一种直线压电马达的制作方法

本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体地说，它涉及一种直线压电马达。

背景技术：

压电马达利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为机械能。由于其尺寸小、力矩大、精度高、低速性能好、无电磁干扰等优点在航天、导弹、机器人及精密仪器等领域有着广阔的应用前景。直线压电马达具有直接输出直线运动、断电自锁的特点，目前已应用在精密定位系统、生物注射仪器、手机摄像头、汽车电动遥控反光镜中。

目前，直线压电马达主要分为行波马达、驻波马达、准静态马达等。行波马达利用两个以上的振源合成行波在定子与动子接触面形成椭圆运动以驱动动子运作，但为防止行波的反射，通常的行波马达设计为环形或增添吸波装置导致体积较大，微型化困难。驻波马达主要利用振子单一振动或者振子的弯、纵、扭振动模态复合成椭圆运动以驱动动子运动，其结构种类繁多且较为复杂。准静态马达主要包含惯性冲击式马达、尺蠖马达等，惯性冲击式马达结构简单、易于控制、驱动力较大，分辨率高，但其采用非对称波形激发运动，摩擦表面工作粗暴，存在滑动摩擦，磨损快，相应的效率低，寿命较短。尺蠖马达通过三组压电元件的配合引导动子单向运动，无滑动摩擦，效率高，输出力大（可达上千n），但其结构和控制电路都较为复杂，且工作频率低导致其输出速度较低。综上所述，新型直线电机需要满足体积小，结构简单，效率高，且具有较高的输出力和速度。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于为了解决上述问题，提供了一种新型的直线压电马达。

该直线压电马达包括驱动预紧机构、输出机构和轴承座2；

所述驱动预紧机构包括一对驱动振子，一对驱动振子通过一对直立的燕尾座4对称设于底座7上，且可在底座7上调整位置，定位杆10贯穿连接着一对燕尾座4；一对驱动振子由第一驱动振子61和第二驱动振子62组成，第一驱动振子61上设有第三压电片63，第二驱动振子62上设有第四压电片64；

所述输出机构包括输出杆1，输出杆1的中部沿轴向设有中字形框架；中字形框架的一侧边杆是第一振动片51，第一振动片51上设有第一压电片53，另一侧边杆是第二振动片52，第二振动片52上设有第二压电片54；输出杆1的两侧分别通过直线轴承3和一对轴承座2的配合设于底座7的上方；所述一对轴承座2位于底座7的两侧；

所述一对驱动振子垂直于输出杆1的中部，其中第一驱动振子61对应位于第一压电片53的外侧，第二驱动振子62对应位于第二压电片54的外侧；

设振动片含压电片的一面为内侧，背面为外侧；设驱动振子含压电片的一面为左侧，背面为右侧。

工作时，分别向第一压电片53、第二压电片54、第三压电片63和第四压电片64输入近似合成的方波信号，引发第一振动片51、第二振动片52和一对驱动振子的共振，使第一振动片51、第二振动片52和一对驱动振子均工作在谐振状态下；

第一种工况时，按如下步骤完成一个动作周期：

步骤1：第一压电片53、第二压电片54和第三压电片63、第四压电片64都施加正电平，第一振动片51、第二振动片52向外侧弯曲，一对驱动振子向右侧偏移；

步骤2：第一压电片53、第二压电片54保持正电平，第三压电片63、第四压电片64施加负电平，第一振动片51、第二振动片52保持向外侧弯曲，一对驱动振子向左侧偏移推动输出机构向左运动；

步骤3：第一压电片53、第二压电片54和第三压电片63、第四压电片64都施加负电平，第一振动片51、第二振动片52向内侧弯曲，一对驱动振子保持向左侧偏移；

步骤4：第一压电片53、第二压电片54保持负电平，第三压电片63、第四压电片64施加正电平，第一振动片51、第二振动片52保持向内侧弯曲，一对驱动振子向右侧偏移；

第一种工况实现了输出杆1驱动力矩大，运行速度慢的驱动方式；

第二种工况时，按如下步骤完成一个动作周期：

步骤1：第一压电片53施加负电平、第二压电片54施加正电平，第三压电片63施加负电平、第四压电片64施加正电平，第一振动片51向内侧弯曲、第二振动片52向外侧弯曲，第一驱动振子61向左侧偏移、第二驱动振子62向右侧偏移；

步骤2：第一压电片53保持负电平、第二压电片54保持正电平，第三压电片63施加正电平、第四压电片64施加负电平；第一振动片51保持向内侧弯曲、第二振动片52保持向外侧弯曲，第一驱动振子61向右侧偏移、第二驱动振子62向左侧偏移推动输出机构向左运动；

