[发明专利]一种宏微驱动型直线压电电机及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机研究领域，特别涉及一种宏微驱动型直线压电电机及其驱动方法。

背景技术

随着IC制造工艺的快速进步和市场对微小芯片的急切需求，芯片集成度日益增高，I/O密度越来越高，芯片尺寸、芯片引线间距和焊盘直径持续减小，芯片封装业的迅速发展对封装设备的定位精度和运动速度、加速度同时提出了极高的要求。然而，定位精度与运动速度的提高是相互矛盾的，运动速度、加速度提高，使得机构惯性力增大，惯性力变化的频率也随之加大，系统易于产生弹性变形和振动现象，既破坏机构的运动精度，增加机械稳定的建立时间，又影响构件的疲劳强度，加剧运动副中的磨损。高精度定位希望机构运动平缓，而高生产率又希望系统高速往复运动并高速启停，即大行程与高精度相互矛盾。如何较好地解决这些矛盾，实现大行程、高速机械运动系统的精密定位已成为当前芯片封装界一个亟待解决的问题。

压电陶瓷驱动因其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高等优点，成为精密定位时比较理想的驱动元件，但是其行程只有数十微米，因此其应用范围受到了限制。

目前现有技术中已有宏微驱动的概念，即在一个电机上，同时实现大行程高速移动和高分辨率的精密移动，但这一概念尚不能在实际应用中精确实现。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种宏微驱动型直线压电电机，该电机结构简单、紧凑、工作可靠，该电机可在不同的驱动频率、工作电压和相位差下实现振子振动模态下的超声驱动，也可以通过微位移放大机构实现静态变形的微驱动（蠕动），在同一个电机上，实现大行程高速移动和高分辨率的低速移动，即所谓的宏微驱动。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述宏微驱动型直线压电电机的驱动方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种宏微驱动型直线压电电机，包括机架、驱动振子、动子，以及用于锁定机架、驱动振子、动子并调节预紧力的预紧机构，所述机架两端设有轴承，动子穿过两轴承和驱动振子；所述驱动振子包括压电元件、两个中间带孔的金属弹性体和一个中间带孔的微位移放大弹性体，两个金属弹性体分别与微位移放大弹性体的两端连接，微位移放大弹性体孔内侧中部设有凸齿，凸齿与动子在驱动过程中摩擦接触连接，微位移放大弹性体两端设有用于放置压电元件的凹槽，每端放置2M个压电陶瓷盘，M≥1，每个压电陶瓷盘均沿厚度方向极化，每两个压电陶瓷盘极性相反相互贴合成一组，成组对称放置在微位移放大弹性体两端上的凹槽内，每个压电陶瓷盘的两侧均设置有作为接线端子的金属片，每组的压电陶瓷接触面即组内公共接触区域为电源信号输入端，每组的压电陶瓷非公共接触区域为电源信号输入地端。本发明压电电机的核心部件是复合型驱动振子，该驱动振子是由两个金属弹性体通过微位移放大弹性体串联组合而成，此振子在相位差为90度的交变电流作用下分别激励出两个近频、同型、相位差为90度的纵向振动的驻波，两驻波合成后，在凸齿处形成椭圆运动的轨迹，通过调节驱动振子与动子之间的预紧力，进而可使动子在预紧力的作用下，依靠摩擦传动产生所需的直线运动。从而可以在动子实现大行程高速移动，同时在压电元件的作用下，还可以实现小行程的精密移动，即所谓的宏微驱动。

优选的，所述压电陶瓷盘为压电陶瓷圆盘或正多边形压电陶瓷盘。

优选的，所述微位移放大弹性体孔内侧中部设有的凸齿为上下对称的V形凸齿，或抛物线形凸齿，或圆弧形凸齿。

作为优选方案，所述金属弹性体和微位移放大弹性体外侧均设置有凸台，为防止微位移放大弹性体振动通过摩擦引起微位移放大弹性体与接线端子之间产生径向位移，凸台内有孔，金属弹性体与微位移放大弹性体通过紧固螺栓连接。在装配时，通过调节紧固螺栓可以将金属弹性体和微位移放大弹性体紧紧地连接在一起，此种结构适合于承受更高的激励电压。

作为另一种优选方案，所述金属弹性体外侧面为棱柱结构，同时外表面上设置有外螺纹，微位移放大弹性体上设置有内螺纹，内螺纹上设置有用于使引线引出微位移放大弹性体的缺口，金属弹性体和微位移放大弹性体通过螺纹配合连接。此种结构适合于小推力的应用场合。在实际应用中，金属弹性体外侧面可以选择六边形、五边形、四边形棱柱，甚至只在表面削切两个平面也可以，用来作为扳手位，这样便于扳手调节松紧度。