一種多層壓電陶瓷直線超聲電機及驅(qū)動方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種多層壓電陶瓷直線超聲電機及驅(qū)動方法。包括壓電振動器、夾持機構(gòu)和滑動塊，其中：壓電致動器由一個多層壓電陶瓷矩形板制成，在矩形板一個端面的中心處設(shè)摩擦塊；滑動塊被導(dǎo)軌限定沿直線滑動。該電機工作時，壓電振動器工作在第一階彎曲振動模態(tài)(B1)。驅(qū)動電源產(chǎn)生的電壓激勵多層壓電陶瓷矩形板作高頻的小振幅(納米至微米級)橢圓軌跡運動，再通過附在多層壓電陶瓷矩形板上的摩擦塊與滑動塊之間的摩擦力驅(qū)動滑動塊作直線運動。可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的頻率來改變電機的輸出速度和推力。其優(yōu)點是：它提供了一種簡單緊湊的直線驅(qū)動結(jié)構(gòu)；電機能在較寬溫度范圍內(nèi)工作；利用多層壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，能大幅降低工作電壓。壓。壓。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種多層壓電陶瓷直線超聲電機及驅(qū)動方法


[0001]本專利技術(shù)屬于精密驅(qū)動元件
，特別涉及一種直線型壓電超聲電機及其驅(qū)動方法。

技術(shù)介紹

[0002]超聲電機與傳統(tǒng)電機相比，具有以下特點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、轉(zhuǎn)矩/體積比值大；低速大轉(zhuǎn)矩，無需齒輪減速機構(gòu)，可實現(xiàn)直接驅(qū)動；響應(yīng)快(毫秒級)；斷電自鎖；分辨率高，在閉環(huán)控制下能獲得高精度(小于100nm，某些特殊結(jié)構(gòu)的超聲電機能達(dá)到10nm以下運動精度)；不產(chǎn)生磁場，不受外界磁場干擾；形狀可以多樣化(圓的、方的、空心的、桿狀的)，等等。由于其獨特的性能，超聲電機在很多場合優(yōu)于電磁電機，擁有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在需要快速響應(yīng)和高精度位置控制的應(yīng)用領(lǐng)域(譬如醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中光學(xué)元件的精密驅(qū)動)，超聲電機在運動行程、驅(qū)動力、驅(qū)動精度、響應(yīng)速度和功率消耗等性能方面已顯示出明顯的優(yōu)越性。在工業(yè)控制的領(lǐng)域，超聲電機也逐漸得到更多的應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，如美國專利US5877579中，公開一個長寬比約為4:1的矩形壓電板L1
?
B2雙振動模態(tài)系統(tǒng)，工作在第一階縱振動模態(tài)(L1)和第二階彎曲振動模態(tài)(B2)，兩個模態(tài)具有接近的本征頻率，主表面上的電極被分割為4個部分(2
×
2，長度方向和寬度方向都被均分為兩部分)，在兩個斜對角電極上施加一個接近模態(tài)本征頻率的交流電壓，能同時激勵出第一階縱向振動模態(tài)(L1)和第二階橫向彎曲振動模態(tài)(B2)，通過調(diào)節(jié)交流電壓的幅值可改變電機的驅(qū)動速度和推力大小。美國專利US 7598656中，公開的也是一種雙振動模態(tài)系統(tǒng)，利用一個長寬比約為2:1的矩形壓電板，主表面上的電極被分割為2個部分(沿長度方向被均分)，在其中一個電極上施加交流電壓能同時激勵出2個振動模態(tài)(具有接近的本征頻率，一個模態(tài)為對稱模態(tài)SS
?
3，另一個模態(tài)為反對稱模態(tài)AS
?
