貼片式超聲電機、驅(qū)動平臺及其驅(qū)動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種貼片式超聲電機、驅(qū)動平臺及其驅(qū)動方法，屬于精密驅(qū)動與微定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲電機是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)激勵彈性體產(chǎn)生微幅超聲振動，通過摩擦耦合實現(xiàn)機械能輸出的微特電機。與傳統(tǒng)電磁電機相比，因其具有結(jié)構(gòu)易于微型化、響應(yīng)速度快、無電磁干擾等技術(shù)優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動與微定位技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)彈性體(或稱為定子)的結(jié)構(gòu)形式與驅(qū)動激勵模式的不同，超聲電機主要有梁結(jié)構(gòu)彈性體超聲電機和板結(jié)構(gòu)彈性體超聲電機等幾種類型。
[0003]中國專利《桿式行波型超聲電機》，授權(quán)公告號為CN 100525057 C，授權(quán)公告日為2009年8月5日，公開的一種桿式行波型超聲電機，其定子組件由底座和上配重塊將壓電陶瓷片組和電極片組通過底座的螺桿旋緊連接，上配重塊呈圓盤狀，上端部有一尺寸相對較小的內(nèi)槽凸臺，底座外緣具有四個安裝用的螺紋孔，電機轉(zhuǎn)子組件由柔性轉(zhuǎn)子、銷、壓蓋、軸等構(gòu)成，電機定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力通過壓緊彈簧來獲得和調(diào)節(jié)，當(dāng)電機通入超聲頻域內(nèi)一定的交流電壓時，電子定子部分上配重塊與轉(zhuǎn)子接觸的表面的質(zhì)點做橢圓運動，由于定轉(zhuǎn)子之間存在預(yù)壓力，定轉(zhuǎn)子間會產(chǎn)生摩擦力，這種摩擦力會推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；中國專利《彎振模態(tài)梁式直線超聲電機振子》，授權(quán)公告號為CN 101626203 B，授權(quán)公告日為2011年7月20日，公開的一種彎振模態(tài)梁式直線超聲電機振子由兩個驅(qū)動足、兩個端蓋、兩個絕緣套、兩對極化方向為厚度方向的壓電陶瓷片、法蘭盤、兩個薄壁梁和安裝座組成，法蘭盤的端面上沿其軸線各伸出一根螺柱，每個螺柱上套有一對壓電陶瓷片，每個螺柱的懸伸端端部旋合有端蓋，每個端蓋的末端上都設(shè)置一個驅(qū)動足，所述每片壓電陶瓷片由切分后組合的、對稱的兩個半片壓電陶瓷片組成，兩個半片壓電陶瓷片之間極化方向相反，法蘭兩側(cè)的兩對壓電陶瓷片的切分線相互垂直，每對壓電陶瓷片中的壓電陶瓷片的極化方向相反；中國專利《圓盤型非接觸超聲電機》，授權(quán)公告號為CN 100525056 C，授權(quán)公告日為2009年8月5日，公開的一種圓盤型非接觸超聲電機，主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件和制作組件構(gòu)成，定子組件由圓盤形定子基體和壓電陶瓷粘貼構(gòu)成，電機的轉(zhuǎn)子組件由轉(zhuǎn)子基體、軸、彈簧、螺母等構(gòu)成，電機支座組件由底座、外殼、螺釘構(gòu)成，當(dāng)電機通入超聲頻率范圍內(nèi)一定的交變電壓時，電機定子產(chǎn)生超聲頻率的轉(zhuǎn)動，通過粘性力驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，動力由軸輸出；中國專利《新型旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機》，申請公告號為CN 102437787 A，申請公告日為2012年5月2日，公開的一種新型旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機，其主要部件有二個定子、轉(zhuǎn)子、底座、摩擦襯墊、擋圈以及軸承等，其中，兩個形狀相同的定子對稱布置并且壓緊轉(zhuǎn)子兩個端面，保證兩定子的工作面可靠實現(xiàn)與轉(zhuǎn)子表面平行接觸，使定轉(zhuǎn)子接觸面受力均勻，這樣可以克服目前基于單定子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機定轉(zhuǎn)子存在徑向接觸不均勾、接觸范圍小、定轉(zhuǎn)子存在徑向滑移摩擦損耗等缺陷，有望提高旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩和效率，并且延長旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機的使用壽命。
[0004]由超聲電機的驅(qū)動原理可知，相同條件下電機定子的振動幅值越大，定子與轉(zhuǎn)子間有效接觸面積越大，越有利于電機整機性能的提高。而上述采用梁結(jié)構(gòu)彈性體的超聲電機，雖然電機定子振動幅值較大，但定子與轉(zhuǎn)子間有效接觸面積較小，使得梁結(jié)構(gòu)超聲電機的機械輸出性能受限；對于采用板結(jié)構(gòu)彈性體的超聲電機，與梁結(jié)構(gòu)超聲電機相比，雖然電機定子與轉(zhuǎn)子間有效接觸面積較大，但定子的振動幅值一般較小，同樣表現(xiàn)為限制了超聲電機機械功率的強力輸出。由此可見，對于單獨采用梁結(jié)構(gòu)彈性體或板結(jié)構(gòu)彈性體的超聲電機，由于定、轉(zhuǎn)子間有效接觸面積小或振動幅值不大等技術(shù)問題，導(dǎo)致超聲電機整體輸出性能不理想，限制了其在精密驅(qū)動與微定位技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決對于單獨采用梁結(jié)構(gòu)彈性體或板結(jié)構(gòu)彈性體的超聲電機，由于定、轉(zhuǎn)子間有效接觸面積小或振動幅值不大所導(dǎo)致超聲電機整體輸出性能不理想等技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種貼片式超聲電機、驅(qū)動平臺及其驅(qū)動方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:所述貼片式超聲電機包括固定底座、第一彈性體、第二彈性體、轉(zhuǎn)動體、鍵、推力球軸承、蝶形彈簧、螺母和輸出軸組成。
