采用复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达 【技术领域】
本发明属于精密机械中的压电微电机技术领域，特别涉及基于弯曲振动模式的一种采用复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达。
背景技术
在1998年IEEE的“ULTRASONICS SYMPOSIUM”中报道中国南京航空航天大学发明了一种线性马达。是陶瓷圆片夹在后配块和前配块之间，通过两个配块实现长度振动；另有方形陶瓷片贴在前配块下部的扁平片的两面，通过前配块实现弯曲振动。前配块下端面与驱动滑块粘连成一体，在预压力作用下，马达下端面的驱动滑块作线性双向移动。但是马达的结构比较复杂，尺寸很大及只能实现一维线性运动。为了使马达尺寸微小化，并且实现二维，甚至是三维的运动，为此开发了具有三维驱动特性的双弯曲振动模式的复合激励方式及其压电陶瓷棒状微型马达。
【发明内容】
本发明的目的是提供基于弯曲振动模式的一种采用复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达，其特征在于：所述复合激励方式是根据压电陶瓷棒定子具有的各阶弯曲振动模态和伸缩振动模态随着陶瓷棒地高度、直径和材料的变化以及金属匹配块的形状和材料的变化，一阶伸缩振动模态谐振频率和前两阶弯曲振动模态的谐振频率可能出现相同点，于是利用相同的谐振频率来实现激励陶瓷棒的复合振动模态；在实测中，通过在0-10mm范围内改变陶瓷棒的高度和直径尺寸，出现了陶瓷棒的伸缩振动频率和弯曲振动模态振动频率的两个谐振频率，陶瓷棒在这相同谐振频率的两种振动模态的共同激励作用下，陶瓷棒顶端会形成一个椭圆运动；其激励方式有一阶复合振动模态和二阶复合振动模态。
所述一阶复合振动模态是由四电极法实现的，即在陶瓷棒圆周均匀分布四个电极A、B、C和D，极化时，A、C接正极，B、D接地线，于是陶瓷极化时就分成了α、β、γ和δ四个区，各区电畴方向与极化方向相同；驱动时，在四个电极A、B、C、D上分别加Sin(wt)、Cos(wt)、-Cos(wt)、-Sin(wt)信号电压，在一个周期的四个阶段内，陶瓷棒处于一阶弯曲模态和伸缩振动模态复合起来的一阶复合振动模态，顶端会形成一个椭圆运动。
所述二阶复合振动模态是由八电极法实现的，即将陶瓷棒沿圆周均匀分布4个电极A、B、C、D，将电极A、C接入高压直流电，将B、D接入地线，按四电极法的极化方式极化，然后电极在中间切断，分成A1、B1、C1、D1和A2、B2、C2、D2，并且在A1、C2上加Sin(wt)信号电压，在B1、D2上加Cos(wt)信号电压，在C1、A2上加-Cos(wt)信号电压，在D1、B2上加-Sin(wt)信号电压，在一个周期的四个阶段内，陶瓷棒处于二阶弯曲模态和伸缩振动模态复合起来的二阶复合振动模态，二阶复合振动模态可以在陶瓷棒顶端相互垂直的两个平面上形成一个椭圆运动。
所述采用复合激励方式的压电陶瓷棒状微马达，有两种结构：
1).两个自由度的平面驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，利用一阶或二阶复合振动模态激励，陶瓷棒在两个端面实现在XZ和YZ面内实现椭圆运动，其马达的结构是陶瓷棒1放入套筒2中，套筒2壁上嵌有橡胶环3，用于陶瓷棒的定位；将钢珠4放入套筒2上孔中，再放入弹簧5，并用螺栓6旋入套筒2上孔中，用于给弹簧5一个变形，实现预紧力；定子7套入陶瓷棒1的另一端，并粘接牢固，便完成了马达的装配。马达驱动的平台分三层，上层8上表面是光滑的驱动面，下面是两个平行的导轨，中层9是一个“井”字形平台，上面是两个承接上层平台的导轨槽，下面是与上表面垂直的两个平行导轨，下层10是基础层，将马达和平台装入支架11，用螺栓12锁紧马达，并且将平台固定在支架上，便可以实现将平台XY面内二维移动的目的。
2).三个自由度的球驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，其陶瓷棒在一阶或二阶复合振动模态下，两个端面可以在XZ和YZ面内实现椭圆运动，也可以在一阶或二阶弯曲振动模态下，在XY内做圆摆运动，本三维运动微马达的陶瓷棒1放入套筒2中，套筒2壁上嵌有橡胶环3，用于陶瓷棒的定位；将钢珠4放入套筒2下孔中，再放入弹簧5，并用螺栓6旋入套筒2下孔中，用于使弹簧6变形，为马达定子7实现预紧力，定子7套入陶瓷棒1的另一端，并且粘接牢固，便完成了马达的装配；将马达和平台装入支架11，用螺栓12锁紧马达，用且将聚四氟乙烯环13放入支架的上槽中，上面放入大钢球14，在合适的激励电源下激励定子的复合振动模态，钢球就可以在XZ和YZ面内旋转，加上弯曲振动模态，钢球14可以在XY面内旋转，因此实现了钢球14的三维驱动。
本发明的有益效果是马达具有尺寸微小，结构简单，压电微马达的直径在0.5到10mm之间。并且具有大力矩，快速响应等特点，应用前景比较广阔。
