专利名称：一种2自由度旋转–直线运动微型超声电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种2自由度旋转-直线运动微型超声电机，尤其是基于压电陶瓷管的2自由度旋转-直线运动微型超声电机，属于精密机械中的压电微机电器件领域。
背景技术：
压电微型电机与传统的电磁电机相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范围中，压电微型电机及压电驱动器已经显示了许多独特的优点，诸如相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率。传统的电磁电机在几个毫米量级尺寸的制造方面已变得很困难，而且它的效率在几个毫米尺寸时只剩下百分之几(<8%)，因为它缺少足够强的磁场。压电电机的效率基本与尺寸无关，也没有磁场问题。压电电机即使在毫米尺寸，也能维持低速、和相对大的力矩特征。作为精密驱动元件，压电电机及驱动器正成为一些高新技术产品诸如手机，医学成像系统和其它微型医用设备的关键元件。许多新的驱动技术，诸如音圈电机、压电驱动器、压电超声微电机等，已有了快速发展，并在许多领域里获得成功应用。在这些微型驱动技术中，压电微电机在精密控制与驱动力，分辨率和功率消耗等方面已显示出明显的优越性，并且更容易做到微型化。随着机电技术的进步，传统的单自由度电机已经无法满足高精度复杂运动系统日趋微型化的要求。如Nanomotion和PI公司发展的直线压电电机(USPatent5877579, 20080073999A1)具有微-纳米的分辨率能力，但只能驱动机构沿一个方向作直线运动，因此若要实现多自由度运动系统就必须利用多个电机和传动机构，这不仅增加了控制系统的体积和成本，还降低了系统的运动精度。多自由度超声电机具有直接驱动和高精度的特点，因而显示了明显的优势。在这个背景下，国内外的许多学者对多自由度压电超声电机进行了大量的研究，提出了很多的多自由度超声电机的专利(CN Patent 1738179，李龙 土等，2006 ;CN Patent200710072168. 3，陈维生等，2007 ;USPatent5345137, Funakubo, 1994 ；USPatent7514849 B2, Ichikawa, 2009)。但这些已报道的多自由度超声电机都是实现2自由度平面运动或3自由度旋转运动。关于2自由度旋转-直线运动电机的报道不多，根据作者了解的知识，目前只有一种结构的报道(TomoakiMashimo andShigeki Toyama, Rotary-linear piezoelectric actuator using singlestator, IEEETransactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control, Vo1. 56, No.1, pp. 114-120，2009)，但是该电机采用金属和陶瓷的复合定子，结构较为复杂，且定子和轴需要较高的配合精度，电机的输出力也很小。因此，为了满足某些移动通讯、数码相机等消费电子，和一些生物与医疗器械等对2自由度旋转-直线运动微型驱动器的需要，有必要发明一种新的、结构简单、高性能的超微型多自由度超声电机。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种结构紧凑的2自由度旋转-直线运动微型超声电机。
本发明通过以下技术方案实现一种2自由度旋转-直线运动微型超声电机，包括压电驱动器定子、轴、运动导向装置、弹性预压力装置和驱动电源；所述运动导向装置包括底座和旋转-直线运动轴承，旋转-直线运动轴承对称设置在底座的两侧；所述压电驱动器定子包括一个压电陶瓷管，轴穿过压电陶瓷管，轴同时与旋转-直线运动轴承配合设置，压电陶瓷管通过弹性预压力装置与轴之间实现弹性摩擦接触。所述压电陶瓷管的两端固定设置一个环形金属端帽，环形金属端帽的内孔直径稍大于轴的直径。所述弹性预压力装置包括夹持件、弹簧和挡板，夹持件下部设置2个用于夹持压电陶瓷管的弧形卡口，挡板与底座固定并位于夹持件的上方，夹持件上部固定设置杆，挡板开设孔，杆穿过挡板的孔，弹簧套在夹持件上部的杆上，位于夹持件和挡板之间。所述压电驱动器定子使用相位相差90度的两路或四路交流电压驱动；所述压电陶瓷管沿径向极化，其内壁表面电极为一整体，外壁表面电极被对称的划分为8个部分，SP沿轴向2等分，沿圆周方向4等分。本发明的优点是其压电驱动定子由一个压电陶瓷管和2个环形金属端帽构成，因而可以满足体积小、重量轻、结构简单等指标要求，同时还具有响应快、精度高等特点，本发明2自由度旋转-直线驱动机构结构紧凑、结构简单、尺寸小、应用前景比较广阔。
