壓電振子陣列及採用此陣列的平面三自由度的微動平臺的製作方法

2023-12-03 20:45:06 3

專利名稱：壓電振子陣列及採用此陣列的平面三自由度的微動平臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於超聲振動應用領域，具體涉及一種壓電振子陣列及採用此陣列的平面三自由度的微動平臺。
背景技術：
現今精確定位的微動臺的驅動方式有多種多樣，但是基本上可以概括為螺旋傳動驅動式和直接驅動式。螺旋傳動驅動中又由於所應用動力的不同分為手動、電磁馬達驅動及其他。由於螺旋傳動本身的缺陷，這些模式都普遍存在傳動精度低、響應速度慢、結構複雜等缺點。在超聲馬達出現之後，由於其具有響應速度快、體積小、無電磁幹擾等優點，被普遍應用到了微動機構中。目前壓電陶瓷電機的應用主要分為直線式超聲馬達和旋轉式超聲馬達，兩者分別可以實現精確的直線式運動和旋轉運動。在微動機構中旋轉式超聲馬達一般仍然採用螺旋傳動。這使得微動系統在響應時間上有一定損失，精度不高，且效率較低。目前的很多應用領域都要求微動臺能夠同時實現精確的直線運動和旋轉運動。對於這一要求現已存在的超聲馬達應用方式還不能很好的滿足。在微動臺結構上，目前的微動臺大多只能實現平面的直線運動而且結構複雜。

發明內容
為了使微動平臺能在同一平面內同時實現精確的直線運動和旋轉運動，本發明提供了一種壓電振子陣列及採用此陣列的平面三自由度的微動平臺。
本發明的壓電振子陣列由同一平面內的東、南、西、北四個方位的振子群構成，東、南、西、北四個振子群分別由至少一個正向條狀振子B1和至少一個反向條狀振子B2構成，構成南、北向振子群的各個條狀振子橫向放置並排成一列，構成東、西向振子群的各個條狀振子縱向放置並排成一行。所述正向條狀振子B1和反向條狀振子B2都由一個條形振動體2、至少兩個壓電陶瓷片1和至少兩組撥齒組3組成；在每個條狀振子中，多個壓電陶瓷片1依次相鄰排列並貼於條形振動體2的下表面，並且所述壓電陶瓷片1與條形振動體2同寬，所述壓電陶瓷片1的長度等於條形振動體2的固有頻率所確定波長的二分之一；所述正向條狀振子B1中條形振動體2上表面的相鄰兩組撥齒組3分別設置在此條形振動體2振動波長的八分之一和八分之五處，所述反向條狀振子B2中條形振動體2的上表面相鄰兩組撥齒組3分別設置在此條形振動體2振動波長的八分之三和八分之七處；每一組撥齒組3含有至少一個撥齒，並且在每個條狀振子的每一組撥齒組3中，多個撥齒沿條形振動體2的寬度方向排成一列。在正向條狀振子B1或反向條狀振子B2中，各個條狀振子下表面的壓電陶瓷片1的個數為二或二的整數倍，各個條狀振子上表面的撥齒組3的組數與壓電陶瓷片1的個數相等。所述撥齒高度為3.5～4.5毫米。對於每個條狀振子採用駐波驅動，即條形振動體2採用導電的彈性材料，將條形振動體2接地，然後對正向條狀振子B1和反向條狀振子B2下表面的相鄰兩個壓電陶瓷片1上施加相位相差180°的正弦電壓。
採用上述壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺由支架13、固定架、滾動架、支撐體6、載料臺7、受力板8、摩擦材料層9、壓電振子陣列10、底面支撐臺11和預壓力裝置12組成，固定架上相對的兩個側壁分別與支架13固定連接，並且所述兩個側壁與滾動架上相對的兩個側壁之間設有導軌，滾動架上另兩個側壁的內側與支撐體6上相對的兩個側壁之間設有導軌，所述導軌設置在同一平面內。