具有对称运动输出和对称产生力功能的压电驱动器及压电马达制造技术

本发明专利技术公开了一种具有对称运动输出和对称产生力功能的压电驱动器及压电马达。所述压电驱动器包括两片压电片、金属片和对称设置的双摩擦头，工作在第一阶伸缩(L1)和第三阶弯曲(B3)的复合(L1‑

【技术实现步骤摘要】
具有对称运动输出和对称产生力功能的压电驱动器及压电马达


[0001]本专利技术涉及压电马达技术，尤其涉及一种能够同时产生两个向外或向内对称运动输出和对称产生力的直线压电驱动器与压电马达，属于精密驱动与微机电领域。

技术介绍

[0002]常见的抓取、剪切操作可以归结为末端执行器的两个线性对称运动操作，例如机器人显微手术中的末端执行器，执行精密抓取、夹钳、剪切操作等就属于对称运动操作。对称直线驱动也常用于某些通道的快速对称开启、关闭动作，以及其它需要产生对称运动与控制的领域。但目前几乎没有一种马达可以直接产生对称直线运动输出的功能。通常，为了产生对称的直线运动，第一个方案是采用一对驱动定子，同时驱动两个动子做相对运动(即同时接近或远离对方)；第二个方案是借助一对反向螺纹副、或者一对反向齿轮副，将一个马达输出轴的旋转运动转换成一对线性对称运动。这两个方案通常会使结构和驱动电路变得复杂，不利于器件的小型化和集成化。第三个方案是利用一个压电叠堆，驱动一对复杂的柔性铰链，实现对称的双输出运动的转换。但是由于压电叠堆的应变量十分有限，且机械结构的位移放大量与输出力成反比，故这种方案通常会导致非常有限的输出行程及输出力。
[0003]压电马达是一种典型的机电耦合器件，主要由压电驱动器、滑动组件和结构组件(包括预紧力组件和固定组件)等组成，其中压电驱动器包括压电陶瓷或压电单晶元件、摩擦头，滑动组件包括摩擦片和动子。压电马达利用压电驱动器的逆压电效应将电能转换为摩擦头的微幅振动，而后利用摩擦副(即摩擦头与摩擦片)间的摩擦耦合作用驱动动子做直线或旋转运动。与电磁马达、气动马达、形状记忆合金马达、液压马达等相比，压电马达因其具有的分辨率高、功率密度对尺寸不敏感、可集成度高、可断电自锁、噪声低、无电磁辐射等优势，在微/纳机电系统加工(MEMS/NEMS)、显微技术、航空航天、消费电子等高精尖领域中获得了很大的发展。然而，现有的研究主要是在结构、材料和性能上进行改进，缺乏对称直线驱动工作机理方面的深入研究与探究。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于全新工作机制的、具有双输出能力的对称驱动压电驱动器及压电马达。该压电驱动器及压电马达工作于第一阶伸缩(L1)和第三阶弯曲(B3)的复合谐振(L1‑
B3)模态，使得粘结在陶瓷棒两端的两个摩擦头按照方向相反的对称椭圆轨迹振动，从而可以在不需要额外机械传动机构的前提下就可直接驱动两个滑块做同时向内或向外的对称直线运动。此外，本专利技术马达也展现出了高驱动速度、高输出功率密度、高步进分辨率、高效率等优秀的综合驱动性能。
[0005]本专利技术提供的技术方案是：
[0006]一种压电驱动器，包括压电
‑
金属复合体，以及粘结在压电
‑
金属复合体上的左右两个摩擦头，其中：
[0007]所述压电
‑
金属复合体包括叠加在一起的第一压电片、金属片和第二压电片。
[0008]所述第一压电片和第二压电片均为长方体结构；第一压电片在厚度方向上的第一端主平面设置有第一电极层，第一压电片在厚度方向上的第二端主平面设置有第二电极层；第二压电片在厚度方向上的第一端主平面设置有第三电极层，第二压电片在厚度方向上的第二端主平面设置有第四电极层。
[0009]进一步的，所述第一电极层和第四电极层各包括三个尺寸相同的长方形电极区域，分别被命名为1
‑
E1～1
‑
E6(参见图1)；所述第二电极层和第三电极层为一体形状的全电极区域。
[0010]进一步的，由于所述电极区域既用作极化电极，也用作施加电场时的工作电极，所以所述压电
‑
金属复合体相当于是由(2
×
3)矩阵序构的六个压电应变基元组成的，且所述六个压电应变基元按从左到右、从上到下的顺序依次编号为1
‑
A11、1
‑
A12、1
‑
A13、1
‑
A21、1
‑
A22和1
‑
A23(字母后第一个数字代表所在行，第二个数字代表所在列)，参见图1。
[0011]所述第一压电片和第二压电片采用厚度方向分区极化方式。具体的，所述压电应变基元1
‑
A11、1
‑
