[发明专利]一种2自由度旋转–直线运动微型超声电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种2自由度旋转–直线运动微型超声电机，尤其是基于压电陶瓷管的2自由度旋转–直线运动微型超声电机，属于精密机械中的压电微机电器件领域。

背景技术

压电微型电机与传统的电磁电机相比，尤其是在小尺寸（毫米-厘米）范围中，压电微型电机及压电驱动器已经显示了许多独特的优点，诸如相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率。传统的电磁电机在几个毫米量级尺寸的制造方面已变得很困难，而且它的效率在几个毫米尺寸时只剩下百分之几（<8%），因为它缺少足够强的磁场。压电电机的效率基本与尺寸无关，也没有磁场问题。压电电机即使在毫米尺寸，也能维持低速、和相对大的力矩特征。作为精密驱动元件，压电电机及驱动器正成为一些高新技术产品诸如手机，医学成像系统和其它微型医用设备的关键元件。许多新的驱动技术，诸如音圈电机、压电驱动器、压电超声微电机等，已有了快速发展，并在许多领域里获得成功应用。在这些微型驱动技术中，压电微电机在精密控制与驱动力，分辨率和功率消耗等方面已显示出明显的优越性，并且更容易做到微型化。

随着机电技术的进步，传统的单自由度电机已经无法满足高精度复杂运动系统日趋微型化的要求。如Nanomotion和PI公司发展的直线压电电机（US Patent5877579,20080073999A1）具有微-纳米的分辨率能力，但只能驱动机构沿一个方向作直线运动，因此若要实现多自由度运动系统就必须利用多个电机和传动机构，这不仅增加了控制系统的体积和成本，还降低了系统的运动精度。多自由度超声电机具有直接驱动和高精度的特点，因而显示了明显的优势。在这个背景下，国内外的许多学者对多自由度压电超声电机进行了大量的研究，提出了很多的多自由度超声电机的专利（CN Patent 1738179，李龙土等，2006；CN Patent200710072168.3，陈维生等，2007；US Patent5345137，Funakubo,1994；USPatent7514849 B2,Ichikawa,2009）。但这些已报道的多自由度超声电机都是实现2自由度平面运动或3自由度旋转运动。关于2自由度旋转-直线运动电机的报道不多，根据作者了解的知识，目前只有一种结构的报道（Tomoaki Mashimo andShigeki Toyama,Rotary-linear piezoelectric actuator using single stator,IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,Vol.56,No.1,pp.114-120,2009），但是该电机采用金属和陶瓷的复合定子，结构较为复杂，且定子和轴需要较高的配合精度，电机的输出力也很小。因此，为了满足某些移动通讯、数码相机等消费电子，和一些生物与医疗器械等对2自由度旋转–直线运动微型驱动器的需要，有必要发明一种新的、结构简单、高性能的超微型多自由度超声电机。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种结构紧凑的2自由度旋转–直线运动微型超声电机。

本发明通过以下技术方案实现：

一种2自由度旋转–直线运动微型超声电机，包括压电驱动器定子、轴、运动导向装置、弹性预压力装置和驱动电源；所述运动导向装置包括底座和旋转–直线运动轴承，旋转–直线运动轴承对称设置在底座的两侧；所述压电驱动器定子包括一个压电陶瓷管，轴穿过压电陶瓷管，轴同时与旋转–直线运动轴承配合设置，压电陶瓷管通过弹性预压力装置与轴之间实现弹性摩擦接触。

所述压电陶瓷管的两端固定设置一个环形金属端帽，环形金属端帽的内孔直径稍大于轴的直径。

所述弹性预压力装置包括夹持件、弹簧和挡板，夹持件下部设置2个用于夹持压电陶瓷管的弧形卡口，挡板与底座固定并位于夹持件的上方，夹持件上部固定设置杆，挡板开设孔，杆穿过挡板的孔，弹簧套在夹持件上部的杆上，位于夹持件和挡板之间。

所述压电驱动器定子使用相位相差90度的两路或四路交流电压驱动；所述压电陶瓷管沿径向极化，其内壁表面电极为一整体，外壁表面电极被对称的划分为8个部分，即沿轴向2等分，沿圆周方向4等分。

本发明的优点是：其压电驱动定子由一个压电陶瓷管和2个环形金属端帽构成，因而可以满足体积小、重量轻、结构简单等指标要求，同时还具有响应快、精度高等特点，本发明2自由度旋转-直线驱动机构结构紧凑、结构简单、尺寸小、应用前景比较广阔。

附图说明

图1为本发明实施例总体结构示意图；