所述載料臺7分為上部圓盤和下部轉動軸兩部分，所述載料臺7的上部圓盤嵌入所述支撐體6的上端面內，所述支撐體6的中心開有一個圓形通孔，所述載料臺7的下部轉動軸的下端通過支撐體6的圓形通孔與所述受力板8的上表面固定連接，所述受力板8的下表面塗附有摩擦材料層9，所述摩擦材料層9的下表面與壓電振子陣列10的各個撥齒的上表面相接觸，壓電振子陣列10的壓電陶瓷片一側與所述底面支撐臺11的上表面相接觸，所述預壓力裝置12是能給所述底面支撐臺11的下表面施加預壓力的機構。所述導軌可以採用雙v型滾珠導軌，如圖3所示。所述微動平臺的支撐體6和載料臺7之間可以應用軸承或者其他零件、結構實現無間隙、自由旋轉配合，所述載料臺7的上部圓盤可以與支撐體6無間隙同步水平運動、也可以相對其作自由旋轉。
工作原理單個壓電陶瓷片上下表面加正弦變化的電壓信號之後，由於壓電陶瓷的壓電效應，帶動振子以駐波形式上下振動，此時振動波形即相當於正弦波的半個波長的波形，所以在單個條狀振子上相鄰兩個壓電陶瓷片上施加相位差為180°的正弦電壓時，就可以在振子上產生一個完整的正弦駐波。由於駐波中各個質點在振動的整個過程中垂直方向的運動，並且振子在不同位置質點的振幅是不同的，所以條形振動體的上表面設置的一定高度和寬度的撥齒的軸線在運動過程中會伴隨有傾斜角度的變化，而這一傾角的變化與豎直方向的振動相結合就獲得了水平方向的速度分量，於是本發明通過撥齒與摩擦材料層的摩擦運動將水平方向的速度分量傳遞給載料臺。撥齒位於駐波波長的八分之一、八分之三、八分之五以及八分之七處時其軸線在振動過程中的傾角變化尤其明顯，因此將撥齒設置在這個位置可以增大摩擦力。如圖8和圖9所示，通過駐波波形可以看出，當撥齒位於駐波波長的八分之一和八分之五處時，正向條狀振子B1提供沿-X方向的摩擦力，而撥齒位於駐波波長的八分之三和八分之七處時，反向條狀振子B2提供沿+X方向的摩擦力。綜上可知，圖1中，當壓電振子陣列中位於南、北兩個方位的正向條狀振子B1同時工作時，微動平臺中載料臺7向西做橫向直線運動；當壓電振子陣列中位於南、北兩個方位的反向條狀振子B2同時工作時，微動平臺中載料臺7向東做橫向的直線運動；當壓電振子陣列中位於東、西兩個方位的正向條狀振子B1同時工作時，微動平臺中載料臺7向北做縱向的直線運動；當壓電振子陣列中位於東、西兩個方位的反向條狀振子B2同時工作時，微動平臺中載料臺7向南做縱向的直線運動；當壓電振子陣列中位於北和東兩個方位的反向條狀振子B2、位於西和南兩個方位的正向條狀振子B1同時工作時，微動平臺中載料臺7作順時針的旋轉運動；當壓電振子陣列中位於北和東兩個方位的正向條狀振子B1、位於西和南兩個方位的反向條狀振子B2同時工作時，微動平臺中載料臺7作逆時針的旋轉運動。
發明效果1)本發明提供了一種全新的驅動模式-壓電陶瓷陣列驅動以及與此驅動模式相適應的新型結構微動臺，它在同一平面內實現了精確的橫向、縱向和旋轉三自由度的運動。2)本發明提供的陣列式壓電陶瓷驅動模式綜合了直線式超聲馬達和旋轉式超聲馬達的優點，可以同時實現平面內三自由度運動的動力提供，而且由於是直接驅動微動臺，使得平臺響應速度進一步提高，運動更加精確。3)本發明提供的微動臺結構簡單，易操作。4)本發明使得壓電陶瓷優良特性有了全新方式的應用，在航空航天、醫療器械、智慧機器人、國防科技等方面有著廣闊的應用前景。


圖1是本發明的壓電振子陣列10下表面的壓電陶瓷片1的排列示意圖；圖2是本發明壓電振子陣列10中單個條狀振子的結構示意圖；圖3是圖2的A向視圖；圖4是本發明微動平臺的結構示意圖；圖5是本發明微動平臺的俯視圖；圖6是本發明中底面支撐臺11的結構示意圖；圖7是底面支撐臺11與陣列式壓電振子10的裝配示意圖；圖8是正向條狀振子B1的結構及其工作原理的示意圖；圖9是反向條狀振子B2的結構及其工作原理的示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一參見圖1至圖3、圖8和圖9，本具體實施方式
