多足直线压电驱动器与工作台 【技术领域】
本发明属于微电子技术领域的微型驱动器范围，特别涉及将驱动器多个足底的椭圆振动累积叠加为宏观直线运动的一种多足直线压电驱动器与工作台。
背景技术
压电超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的超声振动，通过结构设计，将这种振动累积叠加成为驱动体的宏观运动。如果驱动器宏观运动为旋转运动则为旋转电机，如果驱动体运动为直线则称为直线电机。压电超声电机具有精度高、惯性小、响应快、断电自锁、能量密度大、不受电磁干扰等诸多优点。迄今为止它已广泛用于光学工程、超精密加工、微型机电系统、航空航天等诸多领域。
目前压电直线驱动器的研究非常广泛，但是许多问题目前都没有真正的得到解决。其一，由于边界条件的变化会导致弹性体的振动模态发生变化，加上大多数驱动器的形状不规则，因此多数压电驱动器的安装不方便。其二，外力的增加必然导致驱动器的振动模态发生变化，因此驱动器的推力不大。其三，驱动器靠定子和动子之间的摩擦力来传递运动，一般需要额外的预紧装置，而且由于摩擦带来的磨损和温度上升将会导致驱动器的精度下降和寿命降低。其四，驱动器靠压电陶瓷和弹性体的超声振动工作，空气阻尼、晶格变形能、摩擦损耗等都会极大的增加损耗，因此压电驱动器能量转换效率低下。
【发明内容】
本发明的目的是针对现有驱动器推力不足、温升过快、安装不便等问题，而提出一种多足直线压电驱动器与工作台。其特征在于，所述多足直线压电驱动器是在长方体基板上伸出方形驱动足，其结构呈梳状，在驱动足侧面粘接方形压电陶瓷片，所有驱动足的端面在一个平面上；压电陶瓷片沿厚度方向极化，将电信号引入压电陶瓷片的电极面，会同时激发驱动足一阶伸缩振动和一阶或二阶弯曲振动，两种振动的耦合作用使得驱动足底面质点做椭圆运动，这种椭圆运动累积叠加实现驱动器的直线运动。
所述基板按用户要求做成矩形、方形、圆形或椭圆形。
所述驱动足数量为偶数个，采用两两一组的结构形式，所有驱动足的端面在一个平面上。组内足之间可相互独立或用横梁连接。
所述各组驱动足结构相同。
在同一组驱动足内，一个足上压电陶瓷片极化方向为相向，另一个足上压电陶瓷片极化方向为相背；若组内两足间设有横梁，则横梁上也需粘接压电陶瓷片，且其极化方向为相向或相背。
所述压电陶瓷片的电极表面引入电信号后，会激发驱动足一阶伸缩振动和一阶或二阶弯曲振动，使得驱动足底面质点做椭圆振动，且组内的两驱动足的底面质点振动相位相差90°，通过这种椭圆运动的累积叠加而实现驱动器的直线运动。
所述基板和驱动足采用一体结构或采用分别加工后再装配；
所述基板和驱动足的材料相同或不同，采用铜合金、铝合金、不锈钢、钛合金、ABS、丙烯酸、适于半导体加工的硅材。
所述压电陶瓷采用磁致伸缩材料、电致伸缩材料、人工肌肉或形状记忆合金。
一种使用多足直线压电驱动器驱动的工作台，其特征在于，工作台定子9安装在基座6上；驱动器座13安装在工作台动子10上；驱动器5的基板1安装在驱动器座13上，驱动器5的驱动足底面与导轨面7配合；安装在驱动器座13上的预紧螺钉12提供驱动足底面与导轨面7预紧力；光栅尺8安装在基座6上，光栅头11安装在驱动器座13上，光栅尺8和光栅头11为控制系统提供工作台的精确位置，实现对工作台闭环控制。
本发明具有以下优点：
本发明采用在基板上安装梳状形式的驱动足，结构非常简单，基板可按用户要求做成任何形式，故安装非常方便。压电陶瓷片采用薄方形并沿厚度方向极化，因此不但方便装配且成本较低。由于采用多足驱动的形式，驱动力将成倍的增大。压电陶瓷片与空气接触面积大，有利于散热，多次长时间的试验表明驱动器无明显的温升。
【附图说明】
图1为本发明实施方式一的结构示意图。
图2为本发明实施方式一的压电陶瓷片布置与电压加载方式示意图。
图3为本发明实施方式一的工作原理示意图。
图4为本发明实施方式二的结构示意图。
图5为本发明实施方式二的压电陶瓷片布置与电压加载方式示意图。
图6为本发明实施方式二的工作原理示意图。其中图6a所示为B相驱动电压激起的横梁一阶伸缩振动；图6b所示为A相的驱动电压激起的驱动足的一阶伸缩振动。
图7为本发明应用于精密工作台的实例，其中图7a为工作台爆炸图；图7b为工作台装配图。
图中标号及符号说明：
1.基板，21.第一驱动足，22..第二驱动足，23，.第三驱动足，24..第四驱动足，31..第一压电陶瓷片，32.第二压电陶瓷片，33.第三压电陶瓷片，34.第四压电陶瓷片，35.第五压电陶瓷片，36.第六压电陶瓷片，37.第七压电陶瓷片，38.第八压电陶瓷片，309第一横梁上压电陶瓷片，310第一横梁下压电陶瓷片，311第二横梁上压电陶瓷片，312.第二横梁下压电陶瓷片，401.第一横梁，402.第二横梁，5.多足直线压电驱动器，6.基座，7.导轨面。8光栅尺，9.工作台定子，10工作台动子，11光栅头，12预紧螺栓，13.驱动器座，C1.第一椭圆振动，C2.第二椭圆振动，C3.第三椭圆振动，C4.第四椭圆振动 P.第一足底质点，Q.第二足底质点，R.第三足底质点，S.第四足底质点；
