壓電超聲微馬達精密驅動的二維微動臺的製作方法

2023-06-09 08:54:11 1

專利名稱：壓電超聲微馬達精密驅動的二維微動臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於精密自動控制與微細操作技術領域。
傳統的二維微動臺，通常採用手動微調旋扭調節。當這種微動臺用於某些控制，如雷射諧振腔調節系統時，則手動操作存在許多不足，如手對微調器的作用力，影響調節精度，並且可重複性差。在一些複雜的光學系統中，還需要打開儀器外殼才能進行調節，不僅不方便，而且對雷射器的性能有不良的影響。
用配有減速器的微型電磁馬達可以用於二維微動臺的驅動，但由於其體積大，系統複雜，操作空間大，在一些空間受限制的場合，使用受到限制。美國New Focus公司發明的「桌布」原理的壓電陶瓷致動器，具有體積小，精度高，使用較方便，但是壽命受其工作方式的影響，並且其製造精度要求高，壓電致動器與微調旋扭彼此不是獨立元件，而是一對摩擦付，互相配合才能工作，對裝配精度以及驅動電源要求很高，造價昂貴。
本發明的目的在於為克服已有技術的不足之處，採用一對微型壓電超聲馬達直接驅動微動臺的兩個微調旋扭，使其具有更簡單的結構，更小的體積，以及精度高，空程小，壽命長，帶負載能力強，極高的位移分辯率，和造價低等優點。
本發明提出一種壓電超聲微馬達驅動的二維微動臺，包括一組用彈簧螺釘相連的可相對移動的第一、第二塊板，在二塊板適當位置處設置有結構相同的第一、第二個帶有中心孔的微調旋扭，其特徵在於還包括結構相同的第一、第二壓電超聲微馬達，所說的二個微馬達的輸出軸分別插入第一、第二微調旋扭的中心孔中構成傳動件。
本發明所述的馬達與微調旋扭連接結構有兩種方式，第一種方式為所說的一種壓電超聲微馬達驅動的二維微動臺，其特徵在於，所說的第一塊板上連有分別支撐第一、第二微馬達的二個馬達固定座，所說的微馬達的輸出軸開有一段軸向溝槽，所說的微調旋扭上端部開有一銷孔，一銷釘通過微調旋扭的銷孔插入微馬達輸出軸的溝槽內，使微馬達輸出軸與微調旋扭配合構成傳動件。
第二種方式為所說的第一塊板上設置二個具有導向與防止馬達轉動功能的杆，稱為導向杆，所說的第一、第二微馬達下端部固定一聯接板，該聯接板一端有一配合孔，所說的導向杆恰穿過配合孔，所說的微馬達的輸出軸插入微調旋扭的中心孔內，通過微調旋扭上端部的螺釘，將輸出軸與微調旋軸緊固在一起。
本發明所說的微馬達包括中心軸及套於軸上的定子和轉子，所說的定子由上、下匹配塊及緊壓於上、下匹配塊之中的壓電陶瓷環片構成，所說的上匹配塊為波紋管，所說的轉子緊壓於所說的波紋管的上端部；所說的定子的上、下兩端內壁置有一對軸承，所說的中心軸置於兩軸承之中，所說的轉子通過壓力機構與所說的中心軸緊配合，轉子帶動中心軸輸出力矩。
本發明微動臺採用的驅動元件是一種具有獨立結構的小體積、低速、高解析度特性的自由彎曲振動模式的壓電超聲微馬達，這種微動臺與傳統的手動微調旋扭的方式相比，其可靠性、分辯率大為提高；該微動臺與配有減速器的微型電磁馬達做為驅動元件的微動臺相比，其結構簡單，體積大為減小，與微調旋扭的裝配容易、工作穩定，特別適用於體積小、空間、重量都受限制的各種應用場合，具有很強的實用性。
附圖簡要說明

圖1為本發明實施例之一的結構示意圖。
圖2為本發明實施例之一微馬達與微調旋扭裝配示意圖。
圖3為本發明實施例之二結構示意圖。
圖4為本發明實施例採用的壓電超聲馬達結構示意圖。
