[发明专利]压电驱动步进电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密机械驱动领域的步进电机，具体的说是一种压电驱动步进电机。

背景技术

压电材料是一种在材料某个方向施加压力，在材料表面会产生电荷，同时在材料表面施加电压时，材料形状会发生改变的特殊功能材料。在压电材料表面施加压力产生电荷的现象为正压电效应，在材料表面施加电压，材料发生形变的现象为逆压电效应。利用逆压电效应制作的压电驱动步进电机在航空航天、微生物、光学、机器人、生物医学、微机械电子系统等领域得到了广泛的应用。现有的压电驱动电机一般采用压电双晶片驱动惯性块以惯性冲击的方式驱动转子的技术方案，或利用压电材料驱动器产生的横波或纵波通过摩擦驱动转子转动的技术方案。

现有技术存在如下不足：利用惯性冲击方式驱动转子的技术方案，压电驱动电机的结构不紧凑，功率重量比较低，且由于高频率下质量块惯性力大容易造成压电陶瓷的过载断裂，因此其驱动频率一般不高；采用压电驱动器产生的纵波和横波通过摩擦驱动转子转动的技术方案的力矩传递是通过摩擦力实现的，因此其效率比较低，且输出扭矩大小受制于材料接触表面。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种压电驱动步进电机，该步进电机具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、效率高、运行平稳、响应速率快和能够实现位置保持功能的优点。

为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种压电驱动步进电机，包括输出轴，由转子、压电驱动器、定子和离合器组成的旋转驱动装置，位置保持机构，壳体和端盖；旋转装置中转子和定子同轴，旋转驱动装置的转子和离合器外圈为同轴固定连接，压电驱动器可输出长度方向的伸缩运动，压电驱动器在长度方向上一端连接转子、另一端连接定子，压电驱动器和转子连接点所对应的转子半径与压电驱动器的长边所成的角度为钝角，压电驱动器和定子连接点所对应的定子半径与压电驱动器的长边之间的角度为锐角，多个压电驱动器关于转子中心对称均匀分布；旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，旋转驱动装置的转子和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下旋转驱动装置和输出轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下输出轴和旋转驱动装置为间隙配合；位置保持机构内圈和输出轴同轴固定，外圈和壳体固定，只能实现一个方向的转动；输出轴通过位置保持机构和壳体之间形成转动副连接，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接

进一步地，所述压电驱动器为层叠结构，形状可以为长条形，也可以为圆柱形。

进一步地，所述转子为中心对称的圆盘状，也可以为经减重处理后的蜂窝状或轮辐状。

    进一步地，多个旋转驱动装置以输出力矩方向相同的安装方式安装，步进电机可以实现一个方向的连续步进转动。

进一步地，所述位置保持机构为单向轴承或棘轮机构。

进一步地，所述输出轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。

进一步地，所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定。

本发明压电驱动步进电机的工作原理为：首先在第一个旋转驱动装置中关于转子中心对称均匀分布的多个压电驱动器上施加驱动电压并且离合器抱紧输出轴时，由于逆压电效应压电驱动器产生长度方向的伸长（或缩短）变形，从而拉动转子带动输出轴进行旋转，当第一个旋转驱动装置中压电驱动器的伸长（或收缩）形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置驱动电压并且松开离合器的同时在第二个旋转驱动装置中关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个压电驱动器中施加驱动电压并且使离合器抱紧输出轴，使第二个旋转驱动装置以相同方向的转矩继续驱动输出轴转动，第一个旋转驱动装置则在压电驱动器的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个旋转驱动装置完成一个有限转角的旋转驱动后同样由后面的多个旋转驱动装置进行方向相同的步进驱动，最后一个旋转驱动装置完成步进驱动后可继续从第一个旋转驱动装置循环，每次的旋转步进装置角度输出在位置保持机构的作用下累积，以此来实现步进电机在一个方向任意角度的旋转。