【具体实施方式】
本发明提出一种多足直线压电驱动器与工作台。下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施方式一
如图1、3、4所示的多足直线压电驱动器的结构呈梳状，在长方体基板1上伸出方形的第一驱动足21，第二驱动足22，第三驱动.足23和第四驱动足24；驱动足数量为4个分为两组，每个组内两个足之间相互独立。在第一驱动足21侧面粘接方形地第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32，在第二驱动足22侧面粘接方形的第三压电陶瓷片33和.第四压电陶瓷片34；在第三驱动.足23侧面粘接方形的第五压电陶瓷片35和第六压电陶瓷片36；在第四驱动足24侧面粘接方形的第七压电陶瓷片37和第八压电陶瓷片38；
如图2所示，箭头表示极化方向。同一组内，一个足上两侧的压电陶瓷片采用极化方向相向方式布置，另一个足上两侧的压电陶瓷片采用极化方向相背方式布置。如图中第一驱动足21两侧的第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32采用极化方向相向方式布置；第二驱动足22两侧的第三压电陶瓷片33和.第四压电陶瓷片34采用极化方向相背的方式布置。同样，在第三驱动.足23侧面粘接方形的第五压电陶瓷片35和第六压电陶瓷片36采用极化方向相向方式布置；在第四驱动足24侧面粘接方形的第七压电陶瓷片37和第八压电陶瓷片38采用极化方向相背方式布置；电压分为A相和B相交流电压，它们的幅值和频率相同，相位相差90°。若A相的相位超前于B向90°，则驱动器将朝一个方向运动。相反若A相的相位滞后于B相90°，则驱动器将向相反方向运动。
如图3所示，在交流电压A相、B相共同作用下，压电陶瓷片同时激起了驱动足的一阶伸缩振动模态和二阶弯曲振动模态，这使得驱动器第一足底质点P作第一椭圆振动C1、第二足底质点Q作第二椭圆振动C2。由于一组内的两驱动足上的压电陶瓷片极化方向布置完全相反，故第一椭圆振动C1与第二椭圆振动C2相位相差180°，这使得该振动能够累积叠加，从而实现直线运动。
实施方式二
如图4所示，与实施方式一不同的是：驱动器第一组的第一驱动足21和第二驱动足22由第一横梁401连接，第二组的第三驱动足23和第四驱动足24由第二横梁402连接；第一横梁401的侧面贴有第一横梁上压电陶瓷片309和第一横梁下压电陶瓷片310，第二横梁402的侧面贴有第二横梁上压电陶瓷片311和第二横梁下压电陶瓷片312。
如图5所示，箭头表示极化方向。在一组驱动足内，第一驱动足21两侧的第一压电陶瓷片31和第二压电陶瓷片32的极化方向相向，第一横梁401的侧面贴有第一横梁上压电陶瓷片309和第一横梁下压电陶瓷片310的极化方向为相向；第二驱动足22两侧的第三压电陶瓷片33和.第四压电陶瓷片34的极化方向相背，驱动足上的陶瓷片所加驱动电压为A相交流电，横梁上的陶瓷片所加驱动电压为B相交流电。A相和B相驱动电压幅值、频率相同但相位相差90°。
如图6a所示B相驱动电压激起了第一横梁401和第二横梁402的一阶伸缩振动，进而强迫所有驱动足做一阶弯曲振动，如图6b所示A相的驱动电压激起了所有驱动足的一阶伸缩振动。由于A相和B相相位相差90°使得驱动足的这两个振动相位相差90°，加上一阶弯曲振动和一阶伸缩振动这两个振动空间上相互垂直，于是它们合成了第三足底质点R作椭圆振动C3、第四足底质点S作椭圆振动C4；由于第一驱动足21和第二驱动足22上的压电陶瓷片布置方式完全相反，故其一阶伸缩振动相位相差180°，即椭圆振动C3和椭圆振动C4相位相差180°，从而使得该振动能够累积叠加，实现直线运动。
应用实例
如图7所示，图7a为工作台的爆炸图，图7b为工作台的装配图。本实施例是使用多足直线压电驱动器驱动的工作台。各零部件的装配关系为：工作台定子9安装在基座6上；驱动器座13安装在工作台动子10上；驱动器5的基板安装在驱动器座13上，驱动器5的驱动足底面与导轨面7配合；安装在驱动器座13上的预紧螺钉12提供驱动足底面与导轨面7预紧力；光栅尺8安装在基座6上，光栅头11安装在驱动器座13上，光栅尺8和光栅头11为控制系统提供工作台的精确位置，实现对工作台闭环控制。
上述各实施例只是本发明的几个较好的具体实施方式，本发明的技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种修改。