本發明設計出二種結構的二維微動臺的實施例，其結構如圖1～圖4所示，結合附圖詳細說明如下本發明設計出採用上述微馬達的二維微動臺的第一種結構實施例。如圖1、2所示。圖1為微動臺的整體結構立體示意圖。圖中，101、102為二個壓電超聲微馬達；211、212為二個固定微馬達的固定座；221、222為一對細牙螺杆構成的微調旋扭；23、24為可相對移動的板，當將下板24固定時，該板為固定板，上板23為可動板；反之亦然。微調旋扭221、222置入可動板23上相應的細牙螺孔中，微馬達101、102分別與微調旋扭221、222同軸相連；上、下二板之間的套於螺釘27上的一組拉力彈簧25保持上、下板處於適當予緊力狀態。置設在二板一角處的滾珠26與二個微調旋扭221、222構成二個板的三個受力點。二個壓電微馬達101、102通過固定座211、212固定於可動板23上，微馬達的輸出軸驅動微調旋扭作微小角度旋轉，再通過旋扭的細牙螺紋帶動可動板23作二維精密運動。
圖2為實施例一的側面剖示圖。圖中可更清楚地展示微動馬達101與可動板23及微調旋扭221的連接關係。(另一馬達102的連接關係完全相同)。其中，套於外殼1010中的微馬達101的輸出軸11穿過固定座211對應孔插入微調旋扭221的中心軸孔之中，固定座用螺釘分別與微馬達和可動板23固接。微調旋扭擰入可動板的細牙螺孔中，其底部有一滾珠2210與固定板接觸。微馬達輸出軸11上開有一槽溝110，微調旋扭221上端部開有一銷孔，一銷釘2211，穿過銷孔正好插入馬達輸出軸的槽溝110中，銷釘起傳動作用，使馬達輸出軸能帶動微調旋扭旋轉，同時允許旋扭在軸向方向上下運動，另一方面，伸出旋扭外面的一端，銷釘還可起限位作用，防止旋扭與馬達輸出軸脫離。
本發明的第二種實施例結構如圖4所示。
實施例二與實施例一的不同之處在於微馬達101與可動板23和微調旋扭221的連接關係不同。本實施例中，微馬達的輸出軸11插入微調旋扭221的中心孔中通過緊固螺釘2212與旋扭緊固在一起。微馬達下端部同一聯接板4相連，聯接板的另一端有一配合孔41套在一導向杆5上，在馬達的旋轉方向上與其吻合很好。導向杆5螺合於可動板23上。當馬達輸出軸輸出力矩驅動旋扭轉動時，該導向杆起力矩支點作用，同時限制馬達與旋扭一起只能沿此杆上、下運動而不能轉動。微調旋扭221下端裝有防脫檔圈2213可防止旋扭外旋過頭，脫離移動板之外。
上述二個實施例均具有體積小、結構簡單、成本低，以及直接驅動、精度高、分辯率高等特點，當無信號輸入時，馬達輸出軸自鎖，因而二微調旋扭也被鎖住，使其不但調節精度高，而且穩定、可靠。
上述兩實施例採用的微馬達結構如圖4所示，該馬達由定子30，轉子31，中心軸32及壓力機構34所組成。其中定子30由放大彎曲振動振幅的波紋管301，產生彎曲振動的機電換能元件，二對壓電陶瓷環片302，與波紋管相連並將壓電陶瓷環片緊壓其中的下匹配塊303構成一個夾心式自由彎曲振動模式驅動定子。下匹配塊303是由一帶中心通孔的圓柱3031和與之聯成一體的也帶中心通孔的予緊螺杆3032構成，螺杆3032與波紋管301下端部螺孔配合聯接，將套於予緊螺杆上的壓電陶瓷環302壓緊，絕緣套3021起絕緣作用。
