一種微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)，該電機(jī)包括依次連接的彈性預(yù)壓力裝置、壓電陶瓷定子、滑動塊，壓電陶瓷定子為多層結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷棒，其頂端粘接有一摩擦頭，摩擦頭上設(shè)置有滑動塊；彈性預(yù)壓力裝置設(shè)置在壓電陶瓷定子底部，提供預(yù)壓力實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷定子和滑動塊的摩擦接觸；定子在電壓激勵下可以產(chǎn)生縱向Z方向第一階縱向伸縮振動模態(tài)L1，橫向X方向第2階彎曲振動模態(tài)B2X和橫向Y方向第4階彎曲振動模態(tài)B4Y；被激發(fā)復(fù)合模態(tài)使端部摩擦頭在XZ平面內(nèi)做微幅高頻橢圓運(yùn)動，或在YZ平面內(nèi)做“8”字型微幅高頻運(yùn)動，從而驅(qū)動與摩擦頭接觸的滑動塊沿X或Y方向運(yùn)動，或一個XY面內(nèi)的任意方向平移運(yùn)動。
【專利說明】
一種微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型為一種二自由度壓電超聲電機(jī)，屬于精密驅(qū)動領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在微機(jī)電領(lǐng)域，精細(xì)制造等產(chǎn)業(yè)對精密驅(qū)動提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的電磁電 機(jī)受制于其工作原理，轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比值不夠大，體積縮小時能量效率明顯下降，且無法斷電 自鎖。因此在精密驅(qū)動領(lǐng)域應(yīng)用逆壓電效應(yīng)和摩擦原理工作的超聲電機(jī)顯示了巨大的優(yōu) 勢。
[0003]超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比值大(是 傳統(tǒng)電機(jī)的3~10倍）；低速大轉(zhuǎn)矩，無需齒輪減速機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動；響應(yīng)快(毫秒級）； 斷電自鎖;在閉環(huán)條件下速度和位置控制性好，分辨率高;不產(chǎn)生磁場，不受外界磁場干擾； 容易做成直線型超聲電機(jī);形狀可以多樣化（圓的、方的、空心的、桿狀的），等等。由于其優(yōu) 異的性能，超聲電機(jī)在很多場合都可以取代電磁電機(jī)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。在精密平臺的 驅(qū)動方面，利用超聲電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩，斷電自鎖等特點(diǎn)取代電磁電機(jī)則無需多余齒輪減速 機(jī)構(gòu)，可大大簡化平臺結(jié)構(gòu)，降低成本，提高精度。
[0004] 隨著機(jī)電科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的單自由度的驅(qū)動結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足高精度定位平臺 系統(tǒng)及精密控制要求。如Nanomotion公司發(fā)展的直線壓電電機(jī)(US Patent 5877579)具有 微-納米的分辨率能力，但只能驅(qū)動平臺沿一個方向作直線運(yùn)動，因此若要控制平臺在2個 方向(X方向和Y方向）的運(yùn)動就需要安裝2個電機(jī)，這不僅增加了控制系統(tǒng)的體積和成本，還 降低了平臺的定位精度。多自由度超聲電機(jī)具有直接驅(qū)動平臺做二維精密運(yùn)動的功能，因 而顯示了明顯的優(yōu)勢。北京大學(xué)董蜀湘等人提出一種單定子結(jié)構(gòu)的X-Y二自由度超聲電機(jī) (中國實(shí)用新型專利CN101895231B)，其利用壓電陶瓷圓柱或方柱(橫截面為正方形）的L 1-B2X(SL1-B2Y)復(fù)合模態(tài)實(shí)現(xiàn)X(或Y)方向的驅(qū)動。