A13、1
‑
A21、1
‑
A22和1
‑
A23沿z轴正方向进行极化，所述压电应变基元1
‑
A12沿z轴负方向进行极化。
[0012]所述电极区域1
‑
E1、1
‑
E3、1
‑
E4和1
‑
E6被设置为第一驱动电极组，用于激发x
‑
z面内的B3模态，产生厚度方向上的弯曲振动；所述电极区域1
‑
E2和1
‑
E5被设置为第二驱动电极组，用于激发x
‑
z面内的L1模态，产生沿长度方向上的伸缩振动；第二电极层和第三电极层用于接地。为了使L1模态和B3模态可以在相同的谐振频率下被激发出来，需要对所述压电驱动器的尺寸进行严格的模拟计算，并将施加于各电极区域的预设驱动电压的工作频率设置为L1模态和B3模态的共同谐振频率。
[0013]进一步的，在施加在所述第一驱动电极组和第二驱动电极组的预设正弦波驱动信号的共同作用下，所述压电
‑
金属复合体会受激发产生L1‑
B3复合模态下的高频行波谐振动变形，从而使所述摩擦头获得顺时针或者逆时针方向可控的椭圆形振动轨迹。
[0014]所述金属片为长方体结构，其长度和宽度均与压电片的长度和宽度相同，可以选用黄铜、硬铝等常见金属材料制备而成。
[0015]所述两个摩擦头可以设计为多种形状，如半球状、圆柱状、圆台状等；两个摩擦头分别粘结在所述第四电极层的两个端部位置上，这也是所述压电
‑
金属复合体的振动位移最大处。
[0016]受B3模态和L1模态的振型影响，所述两个摩擦头在z轴方向上具有同相的垂直振动，在x轴方向上具有反相的水平振动，故两个摩擦头产生两个反相的椭圆形轨迹振动。当两个滑块分别与所述两个摩擦头弹性接触时，所述压电驱动器可以通过摩擦耦合直接驱动两个滑块做同时向内或向外的对称直线运动。
[0017]所述压电片可以是单层压电板，也可以是多层组装或多层共烧压电结构。对于多层共烧式结构，按照上述各电极区域间的极化要求对各区域进行极化；一般的，多层结构各压电层间采用头对头厚度极化方式，在电路上并联连接；各压电层表面设置有与极化方向相配合的第一驱动电极组和第二驱动电极组，以便驱动压电
‑
金属复合体产生L1‑
B3复合模态下的高频行波谐振动变形。
[0018]所述压电片可以由压电陶瓷材料制作而成，如典型的含铅系列压电陶瓷材料(锆
钛酸铅(PZT)基、钪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电驱动器，包括压电
‑
金属复合体和两个摩擦头，其特征在于：所述压电
‑
金属复合体包括叠加在一起的第一压电片、金属片和第二压电片；所述第一压电片、第二压电片和金属片均为长方体结构，且它们的长度尺寸和宽度尺寸相同；所述第一压电片在厚度方向上的第一端主平面设置有第一电极层，厚度方向上的第二端主平面设置有第二电极层；所述第二压电片在厚度方向上的第一端主平面设置有第三电极层，在厚度方向上的第二端主平面设置有第四电极层；所述第一电极层和第四电极层各包括尺寸相同的左、中、右三个长方形电极区域，所述第二电极层和第三电极层为一体形状的全电极区域；由此，所述压电
‑
金属复合体相当于是由(2
×
3)矩阵序构的六个压电应变基元组成，将所述六个压电应变基元按从左到右、从上到下的顺序依次编号为1
‑
A11、1
‑
A12、1
‑
A13、1
‑
A21、1
‑
A22和1
‑
A23，其中字母A后第一个数字代表所在行，第二个数字代表所在列；所述第一压电片和第二压电片采用厚度方向分区极化方式，所述压电应变基元1
‑
A11、1
‑
A13、1
‑
A21、1
‑
A22和1
‑
A23沿z轴正方向进行极化，所述压电应变基元1
‑
A12沿z轴负方向进行极化；所述两个摩擦头分别粘结在所述第四电极层的两个端部位置上。2.如权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述第一电极层的左、右两电极区域与第四电极层的左、右两电极区域被设置为第一驱动电极组，用于激发x
‑
z面内的B3模态，产生厚度方向上的弯曲振动；所述第一电极层的中间电极区域与第四电极层的中间电极区域被设置为第二驱动电极组，用于激发x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：董蜀湘，李占淼，义兴宇，朱容琪，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：