本發(fā)明涉及一種步進(jìn)式微型壓電電機，屬于壓電精密致動技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著微/納米技術(shù)的發(fā)展，眾多工程技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切需要亞微米級、微/納米級的精密作動器。但由于傳統(tǒng)電磁電機需要減速裝置，在微型化、高功重比的發(fā)展方向上很難突破。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型功能材料為這些應(yīng)用提出了新的解決方案，其中，逆壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及具有優(yōu)越性能的壓電陶瓷(pzt)材料的出現(xiàn)使得壓電精密作動器的研究得到了廣泛關(guān)注，并在精密作動領(lǐng)域顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。

直線步進(jìn)式微型壓電電機主要包括共振型超聲電機和非共振型步進(jìn)電機。共振型超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的共振，并將彈性體的微變形通過摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或動子的宏觀運動。由于超聲電機在共振狀態(tài)下運行，致使其性能受環(huán)境影響較大，同時對定子的加工精度要求較高。非共振型步進(jìn)電機是利用壓電疊層的精確位移輸出特性，結(jié)合慣性沖擊原理或者尺蠖原理，能夠?qū)崿F(xiàn)運動件連續(xù)、精密的步進(jìn)運動。與共振式步進(jìn)式微型壓電電機相比，非共振狀態(tài)具有較寬的工作頻帶，對周圍環(huán)境的抗干擾性強；且對電機定子的尺寸和加工精度要求不太高，易于保證電機運行的平穩(wěn)性。但是慣性沖擊型和尺蠖原理非共振直線電機對驅(qū)動控制信號要求較為苛刻、驅(qū)動力很小。

現(xiàn)有的非共振摩擦驅(qū)動原理型直線電機在保證大行程的同時，并沒有很好地解決高分辨率的難題，目前該類型電機的分辨率通常為微米級?，F(xiàn)有的非共振摩擦驅(qū)動型電機兩壓電疊層的位移輸出具有耦合性，電機定子驅(qū)動足在垂直于導(dǎo)軌方向和平行于導(dǎo)軌方向的位移輸出特性往往與兩個壓電疊層都相關(guān)，因此不容易獨立控制電機定子在兩個方向的位移輸出性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種步進(jìn)式微型壓電電機，能夠在較寬頻域范圍內(nèi)分別容易實現(xiàn)納米級和微米級的位移分辨率，同時兼具制作成本低、壽命長和斷電自鎖的優(yōu)點。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下具體的技術(shù)方案：

一種步進(jìn)式微型壓電電機，所述電機包括定子、動子及底座，所述動子通過導(dǎo)軌連接在底座上，所述定子設(shè)置于底座上，定子包括驅(qū)動足以及彈性預(yù)緊機構(gòu)，在彈性預(yù)緊機構(gòu)的預(yù)緊力下，定子上的驅(qū)動足和動子在整個電機工作周期中始終保持緊密接觸；

所述驅(qū)動足包括橫向振動塊、縱向振動框、固定板、一組平行動子導(dǎo)軌布置的橫向壓電疊層和一組垂直于動子導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層，所述橫向振動塊設(shè)置于縱向振動框內(nèi)部，橫向振動塊的一側(cè)通過橫向壓電疊層與縱向振動框連接、另一側(cè)通過預(yù)緊彈簧與縱向振動框連接；

所述固定板平行設(shè)置在所述縱向振動框的下方，固定板和縱向振動框之間通過所述縱向壓電疊層連接。

所述彈性預(yù)緊機構(gòu)包括：支座以及兩片預(yù)壓板簧，其中，支座與底座固定連接，支座上設(shè)有沿垂直導(dǎo)軌方向布置的通槽，驅(qū)動足設(shè)置在所述通槽內(nèi)，支座上位于通槽的上、下兩端分別設(shè)有一片所述預(yù)壓板簧，在上、下兩片預(yù)壓板簧的彈力下，定子上的驅(qū)動足和動子保持緊密接觸。

