一种压电驱动三自由度微动电机的制作方法

1.本技术涉及压电驱动装置技术领域，特别涉及一种压电驱动三自由度微动电机。


背景技术：

2.随着科技的发展，机电系统逐步向小型化方向发展，在诸多应用领域，需要驱动电机提供多个方向的驱动自由度。
3.传统的电磁式驱动器要实现多自由度，需要较多的零部件，难以实现电机的小型化，使用多个单自由度的压电驱动器同样会使电机的结构复杂化，且控制难度较大。
4.因此如何提供一种结构简单且具有多个自由度的压电电机，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种压电驱动三自由度微动电机，能够实现三个自由度的微动驱动，进而提高其应用范围。
6.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
7.一种压电驱动三自由度微动电机，包括：压电驱动组件、动子、定子及导向组件，所述定子用于支撑所述压电驱动组件、所述动子和所述导向组件，所述压电驱动组件包括四个沿圆周方向均匀分布的压电陶瓷腿，各所述压电陶瓷腿均包括一个纵向伸缩压电叠堆和一个耐磨半球头，所述耐磨半球头与所述动子的下表面接触，所述导向组件用于对所述动子施加朝向所述压电驱动组件的预紧力。
8.优选地，所述定子包括底座、外壳，所述压电陶瓷腿的下端固定在所述底座上，所述外壳的下端连接在所述底座上，所述压电陶瓷腿位于所述外壳内部。
9.优选地，所述导向组件包括导向膜片、柔性导向杆和弹性件，所述柔性导向杆的上端与所述动子连接，所述柔性导向杆的下端通过所述弹性件连接在所述底座上；所述定子还包括膜片压环，所述膜片压环用于将所述导向膜片的边缘压紧在所述外壳的上端，所述导向膜片位于所述动子和所述压电陶瓷腿之间，所述柔性导向杆用于将所述动子压紧在所述导向膜片的中部，所述导向膜片上设有通孔，所述耐磨半球头通过所述通孔与所述动子的下表面点接触。
10.优选地，所述弹性件为预紧碟簧，所述预紧碟簧套设在所述柔性导向杆的下端，所述柔性导向杆的下端螺纹连接有预紧螺母，所述预紧螺母用于将所述预紧碟簧压紧在所述底座的下端。
11.优选地，所述底座的下端设有用于容纳所述预紧碟簧和所述预紧螺母的凹槽。
12.优选地，所述外壳的上端设有向外延伸的凸缘，所述膜片压环通过紧固件连接在所述凸缘上。
13.与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
14.本技术所提供的一种压电驱动三自由度微动电机，包括：压电驱动组件、动子、定
子及导向组件，定子用于支撑压电驱动组件、动子和导向组件，压电驱动组件包括四个沿圆周方向均匀分布的压电陶瓷腿，各压电陶瓷腿均包括一个纵向伸缩压电叠堆和一个耐磨半球头，耐磨半球头与动子的下表面接触，通过耐磨半球头可以降低其磨损，进而提高其使用寿命，导向组件用于对动子施加朝向压电驱动组件的预紧力，以提高动子的运动稳定性和电机的整体刚度。四个压电陶瓷腿在相同电压驱动下，可驱动动子移动；四个压电陶瓷腿在不同电压驱动下，可驱动动子绕两个轴转动，以使电机具备三个自由度，进而提高电机的应用范围。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
16.图1为压电驱动三自由度微动电机的结构示意图；
17.图2为压电驱动三自由度微动电机的主剖结构示意图；
18.图3为压电驱动三自由度微动电机的底座和压电驱动组件的组装结构示意图；
19.图4为压电陶瓷腿的结构示意图；
20.图5为导向膜片的结构示意图；
21.图6为柔性导向杆的结构示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
23.请参考图1～图6，图1为压电驱动三自由度微动电机的结构示意图；图2为压电驱动三自由度微动电机的主剖结构示意图；图3为压电驱动三自由度微动电机的底座和压电驱动组件的组装结构示意图；图4为压电陶瓷腿的结构示意图；图5为导向膜片的结构示意图；图 6为柔性导向杆的结构示意图。
