一種微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明為一種二自由度壓電超聲電機(jī)，屬于精密驅(qū)動領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在微機(jī)電領(lǐng)域，精細(xì)制造等產(chǎn)業(yè)對精密驅(qū)動提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的電磁電 機(jī)受制于其工作原理，轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比值不夠大，體積縮小時能量效率明顯下降，且無法斷電 自鎖。因此在精密驅(qū)動領(lǐng)域應(yīng)用逆壓電效應(yīng)和摩擦原理工作的超聲電機(jī)顯示了巨大的優(yōu) 勢。
[0003] 超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有W下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比值大(是 傳統(tǒng)電機(jī)的3~10倍）；低速大轉(zhuǎn)矩，無需齒輪減速機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動；響應(yīng)快(毫秒級）； 斷電自鎖;在閉環(huán)條件下速度和位置控制性好，分辨率高;不產(chǎn)生磁場，不受外界磁場干擾； 容易做成直線型超聲電機(jī);形狀可W多樣化（圓的、方的、空屯、的、桿狀的），等等。由于其優(yōu) 異的性能，超聲電機(jī)在很多場合都可W取代電磁電機(jī)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。在精密平臺的 驅(qū)動方面，利用超聲電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩，斷電自鎖等特點(diǎn)取代電磁電機(jī)則無需多余齒輪減速 機(jī)構(gòu)，可大大簡化平臺結(jié)構(gòu)，降低成本，提高精度。
[0004] 隨著機(jī)電科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的單自由度的驅(qū)動結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足高精度定位平臺 系統(tǒng)及精密控制要求。如化nomotion公司發(fā)展的直線壓電電機(jī)(US化tent 5877579)具有 微-納米的分辨率能力，但只能驅(qū)動平臺沿一個方向作直線運(yùn)動，因此若要控制平臺在2個 方向(X方向和Y方向）的運(yùn)動就需要安裝2個電機(jī)，運(yùn)不僅增加了控制系統(tǒng)的體積和成本，還 降低了平臺的定位精度。多自由度超聲電機(jī)具有直接驅(qū)動平臺做二維精密運(yùn)動的功能，因 而顯示了明顯的優(yōu)勢。北京大學(xué)董蜀湘等人提出一種單定子結(jié)構(gòu)的X-Y二自由度超聲電機(jī) (中國發(fā)明專利CN101895231B)，其利用壓電陶瓷圓柱或方柱(橫截面為正方形）的^-恥^或 ^-B2Y)復(fù)合模態(tài)實(shí)現(xiàn)X(或Y)方向的驅(qū)動。B2X模態(tài)與B2Y模態(tài)是互為正交的同形模態(tài)，具有接 近的共振頻率，由于電機(jī)制備過程中可能存在結(jié)構(gòu)的不對稱，當(dāng)驅(qū)動滑動塊沿一個方向（譬 如X方向）運(yùn)動時可能同時激發(fā)出B2Y模態(tài)而產(chǎn)生滑動塊沿Y方向的運(yùn)動，致使電機(jī)難W控制。 本發(fā)明提出的二自由度超聲電機(jī)的主要優(yōu)勢在于激發(fā)^-B2x復(fù)合模態(tài)可實(shí)現(xiàn)X方向的驅(qū)動， 激發(fā)^-B4Y復(fù)合模態(tài)可實(shí)現(xiàn)Y方向的驅(qū)動，B2X和B4Y模態(tài)具有不同的共振頻率，故不會相互禪 合，電機(jī)更容易控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述問題，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊的小型二自由度超聲 電機(jī)W及提出了其驅(qū)動方法，實(shí)現(xiàn)了采用一個電機(jī)即可驅(qū)動平臺的平面運(yùn)動。