3)。當(dāng)溫度發(fā)生較大變化時，因這類電機的兩個工作模態(tài)本征頻率隨溫度變化的系數(shù)不同，兩個本征頻率之間產(chǎn)生較大的偏差，摩擦驅(qū)動頭在工作電壓激勵下不能同時獲得法向和切向的強烈振動，進(jìn)而引起電機性能的急劇變化。
[0004]為了滿足科學(xué)儀器、生物醫(yī)療、航空航天等產(chǎn)品對高穩(wěn)定性致動器的需要，有必要專利技術(shù)一種新的直線超聲電機及驅(qū)動方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0005]本專利技術(shù)的目的在于：針對直線壓電超聲電機在實際使用中存在的各種弊端，提供一種新的直線壓電超聲電機結(jié)構(gòu)。
[0006]本專利技術(shù)還提供了上述超聲電機的驅(qū)動方法的技術(shù)方案。
[0007]為解決上述問題，本專利技術(shù)提供的多層壓電陶瓷直線超聲電機可采用以下技術(shù)方案：
[0008]一種多層壓電陶瓷直線超聲電機，包括壓電振動器、保持壓電振動器穩(wěn)定的夾持機構(gòu)和滑動塊，滑動塊被導(dǎo)軌限定在某一方向上沿直線滑動，壓電振動器的一端設(shè)有摩擦
塊，摩擦塊同滑動塊彈性接觸，所述壓電振動器包括多層壓電陶瓷矩形板，多層壓電陶瓷矩形板由多個壓電陶瓷片堆疊形成，一個壓電陶瓷片包括正面、背面兩個主表面，正面上覆蓋兩片第一電極，且該兩片第一電極在壓電陶瓷片寬度方向上相互不接觸的對稱設(shè)置；背面上完全覆蓋一整片第二電極；所述多個壓電陶瓷片以正面對正面、背面對背面的形式一正一反堆疊；壓電振動器通電時給所有壓電陶瓷片通電，每個壓電陶瓷片中只有一片第一電極與第二電極之間通電。
[0009]進(jìn)一步的，單片壓電陶瓷沿厚度方向極化。
[0010]進(jìn)一步的，壓電振動器通電時，驅(qū)動電源產(chǎn)生頻率接近于壓電振動器B1模態(tài)本征頻率的單相正弦交流電壓，激勵多層壓電陶瓷矩形板產(chǎn)生橫向彎曲振動；多層壓電陶瓷矩形板在電壓激勵下同時產(chǎn)生非共振的縱向伸縮振動。
[0011]進(jìn)一步的，附著在多層壓電陶瓷矩形板上的摩擦塊作橢圓軌跡運動，通過摩擦力驅(qū)動滑動塊作直線運動。
[0012]進(jìn)一步的，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的頻率來改變電機的輸出速度和推力。
[0013]進(jìn)一步的，還設(shè)有抵靠壓電振動器與摩擦塊所在一端相對一端的彈簧，壓電振動器通過該彈簧產(chǎn)生的預(yù)壓力實現(xiàn)摩擦塊同滑動塊的彈性接觸。
[0014]進(jìn)一步的，多個壓電陶瓷片堆疊成整體并通過陶瓷/金屬內(nèi)電極低溫共燒技術(shù)制備。
[0015]進(jìn)一步的，所述多層壓電陶瓷矩形板兩側(cè)形成側(cè)面電極，所述側(cè)面電極中，一個側(cè)面電極與位于同側(cè)的一組第一電極導(dǎo)通，另一個側(cè)面電極與另一組同側(cè)的第一電極導(dǎo)通，第三個側(cè)面電極與所有第二電極導(dǎo)通。
[0016]進(jìn)一步的，滑動塊的滑動方向限定在與所述多層壓電陶瓷矩形板的寬度平行的方向。
[0017]本專利技術(shù)提供的上述多層壓電陶瓷直線超聲電機的驅(qū)動方法可采用以下技術(shù)方案：
[0018]設(shè)兩片第一電極分別位于壓電陶瓷片正面的兩側(cè)，對多層壓電陶瓷矩形板通電時，所有位于同一側(cè)的第一電極與所有第二電極之間施加一個單相正弦交流電壓，另一個第一電極保持為浮動開路狀態(tài)；
[0019]當(dāng)交流電壓的驅(qū)動頻率f
d
略高于B1彎曲模態(tài)本征頻率f
B1
時，所述壓電陶瓷矩形板21的B1橫向彎曲振動模態(tài)被激發(fā)，同時還會產(chǎn)生非共振的縱向伸縮振動；滑動塊沿+x或
?
