一種微型二自由度平面運動超聲電機的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種微型二自由度平面運動超聲電機，該電機包括依次連接的彈性預壓力裝置、壓電陶瓷定子、滑動塊，壓電陶瓷定子為多層結構的壓電陶瓷棒，其頂端粘接有一摩擦頭，摩擦頭上設置有滑動塊；彈性預壓力裝置設置在壓電陶瓷定子底部，提供預壓力實現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生縱向Z方向第一階縱向伸縮振動模態L1，橫向X方向第2階彎曲振動模態B2X和橫向Y方向第4階彎曲振動模態B4Y；被激發復合模態使端部摩擦頭在XZ平面內做微幅高頻橢圓運動，或在YZ平面內做“8”字型微幅高頻運動，從而驅動與摩擦頭接觸的滑動塊沿X或Y方向運動，或一個XY面內的任意方向平移運動。
【專利說明】
一種微型二自由度平面運動超聲電機
技術領域
[0001] 本實用新型為一種二自由度壓電超聲電機，屬于精密驅動領域。
【背景技術】
[0002] 在微機電領域，精細制造等產業對精密驅動提出了更高的要求。而傳統的電磁電 機受制于其工作原理，轉矩/質量比值不夠大，體積縮小時能量效率明顯下降，且無法斷電 自鎖。因此在精密驅動領域應用逆壓電效應和摩擦原理工作的超聲電機顯示了巨大的優 勢。
[0003]超聲電機與傳統電機相比，具有以下特點：結構簡單、緊湊、轉矩/質量比值大(是 傳統電機的3~10倍）；低速大轉矩，無需齒輪減速機構，可實現直接驅動；響應快(毫秒級）； 斷電自鎖;在閉環條件下速度和位置控制性好，分辨率高;不產生磁場，不受外界磁場干擾； 容易做成直線型超聲電機;形狀可以多樣化（圓的、方的、空心的、桿狀的），等等。由于其優 異的性能，超聲電機在很多場合都可以取代電磁電機，擁有廣闊的應用前景。在精密平臺的 驅動方面，利用超聲電機低速大轉矩，斷電自鎖等特點取代電磁電機則無需多余齒輪減速 機構，可大大簡化平臺結構，降低成本，提高精度。
[0004] 隨著機電科技的進步，傳統的單自由度的驅動結構已經無法滿足高精度定位平臺 系統及精密控制要求。如Nanomotion公司發展的直線壓電電機(US Patent 5877579)具有 微-納米的分辨率能力，但只能驅動平臺沿一個方向作直線運動，因此若要控制平臺在2個 方向(X方向和Y方向）的運動就需要安裝2個電機，這不僅增加了控制系統的體積和成本，還 降低了平臺的定位精度。多自由度超聲電機具有直接驅動平臺做二維精密運動的功能，因 而顯示了明顯的優勢。北京大學董蜀湘等人提出一種單定子結構的X-Y二自由度超聲電機 (中國實用新型專利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)復合模態實現X(或Y)方向的驅動。B2X模態與B2Y模態是互為正交的同形模態， 具有接近的共振頻率，由于電機制備過程中可能存在結構的不對稱，當驅動滑動塊沿一個 方向（譬如X方向）運動時可能同時激發出B2Y模態而產生滑動塊沿Y方向的運動，致使電機難 以控制。本實用新型提出的二自由度超聲電機的主要優勢在于激發L 1-B2x復合模態可實現X 方向的驅動，激發L1-B4Y復合模態可實現Y方向的驅動，B2X和B4Y模態具有不同的共振頻率， 故不會相互耦合，電機更容易控制。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型的目的在于克服上述問題，提出了一種結構簡單緊湊的小型二自由度 超聲電機以及提出了其驅動方法，實現了采用一個電機即可驅動平臺的平面運動。
[0006] 本實用新型提供的微型二自由度平面運動超聲電機，包括壓電陶瓷定子、滑動塊、 一個彈性預壓力裝置，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 沿軸向Z方向的第一階長度伸縮模態L 1和沿X方向的第二階彎曲振動模態B2X，以及沿Y方向 的第四階彎曲振動模態B4Y;以上所述的三種振動模態的共振頻率具有以下關系:Li模態與 B2X模態具有相等的共振頻率，B4Y模態共振頻率是Li模態共振頻率的兩倍。
[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，并且根據電機控制模態的需要壓電陶瓷棒側表 面刷有金屬電極，壓電陶瓷薄片表面電極與壓電陶瓷棒側面電極導通。
[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燒結處理為一體或者通過粘接成一整體。
[0010] 本實用新型采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
[0011] 本實用新型提供的一種二自由度壓電超聲電機及其驅動方法，壓電陶瓷定子的縱 向第一階伸縮振動模態橫向X方向的第2階彎曲振動模態|_、橫向Y方向的第4階彎曲振 動1?態Α?'的共振頻率具有以下關系：胃。壓電陶fe定子冋時激發出 態和B 2s模態時，在定子端部的摩擦頭上能產生XZ面內的橢圓運動，驅動與摩擦頭接觸的滑 動塊沿X方向運動;壓電陶瓷定子同時激發I模態和Pfe模態時，在定子端部的摩擦頭上能 產生YZ平面內的"8"字型運動，驅動與摩擦頭接觸的滑動塊沿Y方向運動，同時激發出這三 個模態即可實現滑動塊在XY平面內任意方向的平移運動。
【附圖說明】
[0012] 以下將結合附圖對本實用新型作進一步說明：
[0013] 圖1為本實用新型提供的二自由度平面運動超聲電機結構示意圖；
[0014] 圖2為電機定子的結構示意圖；
