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

【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于克服上述問題，提出了一種結構簡單緊湊的小型二自由度超聲 電機W及提出了其驅動方法，實現了采用一個電機即可驅動平臺的平面運動。
[0006] 本發明提供的微型二自由度平面運動超聲電機，包括壓電陶瓷定子、滑動塊、一個 彈性預壓力裝置，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沿軸 向Z方向的第一階長度伸縮模態^和沿X方向的第二階彎曲振動模態B2X，W及沿Y方向的第 四階彎曲振動模態B4Y; W上所述的=種振動模態的共振頻率具有W下關系:Ll模態與B2X模 態具有相等的共振頻率，B4Y模態共振頻率是^模態共振頻率的兩倍。
[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，并且根據電機控制模態的需要壓電陶瓷棒側表 面刷有金屬電極，壓電陶瓷薄片表面電極與壓電陶瓷棒側面電極導通。
[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燒結處理為一體或者通過粘接成一整體。
[0010] 本發明采用W上技術方案與現有技術相比，具有W下技術效果： 本發明提供的一種二自由度壓電超聲電機及其驅動方法，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階彎曲振動模態瀉細、橫向Y方向的第4階彎曲振動模態 務^的共振頻率具有W下關系奪察二餐胃。壓電陶瓷定子同時激發出L.1模態和 模態時，在定子端部的摩擦頭上能產生XZ面內的楠圓運動，驅動與摩擦頭接觸的滑動塊沿X 方向運動;壓電陶瓷定子同時激發模態和Say模態時，在定子端部的摩擦頭上能產生YZ平 面內的"8"字型運動，驅動與摩擦頭接觸的滑動塊沿Y方向運動，同時激發出運S個模態即 可實現滑動塊在XY平面內任意方向的平移運動。
【附圖說明】
[0011] W下將結合附圖對本發明作進一步說明： 圖1為本發明提供的二自由度平面運動超聲電機結構示意圖； 圖2為電機定子的結構示意圖； 圖3、圖4為電機定子夾持方式示意圖； 圖5為壓電陶瓷定子的結構示意圖； 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示意圖； 其中，1-超聲電機、2-定子、3-滑動塊、4-彈性預壓力裝置、5-電機外殼底部； 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、右四個側面。
【具體實施方式】
[0012] 本發明提供一種二自由度壓電超聲電機，為使本發明的目的、技術方案及效果更 加清楚明確，W及參照附圖并舉實例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具 體實施僅用W解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0013] 由圖1可見:所示的二自由度平面運動超聲電機1，包括定子2、滑動塊3、一個彈性 預壓力裝置4。其中定子2結構如圖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。通過彈性預壓