x方向移動；
[0020]當(dāng)驅(qū)動電壓頻率f
d
約等于B1彎曲模態(tài)本征頻率f
B1
時(f
d
≈f
B1
)，x方向振幅達(dá)到最大值，x和y方向的位移u
x
和u
y
之間相位差約為90
°
；滑動塊作高速運動。
[0021]當(dāng)驅(qū)動電壓頻率f
d
高于f
B1
并逐漸增大時，x方向振幅逐漸減小，x和y方向的位移u
x
和u
y
之間相位差大于90
°
并逐漸增加；滑動塊作低速運動。
[0022]有益效果：相對于現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)直線超聲電機只利用一個第一電極與一個第二電極所產(chǎn)生的壓電驅(qū)動力(多層壓電陶瓷矩形板中只有一側(cè)的第一電極通電而另一側(cè)不通電)，即可以導(dǎo)致橫向彎曲振動模態(tài)將被激發(fā)，同時產(chǎn)生非共振的縱向伸縮振動，所以不必設(shè)定壓電陶瓷板的長寬比為某一特定值。并且，該電機能在較寬溫度范圍內(nèi)工作；利用多層壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，能大幅降低工作電壓。
附圖說明
[0023]圖1為本專利技術(shù)實施例總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為壓電振動器2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為多層壓電陶瓷矩形板21的內(nèi)部層間電極示意圖。
[0026]圖4為多層壓電陶瓷矩形板21的第一階彎曲B1振動模態(tài)振型示意圖。
[0027]圖5為直線超聲電機1的驅(qū)動電壓施加方法示意圖。
[0028]圖6為摩擦塊22的端部質(zhì)點在xy平面內(nèi)的橢圓運動軌跡示意圖。
[0029]圖7為外形尺寸30
×
7.5
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3.0mm的Pb(Zr,Ti)O3多層壓電陶瓷矩形板的振動模態(tài)B1，B2，L本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多層壓電陶瓷直線超聲電機，包括壓電振動器、保持壓電振動器穩(wěn)定的夾持機構(gòu)和滑動塊，滑動塊被導(dǎo)軌限定在某一方向上沿直線滑動，壓電振動器的一端設(shè)有摩擦塊，摩擦塊同滑動塊彈性接觸，其特征在于，所述壓電振動器包括多層壓電陶瓷矩形板，多層壓電陶瓷矩形板由多個壓電陶瓷片堆疊形成，一個壓電陶瓷片包括正面、背面兩個主表面，正面上覆蓋兩片第一電極，且該兩片第一電極在壓電陶瓷片寬度方向上相互不接觸的對稱設(shè)置；背面上完全覆蓋一整片第二電極；所述多個壓電陶瓷片以正面對正面、背面對背面的形式一正一反堆疊；壓電振動器通電時給所有壓電陶瓷片通電，每個壓電陶瓷片中只有一片第一電極與第二電極之間通電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層壓電陶瓷直線超聲電機，其特征在于，單片壓電陶瓷沿厚度方向極化。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多層壓電陶瓷直線超聲電機，其特征在于，壓電振動器通電時，驅(qū)動電源產(chǎn)生頻率接近于壓電振動器B1模態(tài)本征頻率的單相正弦交流電壓，激勵多層壓電陶瓷矩形板產(chǎn)生橫向彎曲振動；多層壓電陶瓷矩形板在電壓激勵下同時產(chǎn)生非共振的縱向伸縮振動。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多層壓電陶瓷直線超聲電機，其特征在于，附著在多層壓電陶瓷矩形板上的摩擦塊作橢圓軌跡運動，通過摩擦力驅(qū)動滑動塊作直線運動。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多層壓電陶瓷直線超聲電機，其特征在于，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的頻率來改變電機的輸出速度和推力。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層壓電陶瓷直線超聲電機，其特征在于，還設(shè)有抵靠壓電振動器與摩擦塊所在一端相對一端的彈簧，壓電振動器通過該彈簧產(chǎn)生的預(yù)壓力實現(xiàn)摩擦塊同滑動塊的彈性接觸。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層壓電陶瓷直線超聲電機，其特征在于，多個壓電陶瓷片堆疊成整體并通過陶瓷/金屬內(nèi)電極低溫共燒技術(shù)制備。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郭明森，
申請(專利權(quán))人：南京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：