力装置4实现摩擦头22和滑动块3的摩擦接触，其中弹性 预压力装置4中的弹黃处于压缩状态。弹性预压力装置4中的弹黃一端作用于多层压电陶瓷 柱21，另一端作用于电机外壳底部5。滑动块3安装在一个X-Y运动平台上，作平面内平移运 动。
[0014] 定子2的夹持方式如图3、图4所示，X方向的两个夹持位置23曰，23b为8忍:模态的弯 曲振动节点，y方向的两个夹持位置24a，24b为择踩模态的弯曲振动节点;夹持方式为弹性夹 持，只限制定子x，y方向的运动而不限制其Z方向运动。
[0015] 图5为多层压电陶瓷柱21的结构示意图。多层压电陶瓷柱21可分为5个部分(211、 212、213、214、215)，5部分压电陶瓷占总长度的比例分别为19%，10%，38%，10%，19%，每两部 分之间间隔1%的绝缘隔层陶瓷216。多层压电陶瓷柱21由大量压电陶瓷薄片组合而成，可W 通过高溫烧结热处理成为一个整体，或者利用环氧树脂粘接成一个整体。本实施例中，多层 压电陶瓷柱21在X，Y，ZS个方向的尺寸分别设定为13.4mm，9.5mm，50mm，211~215运5个部分 的厚度分别为9.5mm，5mm，19mm，5mm ,9.5mm，每两部分之间的隔层绝缘陶瓷216厚度0.5mm。
[0016] 多层压电陶瓷柱21由大量压电陶瓷薄片组成，每片陶瓷两个表面(A面和B面)都涂 有金属电极，电极的形状由压电陶瓷片的位置决定，相邻两片陶瓷片接触的两个表面的电 极形状相同（即A面对A面，B面对B面），具体电极形状如图6至图11所示，其中阴影部分为电 极。图中每片陶瓷的上下表面电极通过多层压电陶瓷柱21的侧面电极引出。多层压电陶瓷 柱21的四个侧面电极形状如图12至15所示，阴影部分为电极，（a)，（b)，（C)，（d)分别为前面 F面，后面B面，左面L面和右面R面电极示意图。21a~21n为侧面电极，运14个电极分别刷在多 层压电陶瓷柱21的5个部分(211、212、213、214、215)的不同侧面上。电机制备过程中压电陶 瓷的极化工艺如下：在电极21a、21d上施加正电压，电极21e、21f上施加相等幅度的负电压， 电极21g、21k接地;在电极2化、21 j上施加正电压，电极211、21n上施加相等幅度的负电压， 电极2化、21C接地;电极21i施加正电压，电极2Im接地。
[0017] 超声电机1的驱动方式如下:在电极21让施加频率每!幅度豁的正弦交流电Vos 口化;t) ，电极2 Im接地，即可激发Z方向第一阶纵向伸缩振动模态^，如图16所示;在电极2化、21 j、 211、21n上施加频率IW幅度馬相位相差90°的正弦交流电压馬^媒狡媽茲违發，电极21g、 ...占?? 21k接地，即可激发X方向第二阶弯曲振动模态B2X，如图17所示;二者同时施加即可合成定子 2在XZ面内的顺时针方向或逆时针方向的楠圆运动，驱动滑动块3沿X正方向或负方向运动。 在电极21i上施加频率Iki幅度磯的正弦交流电心osCWfuA，电极21m接地，激励第一阶 纵向伸缩振动模态^，同时在电极21a、21d、21e、21 f上施加频率2fu幅度靖的正弦交流电 機终該舉施东里g，电极211、2 In接地，即可激发Y方向第四阶弯曲振动模态B4Y，如图18所 示，可W合成定子2在YZ面内的"8"字形运动，驱动滑动块3在Y方向运动。上述激励同时施加 可实现滑动块3在XY平面内任意方向的运动。Vt.、V.s、Vy的大小独立调节，可W控制定子2在 Z、X、Y方向的振幅，从而调节运动速度和驱动力。
[0018]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对运些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可W在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的运些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种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，其特征在于: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U和沿X方向的第二阶弯曲振动模态Β 2χ，以及沿Y方向的第 四阶弯曲振动模态Β4Υ;以上所述的三种振动模态的共振频率具有以下关系:Li模态与Β2Χ模 态具有相等的共振频率，B4Y模态共振频率是1^模态共振频率的两倍。2. 根据权利要求1所述的一种微型二自由度平面运动超声电机，其特征在于: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。3. 根据权利要求2所述的一种微型二自由度平面运动超声电机，其特征在于: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。4. 根据权利要求2或3所述的一种微型二自由度平面运动超声电机，其特征在于:所述 压电陶瓷薄片通过高温烧结处理为一体或者通过粘接成一整体。
【专利摘要】本发明公开了一种微型二自由度平面运动超声电机，该电机包括依次连接的弹性预压力装置、压电陶瓷定子、滑动块，压电陶瓷定子为多层结构的压电陶瓷棒，其顶端粘接有一摩擦头，摩擦头上设置有滑动块；弹性预压力装置设置在压电陶瓷定子底部，提供预压力实现压电陶瓷定子和滑动块的摩擦接触；定子在电压激励下可以产生纵向Z方向第一阶纵向伸缩振动模态L1，横向X方向第2阶弯曲振动模态B2X和横向Y方向第4阶弯曲振动模态B4Y；被激发复合模态使端部摩擦头在XZ平面内做微幅高频椭圆运动，或在YZ平面内做“8”字型微幅高频运动，从而驱动与摩擦头接触的滑动块沿X或Y方向运动，或一个XY面内的任意方向平移运动。
【IPC分类】H02N2/02
【公开号】CN105634325
【申请号】CN201610119918
【发明人】郭明森, 陈加林, 赵淳生
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月3日