每片所述預(yù)壓板簧包括：環(huán)形框架結(jié)構(gòu)、柔性鉸鏈和方板；環(huán)形框架結(jié)構(gòu)的短邊和方板通過柔性鉸鏈連接，環(huán)形框架上設(shè)有與支座固定連接的圓孔，方板上設(shè)有與驅(qū)動足固定連接的通孔。

所述支座上位于通槽的兩側(cè)分別設(shè)有與底座相固定以及導(dǎo)向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下兩端分別設(shè)有用于與兩片預(yù)壓板簧固定連接的螺紋孔。

所述橫向振動塊在垂直導(dǎo)軌方向上通過兩個平行布置的懸臂柔性梁與縱向振動框連接。

所述橫向壓電疊層和縱向振動框之間設(shè)有平行于導(dǎo)軌方向安裝的導(dǎo)向塊，在縱向振動框的外部設(shè)置有用于調(diào)節(jié)所述橫向壓電疊層與縱向振動框之間松緊度的預(yù)緊螺栓。

所述導(dǎo)向塊在垂直導(dǎo)軌方向上通過柔性鉸鏈與縱向振動框柔性連接，

所述固定板與縱向振動框之間位于所述縱向壓電疊層的兩側(cè)對稱布置有預(yù)緊彈簧，垂直于導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層通過預(yù)緊彈簧結(jié)構(gòu)的預(yù)變形與縱向振動框壓緊連接。

所述的步進(jìn)式微型壓電電機的工作方法，用非對稱的周期信號分別激勵平行于導(dǎo)軌方向布置的橫向壓電疊層和垂直于導(dǎo)軌方向布置的縱向壓電疊層，實現(xiàn)電機定子和動子之間的摩擦驅(qū)動特性在驅(qū)動階段和回程階段具有明顯差異，從而使得動子在驅(qū)動階段的運動距離大于在回程階段的運動距離，上述非對稱的位移輸出使得在驅(qū)動階段和回程階段，電機動子的運動存在一個位移差，即差動式位移。

包括正向差動摩擦驅(qū)動過程和反向差動摩擦驅(qū)動過程：其中，

在一個作動周期t內(nèi)，電機的動作時序如下：

正向差動摩擦驅(qū)動過程：

驅(qū)動階段，在0～大于1/2t，用非對稱周期信號激勵縱向壓電疊層，縱向壓電疊層的激勵電壓為最大值，縱向壓電疊層迅速伸長，電機定子和動子之間的接觸正壓力最大；同時用三角波信號激勵橫向壓電疊層，此時三角波處于升坡階段，因此位于橫向振動塊一側(cè)的橫向壓電疊層緩慢持續(xù)伸長，并通過定子和動子接觸面的摩擦力帶動動子向右運動，產(chǎn)生的位移為δx1；

回程階段：在剩余的小于1/2t～t，縱向壓電疊層的激勵電壓為最小值，相對于驅(qū)動階段大幅下降，縱向壓電疊層迅速收縮直至初始狀態(tài)，此時電機定子和動子之間的接觸正壓力最??；同時用三角波信號激勵橫向壓電疊層，此時三角波信號處于降坡階段，因此橫向壓電疊層快速持續(xù)收縮，由于定子和動子間存在初始正壓力，所以在摩擦的作用下定子帶動動子向左運動，產(chǎn)生位移為δx2；

綜上，雖然橫向振動塊在驅(qū)動階段和回程階段的位移相等，但是驅(qū)動階段時定子和動子之間的摩擦力大于回程階段時定子和動子之間的摩擦力，并且，驅(qū)動階段定子和動子的接觸時間更長，所以δx1>δx2，從而動子在整體上實現(xiàn)向右的差動位移δx；

反向差動摩擦驅(qū)動過程：反過來，如果在驅(qū)動階段，縱向壓電疊層的激勵電壓為最小值，在回程階段，縱向壓電疊層的激勵電壓為最大值，并且驅(qū)動階段時間小于回程階段時間，其他條件不變，則能夠?qū)崿F(xiàn)整個運動周期內(nèi)動子沿反向有一差動位移δx。

