專(zhuān)利名稱(chēng)：大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具體講是涉及應(yīng)用于納米測(cè)量或納米定位大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)的科技前沿，它綜合了工程、物理、化學(xué)和生物學(xué)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，并已經(jīng)開(kāi)始對(duì)工業(yè)領(lǐng)域具有關(guān)鍵作用。隨著納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，納米定位及納米測(cè)量已成為納米科學(xué)技術(shù)研究的重要方向和基礎(chǔ)課題，并且在光學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)、機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。
無(wú)論是納米測(cè)量還是納米定位，都需要有一個(gè)微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。微驅(qū)動(dòng)器的性能好壞，直接影響到測(cè)量或定位的精度。所謂微驅(qū)動(dòng)器指的是能產(chǎn)生微驅(qū)動(dòng)作用的器件和裝置。在微機(jī)電系統(tǒng)中，微驅(qū)動(dòng)器是關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外著名的大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室都將有關(guān)微驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、加工、制造技術(shù)、測(cè)試技術(shù)等的研究作為微機(jī)械研究的一個(gè)重點(diǎn)方向和突破口。壓電馬達(dá)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型驅(qū)動(dòng)器，是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)制作的微位移器，具有體積小、推力大、精度高、位移分辨率高和頻響快等優(yōu)點(diǎn)，并且不發(fā)熱，不產(chǎn)生噪聲，是理想的微位移傳感器。直線型壓電馬達(dá)可分為兩種一種是基于柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)范圍小，只有幾個(gè)微米。另外一種是采用蠕動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自從1989年IBM的科學(xué)家首次將這種結(jié)構(gòu)用于STM以來(lái)，一直成為各國(guó)研究的焦點(diǎn)，并提出了多種改進(jìn)結(jié)構(gòu)。日本研制的WalkingDrive壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)范圍較大，通常為30～50mm，最大可達(dá)200mm。雖然壓電馬達(dá)達(dá)到了應(yīng)用的水平，但由于價(jià)格比較貴而難以在更加廣的范圍內(nèi)應(yīng)用，改變馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和選擇適當(dāng)?shù)牟牧隙伎梢赃M(jìn)一步降低馬達(dá)的成本。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供低價(jià)格大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)由第一夾緊器、第二夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)軸組成，第一夾緊器與第一驅(qū)動(dòng)器相連，第二夾緊器與第二驅(qū)動(dòng)器相連。
第一夾緊器、第二夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器可對(duì)稱(chēng)放置，即第一夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器、第二夾緊器依次放置。
第一夾緊器、第二夾緊器選用形變較大的多片層疊塊狀壓電晶體。
本實(shí)用新型可帶來(lái)如下效果由于采用推拉工作方式的第一夾緊器、第二夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，因而本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)范圍較大的特點(diǎn)。


圖1壓電馬達(dá)微動(dòng)原理圖圖中1為第一驅(qū)動(dòng)器，2為第二驅(qū)動(dòng)器，3為第一夾緊器，4為第二夾緊器，5為PZT。
圖2壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖圖3壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓波形圖圖4控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖圖5試驗(yàn)裝置連接示意圖圖中6為馬達(dá)控制器，7為直流放大電源，8為壓電馬達(dá)，9為六位半，10為電容測(cè)微儀，11為傳感器探頭。
圖6位移隨頻率變化曲線圖7位移隨電壓變化曲線圖8壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)位移曲線具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型。
本專(zhuān)利申請(qǐng)中介紹的大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)，采用“推—拉”交替運(yùn)動(dòng)原理，可在10mm以上行程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。該馬達(dá)可在納米機(jī)械加工、電子器件生產(chǎn)、微機(jī)電系統(tǒng)、納米材料、納米生物學(xué)、納米測(cè)量等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。
運(yùn)動(dòng)原理由于壓電材料具有體積小、無(wú)熱源、超高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，因此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)。本文在“尺蠖原理”的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，由控制系統(tǒng)產(chǎn)生四路激勵(lì)信號(hào)，采用新穎的“推—拉”原理實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的納米級(jí)連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)?！巴啤痹砣鐖D1所示。壓電馬達(dá)是由兩個(gè)夾緊器3、4和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器1、2組成的。