的壓電振子陣列由同一平面內的東、南、西、北四個方位的振子群構成，東、南、西、北四個振子群分別由一個正向條狀振子B1和一個反向條狀振子B2構成，構成南、北向振子群的各個條狀振子橫向放置並排成一列，構成東、西向振子群的各個條狀振子縱向放置並排成一行。所述正向條狀振子B1和反向條狀振子B2都由一個條形振動體2、四個壓電陶瓷片1和四組撥齒組3組成；在每個條狀振子中，四個壓電陶瓷片1依次相鄰排列並貼於條形振動體2的下表面，並且所述壓電陶瓷片1與條形振動體2同寬，所述壓電陶瓷片1的長度等於條形振動體2的固有頻率所確定波長的二分之一；所述正向條狀振子B1中條形振動體2上表面的相鄰兩組撥齒組3分別設置在此條形振動體2振動波長的八分之一和八分之五處，所述反向條狀振子B2中條形振動體2的上表面相鄰兩組撥齒組3分別設置在此條形振動體2振動波長的八分之三和八分之七處；如圖3所示，每一組撥齒組3含有三個撥齒，並且在每個條狀振子的每一組撥齒組3中，三個撥齒沿條形振動體2的寬度方向排成一列。所述撥齒的高度為3.5～4.5毫米。當對正向條狀振子B1和反向條狀振子B2下表面的相鄰兩個壓電陶瓷片1上施加相位相差180°的正弦電壓時，各個條狀振子提供圖1中實線箭頭所示方向的力。
具體實施方式
二參見圖1至圖3、圖8和圖9，採用具體實施方式
一所述的壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺由支架13、固定架、滾動架、支撐體6、載料臺7、受力板8、摩擦材料層9、壓電振子陣列10、底面支撐臺11和預壓力裝置12組成，固定架上相對的兩個側壁分別與支架13固定連接，並且所述兩個側壁與滾動架上相對的兩個側壁之間設有導軌，滾動架上另兩個側壁的內側與支撐體6上相對的兩個側壁之間設有導軌，所述導軌設置在同一平面內。所述載料臺7分為上部圓盤和下部轉動軸兩部分，所述載料臺7的上部圓盤嵌入所述支撐體6的上端面內，所述支撐體6的中心開有一個圓形通孔，所述載料臺7的下部轉動軸的下端通過支撐體6的圓形通孔與所述受力板8的上表面固定連接，所述受力板8的下表面塗附有摩擦材料層9，所述摩擦材料層9的下表面與壓電振子陣列10的各個撥齒的上表面相接觸，壓電振子陣列10的壓電陶瓷片一側與所述底面支撐臺11的上表面相接觸，所述預壓力裝置12是能給所述底面支撐臺11的下表面施加預壓力的機構。所述導軌可以採用雙v型滾珠導軌，如圖3所示。所述微動平臺的支撐體6和載料臺7之間可以應用軸承或者其他零件、結構實現無間隙、自由旋轉配合，所述載料臺7的上部圓盤可以與支撐體6無間隙同步水平運動、也可以相對其作自由旋轉。上述壓電振子陣列10中的每個條狀振子採用駐波驅動方式，即條形振動體2採用導電的彈性材料，從條形振動體2的上表面引出一根導線並將其接地，然後從每個壓電陶瓷片1的下表面各引出一根導線，最後使每個條狀振子下表面的相鄰兩個壓電陶瓷片1上通以相位相差180°的正弦電壓。
具體實施方式
三參見圖4至圖7，本具體實施方式
與具體實施方式
二的不同點在於所述底面支撐臺11為一個十字形板，所述十字形板的四個外伸端的上表面開有長槽11-2，所述長槽11-2的深度為1.5～2.5毫米，所述十字形板中心部分的上表面開有一個矩形槽11-1，所述十字形板的中心部分的下表面有一凸出的軸11-3。所述十字形板的四個外伸端的上表面槽沿分別支撐著所述壓電振子陣列10的東、南、西、北四個振子群，如圖7所示，所述十字形板的四個外伸端的上表面槽沿與正向條狀振子B1或反向條狀振子B2的陶瓷片一側相接觸，並且所述十字形板的上表面兩個槽沿分別插入到各個條狀振子下表面的相鄰兩個陶瓷片1之間的間隙中。上述長槽11-2的寬度由列式壓電振子10的分區決定。其他組成和連接關係與具體實施方式
