一种微型二自由度平面运动超声电机的制作方法

文档序号:9869523阅读:659来源:国知局
一种微型二自由度平面运动超声电机的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明为一种二自由度压电超声电机,属于精密驱动领域。
【背景技术】
[0002] 在微机电领域,精细制造等产业对精密驱动提出了更高的要求。而传统的电磁电 机受制于其工作原理,转矩/质量比值不够大,体积缩小时能量效率明显下降,且无法断电 自锁。因此在精密驱动领域应用逆压电效应和摩擦原理工作的超声电机显示了巨大的优 势。
[0003] 超声电机与传统电机相比,具有W下特点:结构简单、紧凑、转矩/质量比值大(是 传统电机的3~10倍);低速大转矩,无需齿轮减速机构,可实现直接驱动;响应快(毫秒级); 断电自锁;在闭环条件下速度和位置控制性好,分辨率高;不产生磁场,不受外界磁场干扰; 容易做成直线型超声电机;形状可W多样化(圆的、方的、空屯、的、杆状的),等等。由于其优 异的性能,超声电机在很多场合都可W取代电磁电机,拥有广阔的应用前景。在精密平台的 驱动方面,利用超声电机低速大转矩,断电自锁等特点取代电磁电机则无需多余齿轮减速 机构,可大大简化平台结构,降低成本,提高精度。
[0004] 随着机电科技的进步,传统的单自由度的驱动结构已经无法满足高精度定位平台 系统及精密控制要求。如化nomotion公司发展的直线压电电机(US化tent 5877579)具有 微-纳米的分辨率能力,但只能驱动平台沿一个方向作直线运动,因此若要控制平台在2个 方向(X方向和Y方向)的运动就需要安装2个电机,运不仅增加了控制系统的体积和成本,还 降低了平台的定位精度。多自由度超声电机具有直接驱动平台做二维精密运动的功能,因 而显示了明显的优势。北京大学董蜀湘等人提出一种单定子结构的X-Y二自由度超声电机 (中国发明专利CN101895231B),其利用压电陶瓷圆柱或方柱(横截面为正方形)的^-恥^或 ^-B2Y)复合模态实现X(或Y)方向的驱动。B2X模态与B2Y模态是互为正交的同形模态,具有接 近的共振频率,由于电机制备过程中可能存在结构的不对称,当驱动滑动块沿一个方向(譬 如X方向)运动时可能同时激发出B2Y模态而产生滑动块沿Y方向的运动,致使电机难W控制。 本发明提出的二自由度超声电机的主要优势在于激发^-B2x复合模态可实现X方向的驱动, 激发^-B4Y复合模态可实现Y方向的驱动,B2X和B4Y模态具有不同的共振频率,故不会相互禪 合,电机更容易控制。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于克服上述问题,提出了一种结构简单紧凑的小型二自由度超声 电机W及提出了其驱动方法,实现了采用一个电机即可驱动平台的平面运动。
[0006] 本发明提供的微型二自由度平面运动超声电机,包括压电陶瓷定子、滑动块、一个 弹性预压力装置,所述压电陶瓷定子为一多层压电陶瓷棒,压电陶瓷棒顶端粘接有一摩擦 头,在位于底端的弹性预压力装置的作用下与滑动块摩擦接触;所述压电陶瓷棒激发沿轴 向Z方向的第一阶长度伸缩模态^和沿X方向的第二阶弯曲振动模态B2X,W及沿Y方向的第 四阶弯曲振动模态B4Y; W上所述的=种振动模态的共振频率具有W下关系:Ll模态与B2X模 态具有相等的共振频率,B4Y模态共振频率是^模态共振频率的两倍。
[0007] 所述压电陶瓷棒由若干层压电陶瓷薄片沿陶瓷棒长度方向叠加而成,在每层压电 陶瓷薄片的上表面和下表面刷有金属电极,并且根据电机控制模态的需要压电陶瓷棒侧表 面刷有金属电极,压电陶瓷薄片表面电极与压电陶瓷棒侧面电极导通。
[0008] 压电陶瓷薄片上下表面电极的形状由压电陶瓷片的位置决定,相邻两片压电陶瓷 薄片接触的两个表面的电极形状相同。
[0009] 所述压电陶瓷薄片通过高溫烧结处理为一体或者通过粘接成一整体。
[0010] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比,具有W下技术效果: 本发明提供的一种二自由度压电超声电机及其驱动方法,压电陶瓷定子的纵向第一阶 伸缩振动模志Li、横向X方向的第2阶弯曲振动模态泻細、横向Y方向的第4阶弯曲振动模态 務^的共振频率具有W下关系夺察二餐胃。压电陶瓷定子同时激发出L.1模态和 模态时,在定子端部的摩擦头上能产生XZ面内的楠圆运动,驱动与摩擦头接触的滑动块沿X 方向运动;压电陶瓷定子同时激发模态和Say模态时,在定子端部的摩擦头上能产生YZ平 面内的"8"字型运动,驱动与摩擦头接触的滑动块沿Y方向运动,同时激发出运S个模态即 可实现滑动块在XY平面内任意方向的平移运动。
【附图说明】
[0011] W下将结合附图对本发明作进一步说明: 图1为本发明提供的二自由度平面运动超声电机结构示意图; 图2为电机定子的结构示意图; 图3、图4为电机定子夹持方式示意图; 图5为压电陶瓷定子的结构示意图; 图6、图7为压电陶瓷定子上21U215部分的每片陶瓷上下两表面电极示意图,阴影部分 为电极; 图8、图9为压电陶瓷定子上212、214部分的每片陶瓷上下两表面电极示意图,阴影部分 为电极; 图10、图11为压电陶瓷定子上213部分的每片陶瓷上下两表面电极示意图,阴影部分为 电极; 图12至图15为压电陶瓷定子四个侧面的电极示意图,阴影部分为电极; (a)前表面F面,(b)后表面B面,(C)左表面L面,(d)右表面R面; 图16至图18为压电陶瓷定子的振动模态示意图; 其中,1-超声电机、2-定子、3-滑动块、4-弹性预压力装置、5-电机外壳底部; 21-多层压电陶瓷柱、22-摩擦头、23a、23b-x方向的两个夹持位置、24a、24b-y方向的两 个夹持位置; 211、212、213、214、215-多层压电陶瓷柱的五个部分、216-绝缘隔层陶瓷、21曰至2111-电 极; F、B、L、R四个面分别表示多层压电陶瓷柱的前、后、左、右四个侧面。
【具体实施方式】
[0012] 本发明提供一种二自由度压电超声电机,为使本发明的目的、技术方案及效果更 加清楚明确,W及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具 体实施仅用W解释本发明,并不用于限定本发明。
[0013] 由图1可见:所示的二自由度平面运动超声电机1,包括定子2、滑动块3、一个弹性 预压力装置4。其中定子2结构如图2所示,由一个特定尺寸的多层压电陶瓷柱21和一个摩擦 头22粘接组装而成。通过弹性预压
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