图1为本发明实施例总体结构示意图；图2为本发明压电驱动器定子和轴的剖面示意图；图3为本发明压电陶瓷管的结构示意图；图4为本发明压电陶瓷管的第一阶纵向振动模态(L1)；图5为本发明压电陶瓷管的第二阶弯曲振动模态(B2x或B2y)的振形；图6为本发明电机驱动轴作旋转运动的电压驱动方式；图7为本发明电机驱动轴作旋转运动的工作原理；图8为本发明电机驱动轴作直线运动的电压驱动方式；图9为本发明电机驱动轴作直线运动的工作原理；图10为本发明压电陶瓷管的L1模态频率(fu)和内径、长度的关系图；图11为本发明压电陶瓷管的B2模态频率(fB2)和内径、长度的关系图；图12为本发明压电陶瓷管的内径和长度对B2模态频率与L1模态频率的比值(fB2/fu)的影响关系图。图中，10，2自由度旋转-直线运动微型超声电机；20，压电驱动器定子；21，压电陶瓷管；21a、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h、21i，电极；22，环形金属端帽;30，轴;40，运动导向装置；41，旋转-直线运动轴承；42，底座；50，弹性预压力装置；51，夹持件；52，弹簧；53，挡板；60 ;驱动电源。
具体实施例方式附图非限制性地公开了本发明的部分实施例，下面结合具体实施例对本发明作进一步地说明。由图1可见所示的2自由度旋转-直线运动微型超声电机10包括压电驱动器定子20，轴30、运动导向装置40、弹性预压力装置50和驱动电源60 ;其中所述的压电驱动器定子20包括一个压电陶瓷管21，在其两端各组装一个环形金属端帽22，通过环氧树脂将两者粘接为一体；所述的运动导向装置40包括旋转-直线运动轴承41和底座42 ;所述的轴30穿过压电陶瓷管21，被运动导向装置40限定，作旋转或直线运动；压电陶瓷管21在弹性预压力装置50作用下，通过环形金属端帽22压在轴30上，实现压电驱动器定子20与轴30之间的弹性摩擦接触；所述的弹性预压力装置50包括夹持件51、弹簧52和挡板53 ；夹持件51下部有2个弧形的卡口，用于夹持压电陶瓷管21，夹持件51上部的杆穿过挡板53的孔；弹簧52套在夹持件51上部的杆外，位于夹持件51和挡板53之间，给压电驱动器定子20施加预压力；挡板53安装于底座42上。图2为压电驱动器定子20和轴30的剖面示意图。所述的环形金属端帽22的内孔直径稍大于轴30的直径，两者之间为线接触。图3为压电陶瓷管21的结构示意图。所述的压电陶瓷管21是Pb (Zr，Ti) O3压电陶瓷材料或其它高性能压电陶瓷材料，尺寸(长度、外径、内径)须满足一定关系，使其第一阶纵向振动模态(L1)和第二阶弯曲振动模态(B2x或B2y)具有接近的共振频率；所述的B2x与B2y互为正交。电机在工作时，所述的压电陶瓷管21工作在第一阶纵向振动模态(L1)和第二阶弯曲振动模态(B2x与B2Y)，驱动电压源60产生的电压激励压电驱动器定子20作高频的小振幅(纳米至微米级)的椭圆轨迹运动，通过环形金属端帽22与轴30之间的摩擦力驱动轴30运动。所述的压电陶瓷管21沿径向极化，其内壁表面电极21i为一整体，外壁表面电极被对称的划分为8个部分21a、21b、21c、21d、21e、21f、21g、21h，沿轴向2等分，沿圆周方向4等分。图4、图5分别显示了压电陶瓷管的第一阶纵向振动模态(L1)和第二阶弯曲振动模态(B2x或B2y)的振形。合适设定压电陶瓷管21的尺寸(长度、外径、内径)，可以使其第一阶纵向振动模态(L1)和第二阶弯曲振动模态(B2x或B2y)具有接近的共振频率。图6和图7分别显示了该电机驱动轴作旋转运动的电压驱动方式和工作原理。