[0015] 圖3、圖4為電機定子夾持方式示意圖；
[0016] 圖5為壓電陶瓷定子的結構示意圖；
[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示意圖；
[0023]其中，1-超聲電機、2-定子、3-滑動塊、4-彈性預壓力裝置、5-電機外殼底部；
[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、右四個側面。
【具體實施方式】
[0027] 本實用新型提供一種二自由度壓電超聲電機，為使本實用新型的目的、技術方案 及效果更加清楚明確，以及參照附圖并舉實例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此 處所描述的具體實施僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0028] 由圖1可見:所示的二自由度平面運動超聲電機1，包括定子2、滑動塊3、一個彈性 預壓力裝置4。其中定子2結構如圖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。通過彈性預壓力裝置4實現摩擦頭22和滑動塊3的摩擦接觸，其中彈性 預壓力裝置4中的彈簧處于壓縮狀態。彈性預壓力裝置4中的彈簧一端作用于多層壓電陶瓷 柱21，另一端作用于電機外殼底部5。滑動塊3安裝在一個X-Y運動平臺上，作平面內平移運 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莫態的彎 曲振動節點，y方向的兩個夾持位置24a，24b為847?態的彎曲振動節點;夾持方式為彈性夾 持，只限制定子X，y方向的運動而不限制其z方向運動。
[0030] 圖5為多層壓電陶瓷柱21的結構示意圖。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 通過高溫燒結熱處理成為一個整體，或者利用環氧樹脂粘接成一個整體。本實施例中，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的側面電極引出。多層壓電陶瓷 柱21的四個側面電極形狀如圖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)的不同側面上。電機制備過程中壓電陶 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1的驅動方式如下：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Z方向第一階縱向伸縮振動模態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X方向第二階彎曲振動模態B2X，如圖17所 示;二者同時施加即可合成定子2在XZ面內的順時針方向或逆時針方向的橢圓運動，驅動滑 動塊3沿X正方向或負方向運動。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Y 方向第四階彎曲振動模態B4Y，如圖18所示，可以合成定子2在YZ面內的"8"字形運動，驅動滑 動塊3在Y方向運動。上述激勵同時施加可實現滑動塊3在XY平面內任意方向的運動。義、心、 Vy的大小獨立調節，可以控制定子2在Z、X、Y方向的振幅，從而調節運動速度和驅動力。
[0033]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新 型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術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用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因 此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理 和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1. 一種微型二自由度平面運動超聲電機，包括壓電陶瓷定子、滑動塊、一個彈性預壓力 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沿軸 向Z方向的第一階長度伸縮模態L 1和沿X方向的第二階彎曲振動模態Β2χ，以及沿Y方向的第 四階彎曲振動模態Β4Υ;以上所述的三種振動模態的共振頻率具有以下關系:Li模態與Β2Χ模 態具有相等的共振頻率，Β4Υ模態共振頻率是1^模態共振頻率的兩倍。2. 根據權利要求1所述的一種微型二自由度平面運動超聲電機，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，并且根據電機控制模態的需要壓電陶瓷棒側表面刷有金屬電極， 壓電陶瓷薄片表面電極與壓電陶瓷棒側面電極導通。3. 根據權利要求2所述的一種微型二自由度平面運動超聲電機，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. 根據權利要求2或3所述的一種微型二自由度平面運動超聲電機，其特征在于:所述 壓電陶瓷薄片通過高溫燒結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
【發明人】郭明森, 陳加林, 趙淳生
【申請人】南京航空航天大學