[0007]所述固定底座為板結(jié)構(gòu)，所述固定底座一側(cè)端部表面沿圓周方向均勾設(shè)置有η個通孔結(jié)構(gòu)，其中η為大于等于I的整數(shù)；所述固定底座一側(cè)端部表面中心位置設(shè)有螺紋孔結(jié)構(gòu)，所述固定底座另一側(cè)端部表面中心位置設(shè)有沉頭孔結(jié)構(gòu)，所述固定底座螺紋孔結(jié)構(gòu)與沉頭孔結(jié)構(gòu)中心位置設(shè)有通孔結(jié)構(gòu)。所述第一彈性體為空心圓柱體結(jié)構(gòu)，所述第一彈性體兩側(cè)端部外圓周表面均設(shè)置有外螺紋結(jié)構(gòu)，所述第一彈性體兩側(cè)端部外螺紋結(jié)構(gòu)之間的外圓周表面上沿圓周方向均勻設(shè)置有m個外平面結(jié)構(gòu)，其中m為大于等于I的整數(shù)，所述布置于第一彈性體外平面上的矩形壓電陶瓷片采用4激振模式進(jìn)行激勵，且均沿厚度方向極化，所述布置于第一彈性體外平面上的矩形壓電陶瓷片的形變方向與第一彈性體的中心軸線均成土 α角布置關(guān)系，所述第一彈性體沿軸向設(shè)置有通孔結(jié)構(gòu)。所述第二彈性體為平面型第二彈性體或梳齒型第二彈性體。所述轉(zhuǎn)動體為板結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動體一側(cè)端部表面中心位置設(shè)有圓形凹槽結(jié)構(gòu)，與第二彈性體的圓形凹槽結(jié)構(gòu)相對布置；所述轉(zhuǎn)動體另一側(cè)端部表面中心位置設(shè)有凸緣結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動體凸緣結(jié)構(gòu)端部表面設(shè)置有階梯孔結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動體端部表面中心位置設(shè)有通孔結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動體凸緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置有鍵槽結(jié)構(gòu)。所述輸出軸為階梯軸結(jié)構(gòu)，所述輸出軸一側(cè)端部設(shè)置有鍵槽結(jié)構(gòu)，所述輸出軸靠近鍵槽結(jié)構(gòu)一側(cè)設(shè)置有外螺紋結(jié)構(gòu)，所述輸出軸另一側(cè)端部設(shè)置有外螺紋結(jié)構(gòu)，所述輸出軸與推力球軸承配合連接的外圓周表面上靠近鍵槽結(jié)構(gòu)一側(cè)設(shè)置有鍵槽結(jié)構(gòu)。
[0008]所述布置于第一彈性體上的矩形壓電陶瓷片構(gòu)成激振組Α。
[0009]所述一種貼片式超聲電機的驅(qū)動方法具體為:所述激振組A通以某一超聲頻率(一般大于16 kHz)的交流激勵電信號，所述激振組A激發(fā)的縱向振動激勵第二彈性體產(chǎn)生彎曲振動模態(tài)，所述激振組A激發(fā)的扭轉(zhuǎn)振動激勵第一彈性體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)，利用振動模態(tài)的疊加與耦合，在第二彈性體與轉(zhuǎn)動體的接觸表面上形成驅(qū)動摩擦力，通過調(diào)節(jié)激振組A交流激勵電信號的相位差，可實現(xiàn)本發(fā)明正反兩個方向的運動輸出；所述交流激勵電信號可為正弦、方波或鋸齒波等周期電信號。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用梁板復(fù)合方式的彈性體對超聲電機進(jìn)行激振，利用梁結(jié)構(gòu)彈性體與板結(jié)構(gòu)彈性體振動模態(tài)的疊加耦合，在實現(xiàn)電機定子較大振動幅值的同時，可獲得電機定子與轉(zhuǎn)子間較大的有效接觸面積，使得超聲電機的整機輸出性能獲得大幅度提升。本發(fā)明具有輸出功率大、電機運行平穩(wěn)、定位精度高、環(huán)境適應(yīng)性強以及應(yīng)用范圍廣等技術(shù)優(yōu)勢，在精密驅(qū)動與微定位技術(shù)領(lǐng)域中具有較大的應(yīng)用與發(fā)展前景。
【附圖說明】
[0011]圖1所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機的剖視圖；
圖2所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機的固定底座的主視圖；
圖3所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機的固定底座的剖視圖；
圖4所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機的第一彈性體的主視圖；
圖5所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機的第一彈性體的截面剖視圖；
圖6所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機及使用該電機的驅(qū)動平臺的平面型第二彈性體的主視圖；
圖7所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機及使用該電機的驅(qū)動平臺的平面型第二彈性體的剖視圖；
圖8所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機及使用該電機的驅(qū)動平臺的梳齒接觸型第二彈性體的主視圖；
圖9所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機及使用該電機的驅(qū)動平臺的梳齒接觸型第二彈性體的剖視圖；
圖10所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機的轉(zhuǎn)動體的主視圖；
圖11所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機的轉(zhuǎn)動體的剖視圖；
圖12所示為本發(fā)明提出的一種貼片式超聲電機的輸出軸的局部剖視圖；
圖13所示為本發(fā)明提出的一種使用貼片式超聲電機的驅(qū)動平臺的剖視圖；
圖14所示為本發(fā)明提出的一種使用貼片式超聲電機的驅(qū)動平臺的固定外架的剖視圖；
圖15所示