24.本技术实施例所提供的一种压电驱动三自由度微动电机，包括：压电驱动组件、动子1、定子及导向组件，定子用于支撑压电驱动组件、动子1和导向组件，压电驱动组件包括四个沿圆周方向均匀分布的压电陶瓷腿12，各压电陶瓷腿12均包括一个纵向伸缩压电叠堆b 和一个耐磨半球头t，通过纵向伸缩压电叠堆b可以在小体积空间内实现较大的推力输出，耐磨半球头t与动子1的下表面接触，通过耐磨半球头t可以降低其磨损，进而提高其使用寿命，耐磨半球头t和纵向伸缩压电叠堆b可以通过环氧树脂结构胶进行粘接，电机静态时，四个压电陶瓷腿上端的四个耐磨半球头顶点组成一个平面与动子1的下表面接触；导向组件用于对动子1施加朝向压电驱动组件的预紧力，同时为电机的运动提供运动约束和导向，以提高动子1的运动稳定性和电机的整体刚度。四个压电陶瓷腿12在相同电压驱动下，可驱动动子1移动；四个压电陶瓷腿12在不同电压驱动下，可驱动动子1绕两个轴转动，以使
电机具备三个自由度，进而提高电机的应用范围。
25.在一些实施例中，定子包括底座7、外壳6、膜片压环3；导向组件包括导向膜片2、柔性导向杆13和弹性件；其中压电陶瓷腿12的下端固定在底座7上，例如可以通过环氧树脂结构胶进行粘接，外壳 6的下端连接在底座7上，具体可以通过螺栓8自下而上依次穿接底座7和外壳6，其中压电陶瓷腿12位于外壳6内部。柔性导向杆13 的上端与动子1连接，例如可以在柔性导向杆13的上端设置螺纹端，螺纹端与动子1进行螺纹连接，柔性导向杆13的下端通过弹性件连接在底座7上，弹性件优选为预紧碟簧9，预紧碟簧9套设在柔性导向杆13的下端，柔性导向杆13的下端螺纹连接有预紧螺母11，预紧螺母11和预紧碟簧9之间设有平垫片10，预紧螺母11可以将预紧碟簧 9压紧在底座7的下端，预紧碟簧9压缩变形产生弹性力，弹性力通过柔性导向杆13带动定子1压紧四个压电陶瓷腿，使压电陶瓷腿预紧，预紧力用fn表示，可由下式计算得出：
26.fn＝k*δh
27.式中，δh为预紧碟簧9在z向的压缩变形量，k为预紧碟簧9 的压缩刚度。
28.其中可以在底座7的下端设置用于容纳预紧碟簧9和预紧螺母11 的凹槽，以放置预紧螺母11和预紧碟簧9凸出于底座7的下方；膜片压环3可以将导向膜片2压紧在外壳6的上端，导向膜片2位于动子 1和压电陶瓷腿12之间，柔性导向杆13可以将动子1压紧在导向膜片2上，为了便于膜片压环3和外壳6的连接，可以在外壳6的上端设有向外延伸的凸缘4，膜片压环3可以通过紧固件连接在凸缘4上，紧固件优选为紧固螺钉5。
29.每个压电陶瓷腿在驱动电压的ui作用下可产生纵向伸缩变形，四个压电陶瓷腿12a、12b、2c和12d分别由u1、u2、u3和u4驱动，忽略压电叠堆的迟滞特性，认为压电叠堆变形量与电压间为线性关系，则压电叠堆陶瓷腿的变形量δli可由下式得出：
[0030][0031]
式中，k
33
为压电叠堆陶瓷腿的电压变形系数，v为压电叠堆的额定驱动电压。
[0032]
为了便于理解压电驱动三自由度微动电机的工作原理，下面以动子沿z向移动、绕x轴转动、绕y轴转动为例进行说明：
[0033]
参见图1～图4：压电驱动三自由度微动电机处于初始状态时，四个压电陶瓷腿12都在二分之一额定电压的作用下产生变形，此时动子处于零位，此位置各压电陶瓷腿12的驱动电压有如下关系：
[0034][0035]
参见图1～图4:四个压电陶瓷腿12a、12b、2c和12d在相同电压驱动下，可驱动动子1沿z向平移运动，动子1的z向位置变动量δz可由下式计算得出：
[0036][0037]
参见图1～图4:四个压电陶瓷腿12a、12b、2c和12d在不同电压驱动下，可驱动动子
1实现绕x轴和绕y轴的转动；若动子1绕x 向转动，转动量δrx可由下式计算得出：
[0038][0039]
式中，w
24
为压电陶瓷腿12b的半球头顶点和压电陶瓷腿12d的半球头顶点间在y向的距离。
[0040]
若动子1绕y轴转动，转动量δry可由下式计算得出：
[0041][0042]
式中，w
13
为压电陶瓷腿12a的半球头顶点和压电陶瓷腿12c的半球头顶点间在x向的距离。
[0043]
参考图5，导向膜片2应具有较大的径向刚度、较小的轴向刚度和旋转刚度，为实现导向膜片2的导向作用，其径厚比应满足如下关系：
[0044][0045]
参考图6：柔性导向杆13具有较大的轴向拉压刚度和较小弯曲刚度，为实现柔性导向杆13的导向作用，其长径比应满足如下关系：
[0046][0047]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0048]
以上对本技术所提供的一种压电驱动三自由度微动电机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。