步骤3：第一压电片53施加正电平、第二压电片54施加负电平，第三压电片63保持正电平、第四压电片64保持负电平；第一振动片51向外侧弯曲、第二振动片52向内侧弯曲，第一驱动振子61保持向右侧偏移、第二驱动振子62保持向左侧偏移；

步骤4：第一压电片53保持正电平、第二压电片54保持负电平，第三压电片63施加负电平、第四压电片64施加正电平；第一振动片51保持向外侧弯曲、第二振动片52保持向内侧弯曲，第一驱动振子61向左侧偏移推动输出机构向左运动、第二驱动振子62向右侧偏移；

第二种工况实现了输出杆1驱动力矩小，运行速度快的驱动方式。

进一步限定技术方案如下：

所述近似合成的方波信号由两个频率比为1:3的正弦信号合成，两个频率中的一个频率为2199.2hz，另一个频率为6766.8hz。

所述输出杆1的两端为光轴，其中一端连接着限位块12，所述限位块12对应位于一侧轴承座2一侧的顶部，起限制输出杆1转动的作用。

所述轴承座2为立方体，顶部呈二级阶梯状，二级阶梯相邻处开设有直立下凹的深槽；所述输出杆1上的限位块12位于相对较低的轴承座2的顶部。

所述输出杆1上中字形框架两侧边杆是对称的条状第一振动片51和第二振动片52；第一振动片51和第二振动片52内侧设有凹槽，第一压电片53粘贴在第一振动片51的凹槽中部，第二压电片54粘贴在第二振动片52的凹槽中部。

所述第一驱动振子61和第二驱动振子62结构相同；第一驱动振子61的一端为等腰三角形，另一端设有第三压电片63和连接板66，第一驱动振子61通过连接板66固定在燕尾座4的上部，燕尾座4的下部为燕尾块42，底座7上开设有燕尾槽71，燕尾座4通过燕尾块42和燕尾槽71的配合设于底座7上；燕尾块42和燕尾槽71之间为间隙配合。

第一驱动振子61的等腰三角形中部设有菱形镂空65。

所述定位杆10的两端为螺杆；定位杆10的两端分别穿过一对燕尾座4的下部，定位杆10两端的螺杆上分别配合设有预紧螺母9，在燕尾座4和预紧螺母9之间的螺杆上套设有弹簧8。

所述第一振动片51、第二振动片52、第一驱动振子61和第二驱动振子62的材料均为65mn钢。

所述第一压电片53、第二压电片54、第三压电片63和第四压电片64的材料均为压电陶瓷材料。（具体型号为pzt-4，其中pzt为锆钛酸铅，pzt-4为在锆钛酸铅的基础上用钙、锶、钡置换部分铅，用锡置换锆而做出的材料。）

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1．本发明利用波形合成原理控制振动片和驱动振子的弯振模态，从而形成两者的协调动作，实现直线运动，且理论上不产生滑动摩擦力，能量损耗少，效率高。

2．本发明工作频率在2000hz以上，输出速度高，且具有两种工作状态，可通过改变第一、第二驱动振子的高低电平配合实现低速大力矩输出和高速小力矩输出。

3．本发明结构简单，体积较小（30cm以下）装配方便。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明输出机构示意图。

图3为本发明驱动振子示意图。

图4为本发明燕尾座示意图。

图5为本发明底座示意图。

图6为本发明轴承座示意图。

图7（a）（b）（c）（d）（e）为本发明的近似方波合成示意图。

图8为本发明工作原理示意图工况一。

图9为本发明工作原理示意图工况二。

上图中序号：输出杆1、限位块12、轴承座2、轴承孔21、工艺槽22、直线轴承3、燕尾座4、立柱41、燕尾块42、第一振动片51、第二振动片52、第一压电片53、第二压电片54、第一驱动振动子61、第二驱动振动子62、第三压电片63、第四压电片64、菱形镂空65、连接板66、底座7、燕尾槽71、弹簧8、预紧螺母9、定位杆10。

具体实施方式：

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例

参见图1，一种直线压电马达包括驱动预紧机构、输出机构和轴承座2。

驱动预紧机构包括一对驱动振子。一对驱动振子通过一对直立的燕尾座4对称安装于底座7上，且可在底座7上调整位置。定位杆10贯穿连接着一对燕尾座4；定位杆10的两端为螺杆，定位杆10的两端分别穿过一对燕尾座4的下部，定位杆10两端的螺杆上分别配合连接着预紧螺母9，在燕尾座4和预紧螺母9之间的螺杆上套装有弹簧8。一对驱动振子由第一驱动振子61和第二驱动振子62组成，参见图3，第一驱动振子61上设有第三压电片63，第二驱动振子62上设有第四压电片64；