當(dāng)夾緊器3夾緊時(shí)，夾緊器4放松，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器1膨脹，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)器2膨脹(此為預(yù)備動(dòng)作)；下一步，當(dāng)夾緊器4夾緊時(shí)，加緊器3則處于放松狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器2收縮，由于夾緊器4的夾緊，故繼續(xù)推動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸向左運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器1收縮(此也是預(yù)備動(dòng)作)；下一步，同第一步，即夾緊器3夾緊，夾緊器4放松，驅(qū)動(dòng)器2和驅(qū)動(dòng)器1膨脹，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)……。如此往復(fù)，交替地“推”和“拉”，從而使驅(qū)動(dòng)軸不斷地向左連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)上述原理，可對(duì)壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖2所示。壓電馬達(dá)包括兩個(gè)夾緊器(3、4)和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器(1、2)，由一個(gè)夾緊器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)單元。由于這兩個(gè)單元的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)滿足的功能完全一致，故將兩個(gè)單元對(duì)稱(chēng)放置，這樣既加大了馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力，又增加了運(yùn)行的平穩(wěn)性。
對(duì)于夾緊器，選用了形變較大的多片層疊塊狀壓電晶體，給壓電晶體塊的電極通電時(shí)，它們會(huì)同時(shí)產(chǎn)生變形—伸展或收縮，來(lái)完成抱緊和放松驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)作。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器，選擇了圓管形壓電陶瓷，適當(dāng)選擇壓電元件的壁厚和長(zhǎng)度，使之滿足產(chǎn)生較大變形和驅(qū)動(dòng)力的要求。
驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)與上述運(yùn)動(dòng)原理相配合的供電電壓波形如圖3所示。圖3上方是供給夾緊器3、4壓電晶體塊的電壓波形，而圖3下方是供給驅(qū)動(dòng)器1、2管狀壓電晶體的電壓波形。在過(guò)渡區(qū)Tr時(shí)，由于夾緊器3和4同時(shí)夾緊，因此驅(qū)動(dòng)器1推與驅(qū)動(dòng)器2拉形成合力，同時(shí)驅(qū)動(dòng)軸桿運(yùn)動(dòng)。由于驅(qū)動(dòng)器1、2運(yùn)動(dòng)上的搭接以及供給驅(qū)動(dòng)器的是三角波，故馬達(dá)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是連續(xù)的勻速運(yùn)動(dòng)，從而保證了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。如果將夾緊器3與4、驅(qū)動(dòng)器1與2驅(qū)動(dòng)波形同時(shí)互換時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸將向相反方向運(yùn)動(dòng)。
控制系統(tǒng)組成如圖4所示，控制系統(tǒng)的功能應(yīng)滿足圖3所提出的四路時(shí)序波形要求，即輸出兩路三角波、兩路方波，并按時(shí)序輸出?？刂葡到y(tǒng)產(chǎn)生的四路時(shí)序波形經(jīng)直流放大器放大后，加載到壓電馬達(dá)上，使其完成前進(jìn)或后退、單步或連續(xù)運(yùn)動(dòng)等功能。硬件系統(tǒng)采用的是8031單片機(jī)控制系統(tǒng)，方波的輸出是以P1口的兩個(gè)管腳定時(shí)取反而得，三角波則是由外擴(kuò)的兩片D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的同步緩沖輸出獲得。鍵盤(pán)和顯示選用的是8279芯片。直流放大器是采用特制的四路直流高壓放大器。軟件系統(tǒng)采用Keil C高級(jí)語(yǔ)言編程，以定時(shí)器中斷方式產(chǎn)生所需波形。
壓電馬達(dá)性能試驗(yàn)與分析圖5為壓電馬達(dá)性能測(cè)試所用試驗(yàn)裝置連接示意圖。
所用的直流放大電源是PZT四路放大電源，四路的頻響可達(dá)2kHz；其方波的輸出紋波＜1.0VP-P(50周)，三角波的輸出紋波＜0.1VP-P(50周)。電容測(cè)微儀選用的是7DC-2000型高精度電容測(cè)微儀，其分辨率可達(dá)4nm/mV。
利用以上裝置，對(duì)壓電馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)試。
壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)位移與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系試驗(yàn)試驗(yàn)中，保持驅(qū)動(dòng)電壓幅值不變，而改變驅(qū)動(dòng)電壓頻率。在1～40Hz的頻率范圍內(nèi)，頻率每改變5Hz進(jìn)行一次測(cè)量，分別在200V和300V驅(qū)動(dòng)電壓下測(cè)得的壓電馬達(dá)單步位移量與驅(qū)動(dòng)頻率之間的關(guān)系曲線如圖6所示。
由圖6可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓幅值一定時(shí)，壓電馬達(dá)的步距隨驅(qū)動(dòng)頻率的提高而減小。壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)位移與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電壓頻率固定在5Hz，驅(qū)動(dòng)電壓幅值每提高50V測(cè)量一次，測(cè)得的壓電馬達(dá)單步位移量與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系曲線如圖7所示。
由圖7可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓頻率一定時(shí)，壓電馬達(dá)的步距隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大。壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)速度測(cè)試通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)速度不僅與驅(qū)動(dòng)電壓的大小有關(guān)，還與驅(qū)動(dòng)頻率有關(guān)。在額定電壓內(nèi)，驅(qū)動(dòng)速度隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而單調(diào)遞增。同時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率小于某個(gè)值時(shí)(試驗(yàn)中為30Hz)，驅(qū)動(dòng)速度也會(huì)隨驅(qū)動(dòng)頻率的提高而加快，但當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率超過(guò)這個(gè)值時(shí)(30Hz)，驅(qū)動(dòng)頻率的提高反而會(huì)影響驅(qū)動(dòng)速度的提高。這主要是由于該馬達(dá)采用的是接力運(yùn)動(dòng)原理，工作時(shí)會(huì)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率上限存在。