定子的下匹配塊下端部內和波紋管上端部內部安裝一對軸承331，332，中心軸通過上、下軸承起到定軸心作用，再通過壓力機構與轉子緊配合，轉子可驅動中心軸產生力矩輸出。波紋管的上端面切有一組槽3011，構成馬達定子的波動輸出面，槽3011的作用是放大彎曲波動振幅和增加定子，轉子之間的摩擦效果，提高力矩輸出。依靠波動和摩擦來驅動轉子時，在輸出面會因摩擦損耗出現一些細小顆粒，槽3011的另一個作用是充許這些顆粒落入槽中，從而改善馬達運轉的平穩性。馬達脈衝步進工作時，可獲得低速和約12Nm的位移解析度，馬達連續運轉時，則可獲得約0.6mm/s較快的位移速度。
本實施例的主要參數及性能指標如下
1、微動臺最小位移步距驅動微動臺的二個壓電微馬達，受單片機指令控制。指令馬達分別以每步運行時間150μs，200μs驅動微動臺，測試結果如下a，每步步距運行時間150μs無負載運行步數10；測試得到的總位移；0.14μm；位移步距0.014μm。
b，每步步距運行時間200μs無負載運行步數10；測試得到的總位移0.20μm；位移步距0.02μm。
1000gf負載下運行步數10；測試得到的總位移0.20μm；位移步距0.02μm。
2、壓電超聲微馬達性能測試壓電微馬達外形尺寸為圓柱型，直徑φ15mm，長30mm，工作頻率35MHz；a，馬達空載轉速71.4轉/分；b，馬達最大力矩550gf.cmc，馬達最小角分辯率已測得微動臺最小位移步距0.014μm；微動臺的微調旋扭螺距0.5mm。
馬達最小角分辯率＝最小位移步距(μm)×360/500(μm)＝0.010°。
權利要求
1.一種壓電超聲微馬達驅動的二維微動臺，包括一組用彈簧螺釘相連的可相對移動的第一、第二塊板，在二塊板適當位置處設置有結構相同的第一、第二個帶有中心孔的微調旋扭，其特徵在於還包括結構相同的第一、第二壓電超聲微馬達，所說的二個微馬達的輸出軸分別插入第一、第二微調旋扭的中心孔中，與微調旋扭配合構成傳動件。
2.如權利要求1所說的一種壓電超聲微馬達驅動的二維微動臺，其特徵在於，所說的第一塊板上連有分別支撐第一、第二微馬達的二個馬達固定座，所說的微馬達的輸出軸開有一段軸向溝槽，所說的微調旋扭上端部開有一銷孔，一銷釘通過微調旋扭的銷孔插入微馬達輸出軸的溝槽內，使微馬達輸出軸與微調旋扭配合構成傳動件。
3.如權利要求1所說的一種壓電超聲微馬達驅動的二維微動臺，其特徵在於，所說的第一塊板上設置二個限止轉動和導向作用的導向杆，所說的第一、第二微馬達下端部固定一聯接板，該聯接板一端有一配合孔套在所說導向杆上，所說的微馬達輸出軸插入微調旋扭中心孔內，通過微調旋扭上端的螺釘，將輸出軸與旋扭緊固在一起。
4.如權利要求2或3所說的一種壓電超聲微馬達驅動的二維微動臺，其特徵在於，所說的微馬達包括中心軸及套於軸上的定子和轉子，所說的定子由上、下匹配塊及緊壓於上、下匹配塊之中的壓電陶瓷環片構成，所說的上匹配塊為波紋管，所說的轉子緊壓於所說的波紋管的上端部，其特徵在於所說的定子的上、下兩端內壁置有一對軸承，所說的中心軸置於兩軸承之中，所說的轉子與所說的中心軸通過壓力機構緊配合。
全文摘要
本發明屬於精密自動控制與微細操作領域。本發明包括一組用彈簧螺釘相連的可相對移動的第一、第二塊板,在二塊板適當位置處設置有第一、第二個帶有中心孔的微調旋鈕,還包括的第一、第二壓電超聲微馬達,二個微馬達的輸出軸分別插入兩個微調旋鈕的中心孔中,與微調旋鈕配合直接驅動微動臺的兩個微調旋鈕,具有結構簡單、體積小、精度高、空程小、帶負載能力強等特點。
文檔編號G05D27/02GK1174345SQ9711180
公開日1998年2月25日 申請日期1997年6月20日 優先權日1997年6月20日
發明者董蜀湘, 邱海波, 王樹昕, 李龍土 申請人:華陽實業集團公司, 清華大學