二相同。將底面支撐臺製作成帶槽的十字形板，方便了給壓電陶瓷片1通電，並且給壓電陶瓷片1產生駐波提供了一定的空間。
具體實施方式
四參見圖4至圖7，本具體實施方式
與具體實施方式
三的不同點在於所述預壓力裝置12由中心帶有螺紋通孔的底板12-1和調節螺釘12-2組成，所述底板12-1與所述支架13通過緊固件固定連接，所述調節螺釘12-2與所述底板12-1的中心螺紋通孔螺紋連接，並且所述調節螺釘12-2的中心開有一個盲孔，所述十字形板下表面的軸11-3插入到此盲孔內，在軸11-3的下端面與盲孔底部之間設有一彈簧12-3。軸11-3插入調節螺釘12-2的盲孔中與其間隙配合，並壓縮彈簧12-3，這樣在旋轉調節螺釘12-2的時候，彈簧12-3施加在軸11-3的壓力就會加大，從而加大預壓力。其他組成和連接關係與具體實施方式
三相同。當旋轉調節螺釘使其向上運動時就會增大預壓力裝置12對底面支撐臺11的壓力，繼而增大振子撥齒與摩擦材料層之間的壓力。
具體實施方式
五參見圖4和圖5，本具體實施方式
與具體實施方式
二的不同點在於支架13分為左側和右側支架兩部分，左側和右側支架均為折成直角的平板，左側和右側支架的一個直角邊垂直放置。其他組成和連接關係與具體實施方式
二相同。維持支架的垂直度有利於保證微動平臺的水平度。
具體實施方式
六參見圖4和圖5，本具體實施方式
與具體實施方式
五的不同點在於所述固定架由第一半閉矩形架4-1和縱嚮導軌條4-2兩部分組成，所述第一半閉矩形架4-1隻有三邊且水平放置，所述第一半閉矩形架4-1上與開口側相對的一邊與左側支架的垂直直角邊固定連接並且此邊上設有V形導軌；縱嚮導軌條4-2的兩端分別固定在第一半閉矩形架4-1開口側的兩邊上，縱嚮導軌條4-2的內側壁面向第一半閉矩形架4-1上的V形導軌且此內側壁上發有V形導軌，縱嚮導軌條4-2的外側壁與右側支架的垂直直角邊固定連接。其他組成和連接關係與具體實施方式
五相同。當縱嚮導軌條4-2的外側壁與右側支架的垂直直角邊通過調節螺釘連接時，通過調節螺釘可以調節兩個V形縱嚮導軌之間的距離，使得載料臺7可以與支撐體6無間隙同步水平運動。
具體實施方式
七參見圖4和圖5，本具體實施方式
與具體實施方式
六的不同點在於所述滾動架由第二半閉矩形架5-1和橫嚮導軌條5-2兩部分組成，所述第二半閉矩形架5-1也只有三邊且水平放置，所述第二半閉矩形架5-1上與開口側相對的一邊的內壁設有V形導軌，所述第二半閉矩形架5-1的另兩邊的外壁設有V形導軌且此外壁的V形導軌分別通過滾動體14與第一半閉矩形架4-1和縱嚮導軌條4-2的V形導軌滑動連接；所述橫嚮導軌條5-2的兩端分別固定在所述第二半閉矩形架5-1開口側的兩邊上，橫嚮導軌條5-2的內側壁面向第二半閉矩形架5的V形導軌且此內側壁上設有V形導軌；所述支撐體6是橫截面為矩形的四稜柱，在支撐體6相對的兩個側表面上分別設有V形導軌，所述支撐體6的V形導軌分別通過滾動體14與第二半閉矩形架5-1和橫嚮導軌條5-2的V形導軌滑動連接。其他組成和連接關係與具體實施方式
六相同。滾動架不僅作為縱嚮導軌的滾動部分，還作為橫嚮導軌的固定部分，於是水平的橫向和縱向運動集中到了一個水平面內。滾動架也由兩部分組成，方便安裝與拆卸，便於調節橫嚮導軌之間的距離，使得載料臺7可以與支撐體6無間隙同步水平運動。
權利要求