[0006] 本發(fā)明提供的微型二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)，包括壓電陶瓷定子、滑動塊、一個 彈性預(yù)壓力裝置，所述壓電陶瓷定子為一多層壓電陶瓷棒，壓電陶瓷棒頂端粘接有一摩擦 頭，在位于底端的彈性預(yù)壓力裝置的作用下與滑動塊摩擦接觸;所述壓電陶瓷棒激發(fā)沿軸 向Z方向的第一階長度伸縮模態(tài)^和沿X方向的第二階彎曲振動模態(tài)B2X，W及沿Y方向的第 四階彎曲振動模態(tài)B4Y; W上所述的=種振動模態(tài)的共振頻率具有W下關(guān)系:Ll模態(tài)與B2X模 態(tài)具有相等的共振頻率，B4Y模態(tài)共振頻率是^模態(tài)共振頻率的兩倍。
[0007] 所述壓電陶瓷棒由若干層壓電陶瓷薄片沿陶瓷棒長度方向疊加而成，在每層壓電 陶瓷薄片的上表面和下表面刷有金屬電極，并且根據(jù)電機(jī)控制模態(tài)的需要壓電陶瓷棒側(cè)表 面刷有金屬電極，壓電陶瓷薄片表面電極與壓電陶瓷棒側(cè)面電極導(dǎo)通。
[0008] 壓電陶瓷薄片上下表面電極的形狀由壓電陶瓷片的位置決定，相鄰兩片壓電陶瓷 薄片接觸的兩個表面的電極形狀相同。
[0009] 所述壓電陶瓷薄片通過高溫?zé)Y(jié)處理為一體或者通過粘接成一整體。
[0010] 本發(fā)明采用W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果： 本發(fā)明提供的一種二自由度壓電超聲電機(jī)及其驅(qū)動方法，壓電陶瓷定子的縱向第一階 伸縮振動模志Li、橫向X方向的第2階彎曲振動模態(tài)瀉細(xì)、橫向Y方向的第4階彎曲振動模態(tài) 務(wù)^的共振頻率具有W下關(guān)系奪察二餐胃。壓電陶瓷定子同時激發(fā)出L.1模態(tài)和 模態(tài)時，在定子端部的摩擦頭上能產(chǎn)生XZ面內(nèi)的楠圓運(yùn)動，驅(qū)動與摩擦頭接觸的滑動塊沿X 方向運(yùn)動;壓電陶瓷定子同時激發(fā)模態(tài)和Say模態(tài)時，在定子端部的摩擦頭上能產(chǎn)生YZ平 面內(nèi)的"8"字型運(yùn)動，驅(qū)動與摩擦頭接觸的滑動塊沿Y方向運(yùn)動，同時激發(fā)出運(yùn)S個模態(tài)即 可實(shí)現(xiàn)滑動塊在XY平面內(nèi)任意方向的平移運(yùn)動。
【附圖說明】
[0011] W下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明： 圖1為本發(fā)明提供的二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3、圖4為電機(jī)定子夾持方式示意圖； 圖5為壓電陶瓷定子的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6、圖7為壓電陶瓷定子上21U215部分的每片陶瓷上下兩表面電極示意圖，陰影部分 為電極； 圖8、圖9為壓電陶瓷定子上212、214部分的每片陶瓷上下兩表面電極示意圖，陰影部分 為電極； 圖10、圖11為壓電陶瓷定子上213部分的每片陶瓷上下兩表面電極示意圖，陰影部分為 電極； 圖12至圖15為壓電陶瓷定子四個側(cè)面的電極示意圖，陰影部分為電極； (a)前表面F面，（b)后表面B面，（C)左表面L面，（d)右表面R面； 圖16至圖18為壓電陶瓷定子的振動模態(tài)示意圖； 其中，1-超聲電機(jī)、2-定子、3-滑動塊、4-彈性預(yù)壓力裝置、5-電機(jī)外殼底部； 21-多層壓電陶瓷柱、22-摩擦頭、23a、23b-x方向的兩個夾持位置、24a、24b-y方向的兩 個夾持位置； 211、212、213、214、215-多層壓電陶瓷柱的五個部分、216-絕緣隔層陶瓷、21曰至2111-電 極； F、B、L、R四個面分別表示多層壓電陶瓷柱的前、后、左、右四個側(cè)面。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 本發(fā)明提供一種二自由度壓電超聲電機(jī)，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更 加清楚明確，W及參照附圖并舉實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具 體實(shí)施僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0013] 由圖1可見:所示的二自由度平面運(yùn)動超聲電機(jī)1，包括定子2、滑動塊3、一個彈性 預(yù)壓力裝置4。其中定子2結(jié)構(gòu)如圖2所示，由一個特定尺寸的多層壓電陶瓷柱21和一個摩擦 頭22粘接組裝而成。通過彈性預(yù)壓