【附图说明】
图1棒状压电陶瓷的振动模态。
图2陶瓷棒高度和谐振频率的关系。
图3陶瓷棒直径和谐振频率的关系。
图4电极法陶瓷棒的结构和极化方向。
图5八电极法陶瓷棒的结构和极化方向。
图6可以二维驱动平台的棒状压电超声微马达。
图7可以三维驱动大球的棒状压电超声微马达。
【具体实施方式】
本发明是基于弯曲振动模式的一种采用复合激励方式的多自由度压电陶瓷棒状微马达，其复合激励方式是根据压电陶瓷棒的振动模态有各阶弯曲振动模态和伸缩振动模态(如图1所示)，随着陶瓷棒的高度、直径和材料的变化以及金属匹配块材料和外形的变化，一阶伸缩振动模态谐振频率和前两阶弯曲振动模态的谐振频率可能出现相同点(如图2、图3所示)，于是利用相同的谐振频率来实现激励陶瓷棒的复合振动模态。在实测中，发现利用不同尺寸和材料对陶瓷棒各阶谐振频率的不同影响，还有金属匹配块的外形和材料对定子的各阶谐振频率的影响；通过在0-10mm范围内改变陶瓷棒的高度和直径尺寸，出现了陶瓷棒的伸缩振动频率和弯曲振动模态振动频率的两个谐振点(如图2、图3所示)，因此陶瓷棒在这相同谐振频率的两种振动的共同作用下，陶瓷棒顶端会形成一个椭圆运动；其激励方式有一阶复合振动模态和二阶复合振动模态。
上述一阶复合振动模态是由四电极法实现的，即在陶瓷圆周均匀分布四个电极A、B、C和D。极化时，A、C接正极，B、D接地线，于是陶瓷极化时就分成了α、β、γ和δ四个区，各区电畴方向与极化方向相同(如图4所示)；驱动时，在四个电极A、B、C、D上分别加Sin(wt)、Cos(wt)、-Cos(wt)、-Sin(wt)号电压，在α、β、γ和δ四个区内，一个周期的四个阶段内，陶瓷棒的运方向如表1所示。
表1一阶复合振动模态陶瓷棒的运动 α γ α- γ β δ β- δ 0~1/4λ + - + - ↑ 1/4λ~1/2 λ - - - - - - 1/2λ~3/4 λ - + - + ↓ 3/4λ~λ - - - - -
从表1所示一阶复合振动模态下陶瓷棒的运动，可以看出陶瓷棒处于一阶弯曲模态和伸缩振动模态复合起来的一阶复合振动模态，其顶端会形成一个椭圆运动。
上述二阶复合振动模态是由八电极法实现的，即将陶瓷沿圆周均匀分布4个电极A、B、C、D，将电极A、C接入高压直流电，将B、D接入地线，按四电极法的极化方式极化，然后电极在中间切断，分成A1、B1、C1、D1(左半段)和A2、B2、C2、D2(右半段)(如图5所示)，并且在A1、C2上加Sin(wt)信号电压，在B1、D2上加Cos(wt)信号电压，在C1、A2上加-Cos(wt)信号电压，在D1、B2上加-Sin(wt)信号电压，在α、β、γ和δ四个区内，一个周期的四个阶段内，陶瓷棒的左半段运动方向同样如表1所示，由于右半段在弯曲时运动方向正好和左半段相反，而伸缩时与左半段相同，因此在一个周期的四个阶段内，陶瓷棒处于二阶弯曲模态和伸缩振动模态复合起来的二阶复合振动模态，二阶复合振动模态使陶瓷棒顶端相互垂直的两个平面上形成一个椭圆运动。
采用复合激励方式的压电陶瓷棒状微马达，有两种结构：
1.两个自由度的平面驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，利用一阶或二阶复合振动模态激励。陶瓷棒在两个端面实现在XZ和YZ面内实现椭圆运动，其马达的结构是陶瓷棒1放入套筒2中，套筒2壁上嵌有橡胶环3，用于陶瓷棒的定位。将钢珠4放入套筒2上孔中，再放入弹簧5，并用螺栓6旋入套筒2上孔中，用于给弹簧5一个变形，实现预紧力。定子7套入陶瓷棒1的另一端，并粘接牢固，便完成了马达的装配。马达驱动的平台分三层，上层8上表面是光滑的驱动面，下面是两个平行的导轨。中层9是一个“井”字形平台，上面是两个承接上层平台的导轨槽，下面是与上表面垂直的两个平行导轨，下层10是基础层，将马达和平台装入支架11，用螺栓12锁紧马达，用且将平台固定在支架上，便可以实现将平台XY面内二维移动的目的。
2.三个自由度的球驱动器结构的压电陶瓷棒状微马达，其陶瓷棒在一阶或二阶复合振动模态下，两个端面可以在XZ和YZ面内实现椭圆运动，也可以在一阶或二阶弯曲振动模态下，在XY内做圆摆运动，本三维运动超声微马达的陶瓷棒1放入套筒2中，套筒2壁上嵌有橡胶环3，用于陶瓷的定位。将钢珠4放入套筒2下孔中，再放入弹簧5，并用螺栓6旋入套筒2下孔中，用于使弹簧5变形，为马达定子7实现预紧力。定子7套入陶瓷棒1的另一端，并且粘接牢固。便完成了马达的装配。将马达和平台装入支架11，用螺栓12锁紧马达，用且将聚四氟乙烯环13放入支架的上槽中，上面放入大钢球14，在合适的激励电源下激励定子的复合振动模态，钢球就可以在XZ和YZ面内旋转，加上弯曲振动模态，钢球14可以在XY面内旋转。因此实现了钢球14的三维驱动。本发明的马达具有尺寸微小，结构简单，压电微马达的直径在0.5到10mm之间。并且具有大力矩，快速响应等特点，应用前景比较广阔。