表1所示為300V驅(qū)動(dòng)電壓下，不同驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)速度。
表1 300V電壓下不同驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)速度

從表中可以看出，該馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)速度可以達(dá)到12μm/s。加大電壓可以進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)速度，但要看所用壓電元件允許多大的驅(qū)動(dòng)電壓，否則會(huì)損壞壓電元件，甚至引起擊穿。壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)的線性度通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然該馬達(dá)采用的是推-拉接力式的運(yùn)動(dòng)原理，但由于巧妙的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證了該馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)位移是線性的，即該馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)。
圖8為在200V、10Hz的驅(qū)動(dòng)電壓下，測(cè)得的壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)位移曲線。測(cè)量時(shí)，由壓電馬達(dá)控制器控制其運(yùn)動(dòng)，馬達(dá)每運(yùn)動(dòng)兩步記錄一次數(shù)據(jù)。由圖8可以看出，馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)位移是線性的。
壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力試驗(yàn)中，通過(guò)一個(gè)滑輪機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)力的測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)轫来a重量的測(cè)量，將砝碼從小逐漸加大，同時(shí)用電容測(cè)微儀觀察馬達(dá)的微動(dòng)情況。最后測(cè)得壓電馬達(dá)的最大驅(qū)動(dòng)力為1.4N。
壓電馬達(dá)的最小步距試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，壓電馬達(dá)在驅(qū)動(dòng)電壓低于50V時(shí)，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，而且有的頻率下，馬達(dá)有停滯不動(dòng)的現(xiàn)象。同時(shí)，由前面的試驗(yàn)已知，壓電馬達(dá)的步距隨驅(qū)動(dòng)頻率的提高而減小，隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大。但由于受到電容測(cè)微儀分辨力的影響，只能取數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定的5Hz、50V驅(qū)動(dòng)電壓下進(jìn)行最小步距測(cè)量。測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 50V、5Hz驅(qū)動(dòng)電壓下的兩步位移值

由表2可以看出，該馬達(dá)的最小步距可達(dá)6nm。如果用更高分辨力的檢測(cè)儀器測(cè)量，并進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)頻率，可以獲得更小的步距。
實(shí)施方式該壓電馬達(dá)采用以尺蠖運(yùn)動(dòng)原理為基礎(chǔ)的新穎的“推—拉”接力運(yùn)動(dòng)原理，通過(guò)信號(hào)控制系統(tǒng)及巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)的勻速連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并獲得了很好的運(yùn)動(dòng)線性度。
該壓電馬達(dá)行程可大于10mm，理論上可達(dá)上百毫米，實(shí)際上主要由驅(qū)動(dòng)軸的尺寸所決定。
該壓電馬達(dá)的步距隨驅(qū)動(dòng)頻率的提高而減小，隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增大，最小步距可以達(dá)到幾納米。
該馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力可以達(dá)到1.4N。
通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和頻率，可以改變馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)速度，目前可以達(dá)到12μm/s以上。
權(quán)利要求1.一種大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)，其特征是，由第一夾緊器、第二夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)軸組成，第一夾緊器與第一驅(qū)動(dòng)器相連，第二夾緊器與第二驅(qū)動(dòng)器相連，第一夾緊器、第二夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成使驅(qū)動(dòng)軸發(fā)生運(yùn)動(dòng)的推拉關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)，其特征是，第一夾緊器、第二夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器可對(duì)稱(chēng)放置，即第一夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器、第二夾緊器依次放置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)，其特征是，第一夾緊器、第二夾緊器選用形變較大的多片層疊塊狀壓電晶體。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)，涉及微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具體講是涉及應(yīng)用于納米測(cè)量或納米定位大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)。為提供低價(jià)格大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，大行程納米級(jí)步距壓電馬達(dá)由第一夾緊器、第二夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)軸組成，第一夾緊器與第一驅(qū)動(dòng)器相連，第二夾緊器與第二驅(qū)動(dòng)器相連，第一夾緊器、第二夾緊器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成推拉關(guān)系。本實(shí)用新型主要用于納米定位及納米測(cè)量。
文檔編號(hào)H02N2/02GK2747782SQ20042002972
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者趙美蓉, 林玉池, 陸伯印 申請(qǐng)人:天津大學(xué)