参见图2，输出机构包括输出杆1，输出杆1的两端为光轴，其中一端连接着限位块12，输出杆1的中部沿轴向设有中字形框架；中字形框架两侧边杆是对称的条状第一振动片51和第二振动片52；第一振动片51和第二振动片52内侧设有凹槽，第一压电片53粘贴在第一振动片51的凹槽中部，第二压电片54粘贴在第二振动片52的凹槽中部。

参见图1，输出杆1的两侧分别通过直线轴承3和一对轴承座2的配合安装于底座7的上方；一对轴承座2位于底座7的两侧。参见图6，轴承座2为立方体，顶部呈二级阶梯状，二级阶梯相邻处开设有直立下凹的深槽；输出杆1上的限位块12位于相对较低的轴承座2的顶部，起限制输出杆1转动的作用。

参见图1，一对驱动振子垂直于输出杆1的中部，其中第一驱动振子61对应位于第一压电片53的外侧，第二驱动振子62对应位于第二压电片54的外侧。

参见图3，第一驱动振子61和第二驱动振子62结构相同。第一驱动振子61的一端为等腰三角形，等腰三角形中部设有菱形镂空65，另一端设有第三压电片63和连接板66。由图1可见，第一驱动振子61通过连接板66固定在燕尾座4的上部。

参见图4和图5，燕尾座4的下部为燕尾块42，底座7上开设有燕尾槽71，燕尾座4通过燕尾块42和燕尾槽71的配合安装于底座7上，燕尾块42和燕尾槽71之间为间隙配合。

第一振动片51、第二振动片52、第一驱动振子61和第二驱动振子62的材料均为65mn钢。

第一压电片53、第二压电片54、第三压电片63和第四压电片64的材料均为压电陶瓷材料。具体型号为pzt-4，其中pzt为锆钛酸铅，pzt-4为在锆钛酸铅的基础上用钙、锶、钡置换部分铅，用锡置换锆而做出的材料。

本发明的工作原理具体说明如下：

设振动片含压电片的一面为内侧，背面为外侧；设驱动振子含压电片的一面为左侧，背面为右侧。

工作时，向压电片输入近似合成的方波信号，该信号由两个频率比为1:3的正弦信号合成，确切频率为2199.2hz、6766.8hz能够引发驱动振子的共振使驱动振子工作在谐振状态下。

第一种工况时，按如下步骤完成一个动作周期：

步骤1：第一压电片53、第二压电片54和第三压电片63、第四压电片64都施加正电平，第一振动片51、第二振动片52向外侧弯曲，一对驱动振子向右侧偏移；

步骤2：第一压电片53、第二压电片54保持正电平，第三压电片63、第四压电片64施加负电平，第一振动片51、第二振动片52保持向外侧弯曲，一对驱动振子向左侧偏移推动输出机构向左运动；

步骤3：第一压电片53、第二压电片54和第三压电片63、第四压电片64都施加负电平，第一振动片51、第二振动片52向内侧弯曲，一对驱动振子保持向左侧偏移；

步骤4：第一压电片53、第二压电片54保持负电平，第三压电片63、第四压电片64施加正电平，第一振动片51、第二振动片52保持向内侧弯曲，一对驱动振子向右侧偏移；

第一种工况实现了输出杆1驱动力矩大，运行速度慢的驱动方式；

第二种工况时，按如下步骤完成一个动作周期：

步骤1：第一压电片53施加负电平、第二压电片54施加正电平，第三压电片63施加负电平、第四压电片64施加正电平，第一振动片51向内侧弯曲、第二振动片52向外侧弯曲，第一驱动振子61向左侧偏移、第二驱动振子62向右侧偏移；

步骤2：第一压电片53保持负电平、第二压电片54保持正电平，第三压电片63施加正电平、第四压电片64施加负电平；第一振动片51保持向内侧弯曲、第二振动片52保持向外侧弯曲，第一驱动振子61向右侧偏移、第二驱动振子62向左侧偏移推动输出机构向左运动；

步骤3：第一压电片53施加正电平、第二压电片54施加负电平，第三压电片63保持正电平、第四压电片64保持负电平；第一振动片51向外侧弯曲、第二振动片52向内侧弯曲，第一驱动振子61保持向右侧偏移、第二驱动振子62保持向左侧偏移；

步骤4：第一压电片53保持正电平、第二压电片54保持负电平，第三压电片63施加负电平、第四压电片64施加正电平；第一振动片51保持向外侧弯曲、第二振动片52保持向内侧弯曲，第一驱动振子61向左侧偏移推动输出机构向左运动、第二驱动振子62向右侧偏移；

第二种工况实现了输出杆1驱动力矩小，运行速度快的驱动方式。

本发明中的近似方波合成原理说明如下：

根据方波的傅里叶分解公式可知方波可由不同振幅，频率为基频奇数倍的谐波合成，考虑到设计的复杂性以及三级以上高次谐波的振幅系数较小，忽略三级以上谐波，本实施例仅利用方波傅里叶分解的前两级谐波来合成近似谐振方波。前两阶谐波的频率比为1:3。