B2X模態(tài)與B2Y模態(tài)是互為正交的同形模態(tài)， 具有接近的共振頻率，由于電機(jī)制備過程中可能存在結(jié)構(gòu)的不對稱，當(dāng)驅(qū)動滑動塊沿一個 方向（譬如X方向）運(yùn)動時可能同時激發(fā)出B2Y模態(tài)而產(chǎn)生滑動塊沿Y方向的運(yùn)動，致使電機(jī)難 以控制。本實(shí)用新型提出的二自由度超聲電機(jī)的主要優(yōu)勢在于激發(fā)L 1-B2x復(fù)合模態(tài)可實(shí)現(xiàn)X 方向的驅(qū)動，激發(fā)L1-B4Y復(fù)合模態(tài)可實(shí)現(xiàn)Y方向的驅(qū)動，B2X和B4Y模態(tài)具有不同的共振頻率， 故不會相互耦合，電機(jī)更容易控制。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于克服上述問題，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊的小型二自由度 超聲電機(jī)以及提出了其驅(qū)動方法，實(shí)現(xiàn)了采用一個電機(jī)即可驅(qū)動平臺的平面運(yùn)動。
[0006] 本實(shí)用新型提供的微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)，包括壓電陶瓷定子、滑動塊、 一個彈性預(yù)壓力裝置，所述壓電陶瓷定子為一多層壓電陶瓷棒，壓電陶瓷棒頂端粘接有一 摩擦頭，在位于底端的彈性預(yù)壓力裝置的作用下與滑動塊摩擦接觸;所述壓電陶瓷棒激發(fā) 沿軸向Z方向的第一階長度伸縮模態(tài)L 1和沿X方向的第二階彎曲振動模態(tài)B2X，以及沿Y方向 的第四階彎曲振動模態(tài)B4Y;以上所述的三種振動模態(tài)的共振頻率具有以下關(guān)系:Li模態(tài)與 B2X模態(tài)具有相等的共振頻率，B4Y模態(tài)共振頻率是Li模態(tài)共振頻率的兩倍。
[0007] 所述壓電陶瓷棒由若干層壓電陶瓷薄片沿陶瓷棒長度方向疊加而成，在每層壓電 陶瓷薄片的上表面和下表面刷有金屬電極，并且根據(jù)電機(jī)控制模態(tài)的需要壓電陶瓷棒側(cè)表 面刷有金屬電極，壓電陶瓷薄片表面電極與壓電陶瓷棒側(cè)面電極導(dǎo)通。
[0008] 壓電陶瓷薄片上下表面電極的形狀由壓電陶瓷片的位置決定，相鄰兩片壓電陶瓷 薄片接觸的兩個表面的電極形狀相同。
[0009] 所述壓電陶瓷薄片通過高溫?zé)Y(jié)處理為一體或者通過粘接成一整體。
[0010] 本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0011] 本實(shí)用新型提供的一種二自由度壓電超聲電機(jī)及其驅(qū)動方法，壓電陶瓷定子的縱 向第一階伸縮振動模態(tài)橫向X方向的第2階彎曲振動模態(tài)|_、橫向Y方向的第4階彎曲振 動1?態(tài)Α?'的共振頻率具有以下關(guān)系：胃。壓電陶fe定子冋時激發(fā)出 態(tài)和B 2s模態(tài)時，在定子端部的摩擦頭上能產(chǎn)生XZ面內(nèi)的橢圓運(yùn)動，驅(qū)動與摩擦頭接觸的滑 動塊沿X方向運(yùn)動;壓電陶瓷定子同時激發(fā)I模態(tài)和Pfe模態(tài)時，在定子端部的摩擦頭上能 產(chǎn)生YZ平面內(nèi)的"8"字型運(yùn)動，驅(qū)動與摩擦頭接觸的滑動塊沿Y方向運(yùn)動，同時激發(fā)出這三 個模態(tài)即可實(shí)現(xiàn)滑動塊在XY平面內(nèi)任意方向的平移運(yùn)動。
【附圖說明】
[0012] 以下將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：
[0013] 圖1為本實(shí)用新型提供的二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3、圖4為電機(jī)定子夾持方式示意圖；