本發(fā)明一種步進(jìn)式微型壓電電機及其工作方法相對于現(xiàn)有超聲電機而言，具有的有益效果是：

本發(fā)明定子上的所述驅(qū)動足包括一組橫向布置的壓電疊層和一組縱向布置的壓電疊層，分別為定子驅(qū)動足提供平行于導(dǎo)軌方向和垂直于導(dǎo)軌方向的微幅振動，該驅(qū)動足在平行于導(dǎo)軌方向具有非對稱結(jié)構(gòu)和非對稱位移輸出特性；

所述驅(qū)動足采用了橫向振動塊和縱向振動框結(jié)構(gòu)，這能夠保證平行于導(dǎo)軌方向的位移輸出與垂直于導(dǎo)軌方向的位移輸出具有解耦特性，有利于獨立控制兩個方向的壓電元件的位移輸出；

本發(fā)明用周期信號激勵平行于導(dǎo)軌方向的橫向壓電疊層，用非對稱的周期信號激勵垂直于導(dǎo)軌方向的縱向壓電疊層，實現(xiàn)電機定子和動子之間的摩擦驅(qū)動特性在驅(qū)動階段和回程階段具有明顯差異，從而使得動子在驅(qū)動階段的運動距離大于在回程階段的運動距離，上述非對稱的位移輸出特性使得在推程階段和回程階段電機動子的運動存在一個位移差，即差動式位移。由于該電機在0～1khz頻率范圍內(nèi)具有明顯不同的差動摩擦特性，所以當(dāng)驅(qū)動頻率從低頻到高頻變化時，該類電機的定位精度也從納米級向微米級漸變，這有望部分代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的宏微結(jié)合的定位平臺。

因此，本發(fā)明相對于超聲電機而言，具有非共振、寬頻域的特點，能夠在較寬頻域范圍內(nèi)分別容易實現(xiàn)納米級和微米級的位移分辨率，同時兼具制作成本低、壽命長和斷電自鎖的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的步進(jìn)式微型壓電電機立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的步進(jìn)式微型壓電電機定子結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明所述的步進(jìn)式微型壓電電機定子驅(qū)動足結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3的a-a剖視圖；

圖5是圖3的仰視圖；

圖6是本發(fā)明所述的步進(jìn)式微型壓電電機預(yù)壓板簧結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明所述的步進(jìn)式微型壓電電機支座結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是圖7的仰視圖；

圖9是電機正向運動時縱向壓電疊層的電激勵信號；

圖10是電機正向運動時橫向壓電疊層的電激勵信號；

圖11是電機反向運動時縱向壓電疊層的電激勵信號；

圖12是電機反向運動時橫向壓電疊層的電激勵信號；

圖13是電機正向運動時縱向壓電疊層的另一種異形電激勵信號。

圖14是電機正向運動時橫向壓電疊層的另一種異形電激勵信號。

圖15是電機反向運動時縱向壓電疊層的另一種異形電激勵信號；

圖16是電機反向運動時橫向壓電疊層的另一種異形電激勵信號；

圖17是本發(fā)明所述的步進(jìn)式微型壓電電機的運動過程。

圖1至圖3中：1-動子；2-定子；3-底座；4-預(yù)壓板簧；4-1-短邊；4-2-方板；4-3-柔性鉸鏈；5-驅(qū)動足；6-支座；7-預(yù)壓板簧；(8，16)-預(yù)緊彈簧；9-縱向振動框；10-縱向壓電疊層；(11，18)-導(dǎo)向塊；(12，17)-預(yù)緊螺栓；13-固定螺栓；14-擋板；15-固定板；19-橫向壓電疊層；20-橫向振動塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖1所示的步進(jìn)式微型壓電電機結(jié)構(gòu)，包括動子1、定子2及底座3；動子由通過螺栓固定在底座的側(cè)板上；定子通過螺栓固定在底座的底板上；通過控制定子在底座的前后位置可控制定子與動子之間初始壓力的大小。