1.壓電振子陣列，其特徵在於所述壓電振子陣列由同一平面內的東、南、西、北四個方位的振子群構成，東、南、西、北四個振子群分別由至少一個正向條狀振子(B1)和至少一個反向條狀振子(B2)構成，構成南、北向振子群的各個條狀振子橫向放置並排成一列，構成東、西向振子群的各個條狀振子縱向放置並排成一行；所述正向條狀振子(B1)和反向條狀振子(B2)都由一個條形振動體(2)、至少兩個壓電陶瓷片(1)和至少兩組撥齒組(3)組成；在每個條狀振於中，多個壓電陶瓷片(1)依次相鄰排列並貼於條形振動體(2)的下表面，並且所述壓電陶瓷片(1)與條形振動體(2)同寬，所述壓電陶瓷片(1)的長度等於條形振動體(2)的固有頻率所確定波長的二分之一；所述正向條狀振子(B1)中條形振動體(2)上表面的相鄰兩組撥齒組(3)分別設置在此條形振動體(2)振動波長的八分之一和八分之五處，所述反向條狀振子(B2)中條形振動體(2)的上表面相鄰兩組撥齒組(3)分別設置在此條形振動體(2)振動波長的八分之三和八分之七處；每一組撥齒組(3)含有至少一個撥齒，並且在每個條狀振子的每一組撥齒組(3)中，多個撥齒沿條形振動體(2)的寬度方向排成一列。
2.根據權利要求1所述的壓電振子陣列，其特徵在於在正向條狀振子(B1)或反向條狀振子(B2)中，各個條狀振子下表面的壓電陶瓷片(1)的個數為二或二的整數倍，各個條狀振子上表面的撥齒組(3)的組數與壓電陶瓷片(1)的個數相等。
3.根據權利要求1所述的壓電振子陣列，其特徵在於所述撥齒高度為3.5～4.5毫米。
4.採用權利要求1所述的壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺，其特徵在於所述微動平臺由支架(13)、固定架、滾動架、支撐體(6)、載料臺(7)、受力板(8)、摩擦材料層(9)、壓電振子陣列(10)、底面支撐臺(11)和預壓力裝置(12)組成，固定架上相對的兩個側壁分別與支架(13)固定連接，並且所述兩個側壁與滾動架上相對的兩個側壁之間設有導軌，滾動架上另兩個側壁的內側與支撐體(6)上相對的兩個側壁之間設有導軌，所述導軌設置在同一平面內；所述載料臺(7)分為上部圓盤和下部轉動軸兩部分，所述載料臺(7)的上部圓盤嵌入所述支撐體(6)的上端面內，所述支撐體(6)的中心開有一個圓形通孔，所述載料臺(7)的下部轉動軸的下端通過支撐體(6)的圓形通孔與所述受力板(8)的上表面固定連接，所述受力板(8)的下表面塗附有摩擦材料層(9)，所述摩擦材料層(9)的下表面與壓電振子陣列(10)的各個撥齒的上表面相接觸，壓電振子陣列(10)的壓電陶瓷片一側與所述底面支撐臺(11)的上表面相接觸，所述預壓力裝置(12)是能給所述底面支撐臺(11)的下表面施加預壓力的機構。
5.根據權利要求4所述的採用權利要求1所述的壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺，其特徵在於所述導軌採用雙v型滾珠導軌。
6.根據權利要求4所述的採用權利要求1所述的壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺，其特徵在於所述底面支撐臺(11)為一個十字形板，所述十字形板的四個外伸端的上表面開有長槽(11-2)，所述十字形板的中心部分的上表面開有一個矩形槽(11-1)，所述十字形板的中心部分的下表面有一凸出的軸(11-3)。
7.根據權利要求6所述的採用權利要求1所述的壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺，其特徵在於所述長槽(11-2)的深度為1.5～2.5毫米。