电极2la、2Ie连接交流电压Vsin w t,电极2lb、2If连接交流电压Vcos w t (或-Vcos co t),电极21c、21g连接交流电压-Vsin w t,电极21d、21h连接交流电压-Vcos w t(或Vcos w t ),即四路驱动电压之间的相位依次增加(或减少)90度，电极21i接地，由于压电效应压电陶瓷会产生振动，当驱动电压的频率接近B2模态共振频率时产生机电共振，压电驱动器定子20的末端在XY平面内作“呼啦圈”运动，即每个质点相对于其平衡位置作XY平面内的圆周运动(长轴与短轴长度相等的正椭圆)。图7显示了电机的轴向视图和压电驱动器定子20摩擦界面处的椭圆运动示意图。压电驱动器定子20将通过摩擦力驱动轴30作旋转运动。图8和图9分别显示了该电机驱动轴作直线运动的电压驱动方式和工作原理。电极21b、21h连接交流电压Vsinwt,电极21d、21f连接交流电压Vcoswt (或-Vcoswt),电极21a、21c、21e、21g、21i接地，由于压电效应压电陶瓷会产生振动，当驱动电压的频率接近L1和B2共振频率时产生机电共振，这两种本征模态都被激发，压电驱动器定子20的末端在YZ平面内作椭圆轨迹合成运动。压电驱动器定子20将通过摩擦力驱动轴30作轴向的直线运动。
本发明上述实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。所述的压电驱动器定子20具有的各阶横向弯曲振动模式和纵向伸缩振动模态频率随着所述压电陶瓷管21的长度、外径、内径和压电陶瓷材料、以及金属端帽22的形状和材料而变化，第一阶纵向振动模态[L1，模态振形如图4所示和第二阶横向弯曲振动模态B2X或B2Y，模态振形如图5所示)的谐振频率可能出现相同点，于是利用相同的谐振频率来实现激励所述压电陶瓷驱动器定子的复合振动模态。所述的B2x与B2y互为正交。在该实施例中，金属端帽22的质量比压电陶瓷管21的质量小很多，金属端帽22对压电驱动器定子20的振动模态和谐振频率影响不大。设定压电陶瓷管21的外径为5mm，材料为PZT压电陶瓷。图10所示为压电陶瓷管21的L1模态频率(fu)和内径、长度的关系。图11所示为压 电陶瓷管21的B2模态频率fB2和内径、长度的关系。图12所示为压电陶瓷管21的内径和长度对B2模态频率与L1模态频率的比值(fB2/fu)的影响。
权利要求
1.一种2自由度旋转-直线运动微型超声电机，其特征在于包括压电驱动器定子、轴、运动导向装置、弹性预压力装置和驱动电源；所述运动导向装置包括底座和旋转-直线运动轴承，旋转-直线运动轴承对称设置在底座的两侧；所述压电驱动器定子包括一个压电陶瓷管，轴穿过压电陶瓷管，轴同时与旋转-直线运动轴承配合设置，压电陶瓷管通过弹性预压力装置与轴之间实现弹性摩擦接触。
2.如权利要求1所述2自由度旋转-直线运动微型超声电机，其特征在于所述压电陶瓷管的两端固定设置一个环形金属端帽，环形金属端帽的内孔直径稍大于轴的直径。
3.如权利要求1或2所述2自由度旋转-直线运动微型超声电机，其特征在于所述弹性预压力装置包括夹持件、弹簧和挡板，夹持件下部设置2个用于夹持压电陶瓷管的弧形卡口，挡板与底座固定并位于夹持件的上方，夹持件上部固定设置杆，挡板开设孔，杆穿过挡板的孔，弹簧套在夹持件上部的杆上，位于夹持件和挡板之间。
4.如权利要求3所述的2自由度旋转-直线运动微型超声电机，其特征在于所述压电驱动器定子使用相位相差90度的两路或四路交流电压驱动；所述压电陶瓷管沿径向极化，其内壁表面电极为一整体，外壁表面电极被对称的划分为8个部分，即沿轴向2等分，沿圆周方向4等分。
全文摘要
本发明公开了一种基于压电陶瓷管的2自由度旋转–直线运动微型超声电机。该微型超声电机包括压电驱动器定子、轴、运动导向装置、弹性预压力装置和驱动电源；所述的压电驱动器定子包括一个压电陶瓷管，其两端各粘接一个环形金属端帽；所述的运动导向装置包括旋转–直线运动轴承和底座；所述的轴穿过压电陶瓷管，被运动导向装置限定，作旋转或直线运动；压电陶瓷管在预压力作用下，通过环形金属端帽压在轴上，实现与轴之间的弹性摩擦接触。本发明提供了一种结构紧凑的2自由度旋转–直线驱动机构，结构简单、尺寸小，应用前景比较广阔。
文档编号H02N2/10GK103023373SQ20121053154
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者郭明森, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学