如圖2所示的步進(jìn)式微型壓電電機定子結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動足5、支座6以及兩片預(yù)壓板簧；驅(qū)動足的上下兩端分別通過螺栓固定在預(yù)壓板簧的方板上；預(yù)壓板簧的環(huán)形框架通過螺栓固定在支座上。

如圖2所示的步進(jìn)式微型壓電電機夾持機構(gòu)為兩片對稱布置的預(yù)壓板簧；如圖4所示，預(yù)壓板簧包括環(huán)形框架結(jié)構(gòu)、柔性鉸鏈和方板；環(huán)形框架結(jié)構(gòu)的短邊和方板通過柔性鉸鏈連接；環(huán)形框架設(shè)有圓孔，可以與支座6固定連接；方板上有通孔，與驅(qū)動足5固定連接。該預(yù)壓板簧在平行于其長邊方向上具有較大剛度，能保證驅(qū)動足在平行于導(dǎo)軌方向的穩(wěn)定性；該預(yù)壓板簧在平行于板簧厚度方向的剛度較小，能夠保證在垂直于導(dǎo)軌運動方向發(fā)生較大的彈性變形，該彈性變形保證電機定子和動子在整個驅(qū)動階段均處于接觸狀態(tài)。

如圖3，圖4和圖5所示的步進(jìn)式微型壓電電機定子驅(qū)動足包括橫向振動塊20、縱向振動框9、固定板15、導(dǎo)向塊、擋板14、縱向壓電疊層10和橫向壓電疊層19；橫向振動塊由兩平行預(yù)緊彈簧支撐連接在縱向振動框內(nèi)，橫向振動塊的一側(cè)安裝有平行于導(dǎo)軌布置的橫向壓電疊層19，橫向壓電疊層19的另外一側(cè)布置有平行于導(dǎo)軌方向的導(dǎo)向塊，導(dǎo)向塊由懸臂柔性梁支撐連接在縱向振動框上，在平行于導(dǎo)軌方向有較大的柔性，導(dǎo)向塊避免了橫向壓電疊層19直接與預(yù)緊螺栓接觸，起保護(hù)壓電疊層的作用。

橫向振動塊20、導(dǎo)向塊及橫向壓電疊層19均安裝在縱向振動框9內(nèi)；縱向振動框9為u形剛性結(jié)構(gòu)，有利于保持幾何結(jié)構(gòu)的不變性。

縱向振動框9通過兩平行預(yù)緊彈簧16與固定板15連接，縱向振動框下方安裝有垂直于導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層10；

縱向壓電疊層10下方布置導(dǎo)向塊；縱向壓電疊層10和導(dǎo)向塊通過擋板14固定；導(dǎo)向塊避免縱向壓電疊層與預(yù)緊螺栓直接接觸，并設(shè)計平行于縱向壓電疊層的柔性鉸鏈，消除預(yù)緊時產(chǎn)生的切向力；擋板14通過固定螺栓固定在固定板15上；平行于導(dǎo)軌布置的橫向壓電疊層19與橫向振動塊20通過預(yù)緊螺栓17壓緊，垂直于導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層10通過預(yù)緊彈簧16結(jié)構(gòu)的預(yù)變形與縱向振動框壓緊。

總體上，電機定子具有“推拉式”框架結(jié)構(gòu)，框架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)平行于導(dǎo)軌方向的運動；在縱向壓電疊層10的作用下，縱向振動框9連同其內(nèi)部各部分結(jié)構(gòu)一起作垂直于導(dǎo)軌方向的運動。因此，這種“推拉式”框架結(jié)構(gòu)能夠保證橫向振動塊的位移輸出與縱向振動框9垂直方向的位移輸出具有解耦特性，有利于獨立控制的橫向壓電疊層19和縱向壓電疊層10的位移輸出，提高電機的定位精度。

如圖7和圖8所示的步進(jìn)式微型壓電電機支座，中間為通槽，兩側(cè)設(shè)有起固定與導(dǎo)向作用的通孔,通過控制定子2在底座3的前后位置可控制定子與動子之間初始壓力的大??；上下兩側(cè)分別有四個螺紋孔；支座的上下兩端分別與上、下兩片預(yù)壓板簧的外圍連接。