[0016] 圖5為壓電陶瓷定子的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖6、圖7為壓電陶瓷定子上211、215部分的每片陶瓷上下兩表面電極示意圖，陰影 部分為電極；
[0018] 圖8、圖9為壓電陶瓷定子上212、214部分的每片陶瓷上下兩表面電極示意圖，陰影 部分為電極；
[0019] 圖10、圖11為壓電陶瓷定子上213部分的每片陶瓷上下兩表面電極示意圖，陰影部 分為電極；
[0020] 圖12至圖15為壓電陶瓷定子四個側(cè)面的電極示意圖，陰影部分為電極；
[0021] (a)前表面F面，（b)后表面B面，（C)左表面L面，⑷右表面R面；
[0022] 圖16至圖18為壓電陶瓷定子的振動模態(tài)示意圖；
[0023]其中，1-超聲電機(jī)、2-定子、3-滑動塊、4-彈性預(yù)壓力裝置、5-電機(jī)外殼底部；
[0024] 21-多層壓電陶瓷柱、22-摩擦頭、23a、23b_x方向的兩個夾持位置、24a、24b_y方向 的兩個夾持位置；
[0025] 211、212、213、214、215_多層壓電陶瓷柱的五個部分、216-絕緣隔層陶瓷、21a至 21η-電極；
[0026] F、B、L、R四個面分別表示多層壓電陶瓷柱的前、后、左、右四個側(cè)面。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 本實(shí)用新型提供一種二自由度壓電超聲電機(jī)，為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案 及效果更加清楚明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此 處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0028] 由圖1可見:所示的二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)1，包括定子2、滑動塊3、一個彈性 預(yù)壓力裝置4。其中定子2結(jié)構(gòu)如圖2所示，由一個特定尺寸的多層壓電陶瓷柱21和一個摩擦 頭22粘接組裝而成。通過彈性預(yù)壓力裝置4實(shí)現(xiàn)摩擦頭22和滑動塊3的摩擦接觸，其中彈性 預(yù)壓力裝置4中的彈簧處于壓縮狀態(tài)。彈性預(yù)壓力裝置4中的彈簧一端作用于多層壓電陶瓷 柱21，另一端作用于電機(jī)外殼底部5。滑動塊3安裝在一個X-Y運(yùn)動平臺上，作平面內(nèi)平移運(yùn) 動。
[0029] 定子2的夾持方式如圖3、圖4所示，X方向的兩個夾持位置23a，23b為U莫態(tài)的彎 曲振動節(jié)點(diǎn)，y方向的兩個夾持位置24a，24b為847?態(tài)的彎曲振動節(jié)點(diǎn);夾持方式為彈性夾 持，只限制定子X，y方向的運(yùn)動而不限制其z方向運(yùn)動。
[0030] 圖5為多層壓電陶瓷柱21的結(jié)構(gòu)示意圖。多層壓電陶瓷柱21可分為5個部分(211、 212、213、214、215)，5部分壓電陶瓷占總長度的比例分別為19%，10%，38%，10%，19%，每兩部 分之間間隔1%的絕緣隔層陶瓷216。多層壓電陶瓷柱21由大量壓電陶瓷薄片組合而成，可以 通過高溫?zé)Y(jié)熱處理成為一個整體，或者利用環(huán)氧樹脂粘接成一個整體。本實(shí)施例中，多層 壓電陶瓷柱21在X，Y，Z三個方向的尺寸分別設(shè)定為13.4mm，9.5mm，50mm，211~215這5個部分 的厚度分別為9.5mm，5mm，19mm，5mm，9.5mm，每兩部分之間的隔層絕緣陶瓷216厚度0.5_。
[0031] 多層壓電陶瓷柱21由大量壓電陶瓷薄片組成，每片陶瓷兩個表面(A面和B面)都涂 有金屬電極，電極的形狀由壓電陶瓷片的位置決定，相鄰兩片陶瓷片接觸的兩個表面的電 極形狀相同（即A面對A面，B面對B面），具體電極形狀如圖6至圖11所示，其中陰影部分為電 極。圖中每片陶瓷的上下表面電極通過多層壓電陶瓷柱21的側(cè)面電極引出。多層壓電陶瓷 柱21的四個側(cè)面電極形狀如圖12至15所示，陰影部分為電極，（a)，（b)，（c)，（d)分別為前面 F面，后面B面，左面L面和右面R面電極示意圖。21a~21η為側(cè)面電極，這14個電極分別刷在多 層壓電陶瓷柱21的5個部分(211、212、213、214、215)的不同側(cè)面上。電機(jī)制備過程中壓電陶 瓷的極化工藝如下：在電極21a、21d上施加正電壓，電極21e、21f上施加相等幅度的負(fù)電壓， 電極21g、21k接地;在電極21h、21j上施加正電壓，電極211、21n上施加相等幅度的負(fù)電壓， 電極2Ib、21c接地;電極2Π施加正電壓，電極2Im接地。
