[发明专利]压电电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电电机，属于压电精密致动技术领域。 

背景技术

随着微/纳米技术的发展，众多工程技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密作动器，但是基于电磁感应原理的电磁电机在微型化、高功重比的发展方向上很难突破。随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷（PZT）材料的出现使得压电精密作动器的研究得到了广泛关注，并在精密作动领域显示出了广泛的应用前景。 

压电陶瓷作为作动器的一个突出优势是自身刚度较大，具有较高的负载能力和较宽的频率响应，但是压电陶瓷的输出应变较小，不能满足现有应用的需求。针对这一矛盾，目前有两种解决方法：一是利用结构共振，就是利用压电陶瓷作为激励元件激发结构的共振，以达到放大压电陶瓷微应变的目的，这类技术方案主要是超声电机；二是采用叠层压电堆，就是将多层片状压电陶瓷叠放，在机械上串联，电学上并联，这样的好处是以较低的电压实现较大的结构应变，目前主要的技术方案是尺蠖式箝位步进压电电机。 

尺蠖式箝位步进压电电机采用的是一种仿生型的工作原理，其动子由两个箝位单元和一个驱动单元组成，每个单元都是一个叠层压电堆，箝位单元和驱动单元垂直相连，三者组成“工”字形，其中“工”字的两横代表箝位单元，箝位单元可以沿横线方向伸长，一竖代表驱动单元，驱动单元可以沿竖线方向伸长，整个“工”字形动子由两个平行的固定导轨夹在中间，导轨的方向与“工”字形动子驱动单元伸长的方向平行。 

尺蠖式箝位步进压电电机工作时序如下： 

第一步，“工”字形动子下面的箝位单元伸长并锁紧平行导轨；

第二步，驱动单元伸长，这样“工”字形动子上面的箝位单元向上步进一段距离；

第三步，工字动子上面的箝位单元伸长锁紧平行导轨；

第四步，工字动子下面的箝位单元缩短松开平行导轨；

第五步，驱动单元缩短，这样“工”字形动子下面的箝位单元向上步进一段距离；至此“工”字形动子整体向上步进了一段距离，重复以上步骤，动子将实现连续步进。

由以上原理分析可以看出，尺蠖式箝位步进压电电机有以下四个技术难题： 

第一，尺蠖式箝位步进压电电机能够实现步进的关键是要两个箝位单位能够交替锁紧平行导轨，而两个箝位单元在运动方向上相隔一段距离，这要求平行导轨的平行度要足够高，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，尺蠖式箝位步进压电电机的平行导轨是固定的，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，叠层压电堆只能承受较小的拉力，但能承受较大的推力，因此，在驱动单元缩短时，叠层压电堆的做功能力就很小，这就降低动子的效率；

第四，在所有叠层压电堆都断电的情况下，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

本发明针对现有技术的不足，提供一种压电电机，其具有推力大、制作成本低、寿命长、效率高的优点，同时具备断电自锁功能。 

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案： 

一种压电电机，包括压电体、运动件以及弹性连接件，所述压电体通过弹性连接件的弹性形变与运动件弹性相触，所述压电体包括导向盒以及置于导向盒内的压电作动单元；导向盒包括导向盒本体以及设置于导向盒本体的作动单元安装面，所述作动单元安装面与导向盒本体之间柔性连接；压电作动单元为轴对称结构，包括基体、驱动足以及压设在基体和驱动足之间的两组叠层压电堆，基体与作动单元安装面固定连接，而驱动足伸出导向盒内腔后与运动件相触；弹性连接件一端与导向盒本体固定，另一端则与基体相背于驱动足的端部相触；每组叠层压电堆均与相应的激励电源连接。

所述导向盒的盒面开设工字形贯穿割缝，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，每一条横向割缝的两端均设置柔性铰链，且竖向割缝相对于两条横向割缝的中心连线偏置；所述两条横向割缝、竖向割缝之间围成的区域为作动单元安装面。 

所述横向割缝的两端通过以下方式设置柔性铰链：先将每一条横向割缝的两端均向外垂直地延伸以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；然后将横向割缝竖向延伸段的端部设置成圆孔即可。