连接关系与具体实施方式六相同。滚动架不仅作为纵向导轨的滚动部分，还作为横向导轨的固定部分，于是水平的横向和纵向运动集中到了一个水平面内。滚动架也由两部分组成，方便安装与拆卸，便于调节横向导轨之间的距离，使得载料台7可以与支撑体6无间隙同步水平运动。

Claims (10)

1、压电振子阵列，其特征在于所述压电振子阵列由同一平面内的东、南、西、北四个方位的振子群构成，东、南、西、北四个振子群分别由至少一个正向条状振子(B1)和至少一个反向条状振子(B2)构成，构成南、北向振子群的各个条状振子横向放置并排成一列，构成东、西向振子群的各个条状振子纵向放置并排成一行；所述正向条状振子(B1)和反向条状振子(B2)都由一个条形振动体(2)、至少两个压电陶瓷片(1)和至少两组拨齿组(3)组成；在每个条状振于中，多个压电陶瓷片(1)依次相邻排列并贴于条形振动体(2)的下表面，并且所述压电陶瓷片(1)与条形振动体(2)同宽，所述压电陶瓷片(1)的长度等于条形振动体(2)的固有频率所确定波长的二分之一；所述正向条状振子(B1)中条形振动体(2)上表面的相邻两组拨齿组(3)分别设置在此条形振动体(2)振动波长的八分之一和八分之五处，所述反向条状振子(B2)中条形振动体(2)的上表面相邻两组拨齿组(3)分别设置在此条形振动体(2)振动波长的八分之三和八分之七处；每一组拨齿组(3)含有至少一个拨齿，并且在每个条状振子的每一组拨齿组(3)中，多个拨齿沿条形振动体(2)的宽度方向排成一列。

2、根据权利要求1所述的压电振子阵列，其特征在于在正向条状振子(B1)或反向条状振子(B2)中，各个条状振子下表面的压电陶瓷片(1)的个数为二或二的整数倍，各个条状振子上表面的拨齿组(3)的组数与压电陶瓷片(1)的个数相等。

3、根据权利要求1所述的压电振子阵列，其特征在于所述拨齿高度为3.5～4.5毫米。

4、采用权利要求1所述的压电振子阵列的平面三自由度的微动平台，其特征在于所述微动平台由支架(13)、固定架、滚动架、支撑体(6)、载料台(7)、受力板(8)、摩擦材料层(9)、压电振子阵列(10)、底面支撑台(11)和预压力装置(12)组成，固定架上相对的两个侧壁分别与支架(13)固定连接，并且所述两个侧壁与滚动架上相对的两个侧壁之间设有导轨，滚动架上另两个侧壁的内侧与支撑体(6)上相对的两个侧壁之间设有导轨，所述导轨设置在同一平面内；所述载料台(7)分为上部圆盘和下部转动轴两部分，所述载料台(7)的上部圆盘嵌入所述支撑体(6)的上端面内，所述支撑体(6)的中心开有一个圆形通孔，所述载料台(7)的下部转动轴的下端通过支撑体(6)的圆形通孔与所述受力板(8)的上表面固定连接，所述受力板(8)的下表面涂附有摩擦材料层(9)，所述摩擦材料层(9)的下表面与压电振子阵列(10)的各个拨齿的上表面相接触，压电振子阵列(10)的压电陶瓷片一侧与所述底面支撑台(11)的上表面相接触，所述预压力装置(12)是能给所述底面支撑台(11)的下表面施加预压力的机构。

5、根据权利要求4所述的采用权利要求1所述的压电振子阵列的平面三自由度的微动平台，其特征在于所述导轨采用双v型滚珠导轨。

6、根据权利要求4所述的采用权利要求1所述的压电振子阵列的平面三自由度的微动平台，其特征在于所述底面支撑台(11)为一个十字形板，所述十字形板的四个外伸端的上表面开有长槽(11-2)，所述十字形板的中心部分的上表面开有一个矩形槽(11-1)，所述十字形板的中心部分的下表面有一凸出的轴(11-3)。

7、根据权利要求6所述的采用权利要求1所述的压电振子阵列的平面三自由度的微动平台，其特征在于所述长槽(11-2)的深度为1.5～2.5毫米。

8、根据权利要求4或5所述的采用权利要求1所述的压电振子阵列的平面三自由度的微动平台，其特征在于支架(13)分为左侧和右侧支架两部分，左侧和右侧支架均为折成直角的平板，左侧和右侧支架的一个直角边垂直放置；所述固定架由第一半闭矩形架(4-1)和纵向导轨条(4-2)两部分组成，所述第一半闭矩形架(4-1)只有三边且水平放置，所述第一半闭矩形架(4-1)上与开口侧相对的一边与左侧支架的垂直直角边固定连接并且此边上设有V形导轨；纵向导轨条(4-2)的两端分别固定在第一半闭矩形架(4-1)开口侧的两边上，纵向导轨条(4-2)的内侧壁面向第一半闭矩形架(4-1)上的V形导轨且此内侧壁上设有V形导轨，纵向导轨条(4-2)的外侧壁与右侧支架的垂直直角边固定连接；所述滚动架由第二半闭矩形架(5-1)和横向导轨条(5-2)两部分组成，所述第二半闭矩形架(5-1)也只有三边且水平放置，所述第二半闭矩形架(5-1)上与开口侧相对的一边的内壁设有V形导轨，所述第二半闭矩形架(5-1)的另两边的外壁设有V形导轨且此外壁的V形导轨分别通过滚动体(14)与第一半闭矩形架(4-1)和纵向导轨条(4-2)的V形导轨滑动连接；所述横向导轨条(5-2)的两端分别固定在所述第二半闭矩形架(5-1)开口侧的两边上，横向导轨条(5-2)的内侧壁面向第二半闭矩形架(5)的V形导轨且此内侧壁上设有V形导轨；所述支撑体(6)是横截面为矩形的四棱柱，在支撑体(6)相对的两个侧表面上分别设有V形导轨，所述支撑体(6)的V形导轨分别通过滚动体(14)与第二半闭矩形架(5-1)和横向导轨条(5-2)的V形导轨滑动连接。

9、根据权利要求6所述的采用权利要求1所述的压电振子阵列的平面三自由度的微动平台，其特征在于所述预压力装置(12)由中心带有螺纹通孔的底板(12-1)和调节螺钉(12-2)组成，所述底板(12-1)与所述支架(13)通过紧固件固定连接，所述调节螺钉(12-2)与所述底板(12-1)的中心螺纹通孔螺纹连接，并且所述调节螺钉(12-2)的中心开有-个盲孔，所述十字形板下表面的轴(11-3)插入到此盲孔内，在轴(11-3)的下端面与盲孔底部之间设有一弹簧(12-3)。

10、根据权利要求6所述的采用权利要求1所述的压电振子阵列的平面三自由度的微动平台，其特征在于所述压电振子阵列(10)中的每个条状振子采用驻波驱动方式。

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