本發(fā)明一種步進(jìn)式微型壓電電機的工作方式：

圖9所示為電機正向運動時為垂直于導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層10的電激勵信號a，圖10為電機正向運動時為平行于導(dǎo)軌布置的橫向壓電疊層19的電激勵信號b，激勵信號a為非對稱矩形信號，其占空比大于0.5，激勵信號b為三角波信號。

結(jié)合差動運動過程，對本發(fā)明的差動摩擦驅(qū)動過程做進(jìn)一步論述，定義動子向右，x正向的運動為正方向，動子向左，x負(fù)向的運動為反方向：

正向差動摩擦驅(qū)動過程：

在驅(qū)動階段，給縱向壓電疊層10施加如圖9所示的激勵信號a，此時的激勵電壓為最大值，縱向壓電疊層10迅速伸長，此時定子2和動子1之間的正壓力最大；給橫向壓電疊層19施加如圖10所示的激勵信號b，此時的激勵電壓處于升坡，橫向壓電疊層19緩慢伸長，橫向壓電疊層19的伸長帶動橫向振動塊20產(chǎn)生x正方向的位移；因此驅(qū)動足5在摩擦作用下帶動動子1實現(xiàn)x正方向的位移δx1。

在回程階段，給縱向壓電疊層10施加如圖9所示的激勵信號a，此時縱向壓電疊層10的激勵電壓為最小值，縱向壓電疊層10迅速收縮，此時定子2和動子1之間的正壓力最?。粰M向壓電疊層19的激勵電壓處于降坡，橫向壓電疊層19緩慢收縮，橫向壓電疊層19的收縮帶動橫向振動塊20產(chǎn)生x負(fù)方向的位移；因此驅(qū)動足5在摩擦作用下帶動動子1實現(xiàn)x負(fù)方向的位移δx2。

綜上，橫向振動塊20在驅(qū)動階段和回程階段的位移相等，但是驅(qū)動階段時定子2和動子1之間的摩擦力大于回程階段時定子和動子之間的摩擦力，且驅(qū)動階段時間要大于回程階段時間，所以δx1>δx2，從而動子1在整體上實現(xiàn)正向的差動位移δx。

反向差動摩擦驅(qū)動過程：

在驅(qū)動階段，給縱向壓電疊層10施加如圖9所示的激勵信號c，此時的激勵電壓為最小值，縱向壓電疊層10由最長狀態(tài)迅速收縮至初始狀態(tài)，此時定子2和動子1之間的正壓力最?。唤o橫向壓電疊層19施加如圖12所示的激勵信號為d，此時的激勵電壓處于升坡，橫向壓電疊層19緩慢伸長，橫向壓電疊層19的伸長帶動橫向振動塊20產(chǎn)生x正方向的位移；因此驅(qū)動足5在摩擦作用下帶動動子1實現(xiàn)x正方向的位移δx1。

在回程階段，給縱向壓電疊層10施加如圖9所示的激勵信號c，此時的激勵電壓為最大值，縱向壓電疊層10迅速伸長，此時定子2和動子1之間的正壓力最大；橫向壓電疊層19的激勵電壓處于降坡，橫向壓電疊層19緩慢收縮，橫向壓電疊層19的收縮帶動橫向振動塊20產(chǎn)生x負(fù)方向的位移；因此驅(qū)動足5在摩擦作用下帶動動子1實現(xiàn)x負(fù)方向的位移δx2。

綜上，橫向振動塊20在驅(qū)動階段和回程階段的位移相等，但是驅(qū)動階段時定子2和動子1之間的摩擦力小于回程階段時定子和動子之間的摩擦力，且驅(qū)動階段時間小于回程階段時間，所以δx1<δx2，從而動子1在整體上實現(xiàn)反向的差動位移δx。

本發(fā)明步進(jìn)式微型壓電電機在結(jié)構(gòu)上和激勵方式上都是非對稱的，非對稱電壓激勵方式可以有多種選擇，也可以采用如圖13～圖16的異形波信號。