[发明专利]一种压电步进电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电步进电机，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

压电陶瓷的逆压电效应可将电能转化为机械能，据此效应设计的作动器具有结构简单，电磁兼容性好和响应快等特点。

由于压电陶瓷的变形输出受激励电场和自身刚度的影响，为使用的方便和电激励的实用性，通常为类似平行板电容器的片状结构，其输出变形很小。为了将这微小的变形转化为运动物体的宏观运动，通常采用的技术有两种：一是将多片压电陶瓷堆叠，采用电路并联的方式制作成集成元件，也叫叠层压电陶瓷，该器件可在较小电压下输出较大的应变（通常为0.1%），该技术可被应用在行程在几十微米行程的精密微动机构中。二是利用结构的共振，使压电元件工作在高频共振状态，从而获得微米级位移输出，并通过摩擦耦合的方式将微米级振动转化为运动物体的单向宏观运动，常见的应用见于超声电机。

叠层压电陶瓷具有大推力的特点，为克服其行程的限制，出现了用叠层压电陶瓷作为动力源并采用交替箝位方式工作的压电步进电机，这类电机可以在输出推力的同时具有无限的行程，还能获得无限的闭环位置分辨率，由于采用静摩擦力耦合的方式输出步进运动，这种作动器要比采用滑动摩擦力耦合方式的超声电机拥有更大的推力。然而，现有技术有以下三个技术难题：

第一，实现交替箝位的两个箝位单元相互独立且二者间相距较远，这要求导向机构的平行度要足够高，现有技术条件下，要实现较长距离的两个导轨具有较高的平行度很困难，需要较高的制作成本；

第二，现有导向机构之间的距离是固定的，箝位单元两端的磨损将最终导致无法实现箝位，导致失效；

第三，在所有叠层压电陶瓷都断电的情况下，箝位单元与平行导轨之间的锁紧力远小于箝位单元锁紧平行导轨的锁紧力，因此尺蠖式箝位步进压电电机几乎没有断电自锁的能力。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种压电步进电机，其具有推力大、大行程、寿命长、效率高的优点，同时具备断电自锁功能。

本发明是通过如下方法实现的：

    一种压电步进电机，所述压电步进电机包括压电体、运动件、预压弹簧以及上部和侧部基座，所述压电体通过预压弹簧变形产生的弹性回复力作用与运动件接触，所述压电体平行于其作动方向的一面与侧部基座刚性连接；

所述压电体包括导向盒以及置于导向盒内的压电作动模块，所述导向盒包括导向盒本体以及设置于导向盒本体外壳上的压电作动模块安装面，所述作动模块安装面与导向盒本体之间柔性连接，导向盒本体与侧部基座固定连接，所述压电作动模块由若干个轴对称的双层一体结构的压电单元组成；

所述压电单元基体、驱动足、柔性连接块、预紧机构、柔性连接块以及叠层压电陶瓷，所述叠层压电陶瓷和柔性连接块通过预紧机构压设在基体和驱动足之间，所述基体与压电作动模块安装面固定连接，所述驱动足包含一个凸起部，所述凸起部伸出导向盒体后与运动件相接触；

所述每层两组柔性连接块和叠层压电陶瓷的作动方向互相垂直，其中一组柔性连接块和叠层压电陶瓷的作动轴线垂直于驱动足与运动件的接触面；

所述预压弹簧设置于基体相背于驱动足凸起部的一端，所述导向盒垂直于接触面且垂直于压电单元安装面的一侧与侧部基座刚性连接。

作为本发明的进一步创新，所述导向盒的压电体的安装面以及其相对的一面开有工字型的贯穿割缝，该工字形贯穿割缝包括两条横向割缝以及连接在两条横向割缝之间的竖向割缝，所述竖向割缝垂直于压电体的凸起部和运动件的接触面，所述横向割缝的两端设置有柔性铰链，且竖向割缝相对于两条横向割缝的中心连线偏置；所述压电作动模块安装面为两条横向割缝、竖向割缝之间围成的区域；所述压电电机的压电体与运动件装配位置通过上述横向割缝和运动件运动方向确定，两者相互平行。

 作为本发明的进一步创新，所述横向割缝的两端均向外垂直地延伸形成横向割缝竖向延伸段，使得横向割缝竖向延伸段端部相对于导向盒本体端面的间距小于横向割缝相对于导向盒本体端面的间距；在所述横向割缝竖向延伸段的端部设置有柔性铰链，所述柔性铰链为弧形柔性铰链或者直角柔性铰链。

作为本发明的进一步创新，所述柔性连接块设置于叠层压电陶瓷和基体之间，两组压电作动模块的驱动足与基体通过螺纹紧固件连接。