[0032] 超聲電機(jī)1的驅(qū)動方式如下：在電極2Ii上施加頻率L幅度IE的正弦交流電 Ι?：〇3|_??_|，電極2 Im接地，即可激發(fā)Z方向第一階縱向伸縮振動模態(tài)1^，如圖16所示;在 電極21h、21j、211、21η上施加頻率幅度_相位相差90°的正弦交流電壓 ，電極2Ig、2Ik接地，即可激發(fā)X方向第二階彎曲振動模態(tài)B2X，如圖17所 示;二者同時施加即可合成定子2在XZ面內(nèi)的順時針方向或逆時針方向的橢圓運(yùn)動，驅(qū)動滑 動塊3沿X正方向或負(fù)方向運(yùn)動。在電極21i上施加頻率I ii:幅度_的正弦交流電 %c〇g義婦電極21m接地，激勵第一階縱向伸縮振動模態(tài)L1，同時在電極21a、21d、21e、 21f上施加頻率Sfii幅度Vy的正弦交流電|^_|翻y_||，電極211、21n接地，即可激發(fā)Y 方向第四階彎曲振動模態(tài)B4Y，如圖18所示，可以合成定子2在YZ面內(nèi)的"8"字形運(yùn)動，驅(qū)動滑 動塊3在Y方向運(yùn)動。上述激勵同時施加可實(shí)現(xiàn)滑動塊3在XY平面內(nèi)任意方向的運(yùn)動。義、心、 Vy的大小獨(dú)立調(diào)節(jié)，可以控制定子2在Z、X、Y方向的振幅，從而調(diào)節(jié)運(yùn)動速度和驅(qū)動力。
[0033]對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實(shí)用新 型。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定 義的一般原理可以在不脫離本實(shí)用新型的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因 此，本實(shí)用新型將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理 和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)，包括壓電陶瓷定子、滑動塊、一個彈性預(yù)壓力 裝置，其特征在于:所述壓電陶瓷定子為一多層壓電陶瓷棒，壓電陶瓷棒頂端粘接有一摩擦 頭，在位于底端的彈性預(yù)壓力裝置的作用下與滑動塊摩擦接觸;所述壓電陶瓷棒激發(fā)沿軸 向Z方向的第一階長度伸縮模態(tài)L 1和沿X方向的第二階彎曲振動模態(tài)Β2χ，以及沿Y方向的第 四階彎曲振動模態(tài)Β4Υ;以上所述的三種振動模態(tài)的共振頻率具有以下關(guān)系:Li模態(tài)與Β2Χ模 態(tài)具有相等的共振頻率，Β4Υ模態(tài)共振頻率是1^模態(tài)共振頻率的兩倍。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)，其特征在于:所述壓電 陶瓷棒由若干層壓電陶瓷薄片沿陶瓷棒長度方向疊加而成，在每層壓電陶瓷薄片的上表面 和下表面刷有金屬電極，并且根據(jù)電機(jī)控制模態(tài)的需要壓電陶瓷棒側(cè)表面刷有金屬電極， 壓電陶瓷薄片表面電極與壓電陶瓷棒側(cè)面電極導(dǎo)通。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)，其特征在于:壓電陶瓷 薄片上下表面電極的形狀由壓電陶瓷片的位置決定，相鄰兩片壓電陶瓷薄片接觸的兩個表 面的電極形狀相同。4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)，其特征在于:所述 壓電陶瓷薄片通過高溫?zé)Y(jié)處理為一體或者通過粘接成一整體。
【文檔編號】H02N2/02GK205544998SQ201620161723
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月3日
【發(fā)明人】郭明森, 陳加林, 趙淳生
【申請人】南京航空航天大學(xué)