[发明专利]基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机及其工作模态

说明书

本发明公开了一种基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机及其工作模态，其定子组件安装于动子组件与支座组件之间；利用定子组件特定的两相工作模态振动，其中，面外反对称弯振模态用于实现动子组件与定子组件之间的接触与脱离，面内对称弯振模态则分别实现驱动动子组件的平面滑板沿y向和x向的运动。本发明使电机能产生微米级甚至更高精度等级的精密运动性，并使电机具有快速响应特性；能成倍增大电机输出动力，并使电机运行更趋稳定；有利于实现电机微型化、平板化设计，能够广泛应用于精密平面运动定位、小型和微型伺服执行机构的驱动。

技术领域

本发明涉及压电超声电机领域，是利用口齿形结构板的面内振动工作模态和面外振动工作模态复合驱动的两自由度平面超声电机，具体涉及一种基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机及其工作模态。

背景技术

超声电机是基于压电材料的逆压电效应将电能转化成弹性体质点的机械能，并利用机械摩擦作用转换为宏观机械运动。超声电机与传统电磁式电机相比，结构简单、体积小、精度高、响应快、断电自锁、无电磁干扰等优点。超声电机是现代制造装备、航天器件、新式武器、家用及办公自动化设备不可或缺的重要执行部件，分为旋转型、直线型、单自由度、多自由度等多种形式。目前，旋转型和直线型超声电机技术日渐成熟，超声电机产业化也主要集中于这两类电机，而平面超声电机(PUSM)作为多自由度电机的一种特定型式，因存在运动和动力耦联特征，而使其技术冲突激增、设计复杂、驱动控制困难，从而造成其发展相对迟缓。迄今，已推出的PUSM主要有柱杆式、平板式、组合式等结构。国外研究方面，1998年，富川义朗成功设计基于叠层式压电陶瓷的弯曲振动模态的单足式驻波直线型超声电机，该电机无负荷最大速度为90mm/s。2006年，法国Dembele研制出一种小型三自由度平面超声电机，尺寸64mm×38mm×2.5mm；同年，比利时的Vijver研制出一种压电三自由度平面工作平台，精度达l0nm。2012年Scuor设计出基于超声电机的五自由度定位平台。在国内，2002年刘俊标推出圆柱杆振动驱动的平面电机。2008年，时运来基于变截杆在正交方向上两个四阶弯振，研制出一种柱杆式两自由度平面电机，该电机最高速度190mm/s，最大推力19N。2009年，哈工大陈维山推出基于十字正交聚能器驱动的平面超声电机，推力达100N。2014年，严亮等研制出单定子两自由度平面超声驱动器。总体地看，由于发展时间不长，现已推出的平面超声电机结构型式还极其有限，电机的性能上普遍处于较低。尽管如此，由于平面超声电机实现了平面运动直接驱动，响应快、动力密度大、定位精密高，故在大集成度硅加工、精密光整加工、光纤装配、显微医学操作等众多领域内有着特殊重要的应用前景，在微驱动、微装配、机器人等许多高新技术领域中可发挥出其它电机难以替代的重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种利用口齿形结构板内四根两两对称的齿的面内弯振振动模态以及面外弯振振动模态驱动的平面超声电机，使电机具有微米级、亚微米级运动分辨率，毫秒级响应速度，能产生较大运动速度，并输出较大推力。

鉴于上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。基于口齿形压电振子驱动的平面超声电机，包括定子组件、动子组件和支座组件，所述定子组件安装于所述动子组件与所述支座组件之间；

所述定子组件包括口齿形结构板,口齿形结构板呈方框形，口齿形结构板四个内角的转角处设置有槽孔，且四角上设置有螺纹孔；口齿形结构板一对边的内侧设置有纵齿，另一对边的内侧设置有横齿；纵齿和横齿均呈方形条状，其端部呈锥形，纵齿和横齿的内部均设置有调整孔，调整孔的中轴线分别与纵齿和横齿中心线重合；纵齿和横齿的四周表面粘帖有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件包括面外纵振激励陶瓷和面内弯振激励陶瓷，纵齿和横齿的平面粘贴有面外纵振激励陶瓷，纵齿和横齿的侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷，纵齿和横齿的端部的平面均设置有驱动足，驱动足的厚度略高于面外纵振激励陶瓷的厚度，驱动足顶面涂覆有高性能耐磨擦材料；

所述动子组件包括平面滑板和动子支座，动子支座设置有凹坑，凹坑内装有滚珠，并覆盖于平面滑板上；