8.根據權利要求4或5所述的採用權利要求1所述的壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺，其特徵在於支架(13)分為左側和右側支架兩部分，左側和右側支架均為折成直角的平板，左側和右側支架的一個直角邊垂直放置；所述固定架由第一半閉矩形架(4-1)和縱嚮導軌條(4-2)兩部分組成，所述第一半閉矩形架(4-1)只有三邊且水平放置，所述第一半閉矩形架(4-1)上與開口側相對的一邊與左側支架的垂直直角邊固定連接並且此邊上設有V形導軌；縱嚮導軌條(4-2)的兩端分別固定在第一半閉矩形架(4-1)開口側的兩邊上，縱嚮導軌條(4-2)的內側壁面向第一半閉矩形架(4-1)上的V形導軌且此內側壁上設有V形導軌，縱嚮導軌條(4-2)的外側壁與右側支架的垂直直角邊固定連接；所述滾動架由第二半閉矩形架(5-1)和橫嚮導軌條(5-2)兩部分組成，所述第二半閉矩形架(5-1)也只有三邊且水平放置，所述第二半閉矩形架(5-1)上與開口側相對的一邊的內壁設有V形導軌，所述第二半閉矩形架(5-1)的另兩邊的外壁設有V形導軌且此外壁的V形導軌分別通過滾動體(14)與第一半閉矩形架(4-1)和縱嚮導軌條(4-2)的V形導軌滑動連接；所述橫嚮導軌條(5-2)的兩端分別固定在所述第二半閉矩形架(5-1)開口側的兩邊上，橫嚮導軌條(5-2)的內側壁面向第二半閉矩形架(5)的V形導軌且此內側壁上設有V形導軌；所述支撐體(6)是橫截面為矩形的四稜柱，在支撐體(6)相對的兩個側表面上分別設有V形導軌，所述支撐體(6)的V形導軌分別通過滾動體(14)與第二半閉矩形架(5-1)和橫嚮導軌條(5-2)的V形導軌滑動連接。
9.根據權利要求6所述的採用權利要求1所述的壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺，其特徵在於所述預壓力裝置(12)由中心帶有螺紋通孔的底板(12-1)和調節螺釘(12-2)組成，所述底板(12-1)與所述支架(13)通過緊固件固定連接，所述調節螺釘(12-2)與所述底板(12-1)的中心螺紋通孔螺紋連接，並且所述調節螺釘(12-2)的中心開有-個盲孔，所述十字形板下表面的軸(11-3)插入到此盲孔內，在軸(11-3)的下端面與盲孔底部之間設有一彈簧(12-3)。
10.根據權利要求6所述的採用權利要求1所述的壓電振子陣列的平面三自由度的微動平臺，其特徵在於所述壓電振子陣列(10)中的每個條狀振子採用駐波驅動方式。
全文摘要
壓電振子陣列及採用此陣列的平面三自由度的微動平臺，它屬於超聲振動應用領域，它解決了微動平臺能在同一平面內同時實現精確的直線運動和旋轉運動的問題。本發明的壓電振子陣列由同一平面內的東、南、西、北四個方位的振子群構成，上述四個振子群分別由至少一個正向條狀振子(B1)和至少一個反向條狀振子(B2)構成，所述正向條狀振子(B1)上的相鄰兩組撥齒組(3)分別設置在此條形振動體(2)振動波長的八分之一和八分之五處，所述反向條狀振子(B2)上的相鄰兩組撥齒組(3)分別設置在此條形振動體(2)振動波長的八分之三和八分之七處。採用此陣列的微動平臺可以在同一平面內實現三個自由度的運動，且提高了微動臺的響應速度和運動精度。
文檔編號B06B1/06GK1819433SQ20061000981
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月15日 優先權日2006年3月15日
發明者曲建俊, 韓飛, 鮑春雨, 何雁彬, 程小軍 申請人:哈爾濱工業大學