利用第一振动片51、第二振动片52的第一、三阶弯振频率和第一驱动振子61、第二驱动振子62的第一、二阶弯振频率作为近似方波合成的前两级谐波频率。根据方波的傅里叶分解公式，振动片的第一、三阶弯振频率比和驱动振子的第一、二阶弯振频率比必须为1:3，通过调整振动片和驱动振子的结构来实现。经matlab仿真计算得：当幅值比为4:1时，合成的近似方波形状较为理想，如图7（e）所示。

图2中第一振动片51、第二振动片52呈长条状，中段一侧设凹槽，该槽为频率调整槽，保证其第一、三阶弯振频率比为1:3。

图3中第一驱动振子61、第二驱动振子62的上端做变窄处理形成等腰三角形状，锐角处有菱形镂空65，保证其第一、二阶弯振频率比为1:3。

图7（a）（b）（c）（d）（e）是本发明实施例中的近似方波合成示意图，根据方波的傅里叶分解，当振动片第一、三阶弯曲振型频率比为1:3，驱动振子第一、二阶弯振频率为1:3，且幅值比为4:1时所合成的波形接近方波且效果较好。

图8与图9是本发明实施例所提出的一种直线压电马达工作原理示意图。

图8所示为第一种工况：

在t0时刻，方波信号x为正值，与其对应的第一驱动振子61、第二驱动振子62向右侧偏移；方波信号y瞬间变为正值，与其对应的第一振动片51、第二振动片52向外侧弯曲。

在t0到t1过程中，方波信号y保持正值半周期，第一振动片51、第二振动片52仍让向外侧弯曲；方波信号x在期间变为负值，对应的第一驱动振子61、第二驱动振子62由右向左侧摆动，推动第一振动片51、第二振动片52连带输出杆向左移动一个微小步距δs；

在t1时刻，方波信号x保持负值；对应的第一驱动振子61、第二驱动振子62保持向左侧偏移；方波信号y瞬间变为负值，对应的第一振动片51、第二振动片52向内侧弯曲。

在t1到t2过程中，方波信号y保持负值半周期，第一振动片51、第二振动片52保持向内侧弯曲；方波信号x在期间变为正值，对应的第一驱动振子61、第二驱动振子62由左侧摆回右侧，与第一振动片51、第二振动片52不产生接触；

在t2时刻，方波信号x保持正值，对应的第一驱动振子61、第二驱动振子62保持向右侧偏移；方波信号y瞬间变为正值，对应的第一振动片51、第二振动片52向外侧弯曲，准备进入下一个周期。该工况下，由于两个驱动振子同时产生推力，传输力矩大，但周期内存在空程，输出速度较低。

图9所示第二种工况：

在t0时刻，方波信号x1为负值、x2为正值，对应的第一驱动振子61向左侧偏移、第二驱动振子62向右侧偏移；方波信号y1瞬间变为负值、y2瞬间变为正值，对应的第一振动片51向内侧弯曲、第二振动片52向外侧弯曲。

在t0到t1过程中，方波信号y1保持负值半周期、y2保持正值半周期，第一振动片51仍向内侧弯曲、第二振动片52仍向外侧弯曲；方波信号x1在期间变为正值、x2变为负值，对应第一驱动振子61由左向右摆动与第一振动片51不接触，第二驱动振子62由右向左摆动推动第二振动片52连带输出杆向左运动一个微小步距δs1；

在t1时刻，方波信号x1保持正值、x2保持负值，对应第一驱动振子61保持向右侧偏移，第二驱动振子62保持向左侧偏移；方波信号y1瞬间变为正值、y2瞬间变为负值，对应的第一振动片51向外侧弯曲、第二振动片52向内侧弯曲；

在t1到t2过程中，方波信号y1保持正值半周期、y2保持负值半周期，第一振动片51仍向外侧弯曲、52仍向内侧弯曲；方波信号x1在期间变为负值、x2变为正值，对应第一驱动振子61由右向左摆动推动第一振动片51连同输出杆向左再运动一个微小步距δs2、第二驱动振子62由左向右摆动与第二振动片52不接触。

在t2时刻，方波信号x1保持负值、x2保持正值，第一驱动振子61保持向左侧偏移，第二驱动振子62保持向右侧偏移；方波信号y1瞬间变为负值、y2瞬间变为正值，对应第一振动片51向内侧弯曲、第二振动片52向外侧弯曲，准备进入下一个周期。在该工况下，由于只有一个驱动振子产生推力，传输力矩较小，但周期内无空程，输出速度快。

以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。