[发明专利]压电驱动器组合激振式旋转直线超声电机及其激励方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电驱动器组合激振式旋转直线超声电机及其激励方法，属于精密驱动与定位技术领域。

背景技术

超声电机（也可称为超声波马达）是一种利用压电元件的逆压电效应激发振子（或称定子）产生微幅高频的超声振动，通过振子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的微特电机。按照动子的输出形式不同，超声电机可分为直线、旋转与多自由度等几种输出类型。旋转直线超声电机作为目前诸多输出类型超声电机中的一种，其振子与动子间主要采用螺纹副进行传动，通过螺纹传动副实现旋转直线两自由度运动的输出。与其它类超声电机相比，旋转直线超声电机具有结构简单、易于微型化、定位精度高等优势，可广泛应用于精密驱动与传动的技术领域。

根据振子的构成方式与驱动激励模式的不同，旋转直线超声电机主要有超声波导螺杆电动机、基于模态转换的金属方体定子旋转直线超声电机、螺纹驱动多面体超声电机以及压电片夹心式旋转直线超声电机等几种类型。其中美国专利《MECHANISM COMPRISED OF ULTRASONIC LEAD SCREW MOTOR》，公开号为US2006049720-A1，公开日为Mar.9，2006，公开的超声波导螺杆电动机主要是将压电片粘贴于杆式结构定子外侧面，利用两端自由约束的柱体定子空间上正交的两个一阶弯曲振动相互耦合，在定子自由端的内表面产生驱动行波，定子与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转直线运动输出。日本专利《超音波操作装置および微細管内検査システム》，公开号为JP2009261494-A，公开日为2009年11月12日，公开的基于模态转换的金属方体定子旋转直线超声电机主要是利用粘贴压电片的复合金属方体定子的径向收缩振动（R₃振动模态）和轴向伸缩振动（T₁振动模态）两种模态间的转换来实现旋转与直线运动的输出，并且这两种运动是相互独立的，可以实现单独控制。中国专利《螺纹驱动多面体超声电机》，公开号为CN1767347A，公开日为2006年5月3日，公开的螺纹驱动多面体超声电机主要是将压电片粘贴到金属薄壁圆筒定子外侧的平面上，转子与金属薄壁圆筒定子通过螺纹相啮合，通过激励压电片使定子中产生沿圆周方向的面内弯曲行波，该面内弯曲行波通过螺纹直接驱动转子旋转并转换成转子的轴向直线运动。中国专利《压电片夹心式旋转直线超声电机定子》，授权公告号CN102355157B，授权公告日2014年02月12日，公开的压电片夹心式旋转直线超声电机主要是将压电片以夹心式结构的方式布置于悬臂梁与自由梁定子中，激发定子的弯曲振动模态，利用模态耦合实现螺纹输出轴的旋转直线运动输出。

上述几种实现方式的旋转直线超声电机虽然在振子的构成方式或驱动激励模式有所不同，但其共同点是振子中用于激发振动的压电激振元件均采用单层片状形式的压电片作为激振源，导致电机的输出力较小（一般不超过10 N）、输出功率较低（一般不超过20 mW）。这一问题在要求驱动器具有大输出力、高输出功率特性的航空航天、飞行器及军工技术等领域显得更为突出。

发明内容

为解决已有旋转直线超声电机由于采用压电片作为激振源，所导致的电机输出力小、输出功率低等技术问题，本发明公开了一种压电驱动器组合激振式旋转直线超声电机及其激励方法。

本发明所采用的技术方案是：所述的压电驱动器组合激振式旋转直线超声电机包括支撑架、压电驱动器、弹性螺母、输出轴和预紧螺钉。所述的支撑架为中部固定的盘形结构，压电驱动器为压电堆叠，压电驱动器双层内置于支撑架中，并通过预紧螺钉加压预紧于弹性螺母的外平面，弹性螺母为具有外平面和内螺纹的螺母结构弹性体，输出轴为螺纹轴结构刚性体，弹性螺母与输出轴之间通过螺纹副传动。通过在压电驱动器上施加交变电信号，激发弹性螺母的二阶弯曲振动模态，叠加耦合形成驱动行波，通过螺纹副传动产生驱动力，实现输出轴的旋转直线运动输出。

本发明所提出的压电驱动器组合激振式旋转直线超声电机具有输出力大、输出功率高等优点，其输出力可达20 N以上，并可获得50 mW以上的输出功率，在航空航天、军工技术等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1所示为本发明提出的一种单层四激振模式的压电驱动器组合激振式旋转直线超声电机的主视图；

图2所示为本发明提出的一种单层四激振模式的压电驱动器组合激振式旋转直线超声电机的剖视图；