[发明专利]一种大载荷、高精度、跨尺度压电旋转驱动器及驱动方法

说明书

技术领域

本发明属于精密仪器设备技术领域，尤其涉及一种压电旋转驱动器。

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/纳米级的精密驱动器，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。传统的驱动装置，如普通电机、丝杠螺母、蜗轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置已很难满足精度要求。因此，各国的科研人员倾力于研究性能更优越的新型高精度驱动装置。

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驱动器的研究得到了广泛关注，并在精密驱动领域显示出了广泛的应用前景。压电驱动装置因为体积小、重量轻、响应快微秒级、控制特性好、能量密度大、能耗低、不受磁场影响等特点而得到了更广泛的应用。

根据驱动原理的不同，压电驱动器可分为压电超声波驱动器、压电惯性驱动器和尺蠖型压电驱动器等。尺蠖型压电驱动器是仿照自然界中的爬行动物尺蠖，利用“箝位-驱动-箝位”的方式运动，也被称为蠕动式压电驱动器。它利用尺蠖原理，将压电元件的单步微量位移不断积累，形成连续的步进的精密位移输出，可以实现大行程高分辨率的运动，从而有效的解决了现有技术中几种驱动器大行程和高分辨率不能共存的问题，同时具有驱动原理简单，易于控制，输出力大等特点。

现有的尺蠖型压电旋转驱动器大多采用压电陶瓷材料的驱动力，使箝位面向导轨面涨紧，有的要在箝位面与导轨面之间加一层摩擦材料，但无论如何，都是利用箝位面与导轨面之间接触产生的静摩擦力提供箝位力，而箝位力的大小和箝位力的稳定性直接影响驱动器的承载能力、运动分辨率和运动稳定性。由于驱动器箝位面与导轨面之间的接触属于小间隙接触只有几微米，使得驱动器的性能容易受到外界因素如时效、温度、磨损、加工装配误差等因素的影响。鉴于该箝位原理的局限性，这种驱动器本身不可能有较大的输出力，并且由于磨损的存在，运行一段时间之后，由于间隙变大普遍出现输出负载下降，直线度不稳定的现象，最终影响尺蠖型压电旋转驱动器的使用寿命。

检索相关文献，可以将目前尺蠖型压电旋转驱动器的局限性总结如下：

1、载荷输出小，运动稳定性差，易出现箝位不稳定和直线度不稳定的现象；

2、箝位面与导轨面之间磨损大，易造成输出载荷的下降甚至驱动器失效，使用寿命短；

3、结构和操作复杂、成本高、能耗大；

4、难以同时实现大行程和高分辨率的驱动。

发明内容

本发明是为了解决现有的驱动器承载能力小、分辨率低且寿命短的问题，现提供一种大载荷、高精度、跨尺度压电旋转驱动器及该驱动器的驱动方法。

一种大载荷、高精度、跨尺度压电旋转驱动器，它包括：基座、A部、B部、连接板、驱动臂、平衡弹簧和输出轴；

所述A部包括：箝位斜块A、压电叠堆A、箝位弹簧A、弹簧座A、预紧螺栓A和预紧垫片A；

所述B部包括：箝位斜块B、压电叠堆B、箝位弹簧B、弹簧座B、预紧螺栓B和预紧垫片B；

输出轴的一端依次穿过基座中心的轴承孔和驱动臂中心的装配孔与连接板固定连接，且连接板与驱动臂固定连接；

平衡弹簧套接在输出轴的另一端，且平衡弹簧的一端固定在输出轴另一端的端面上，平衡弹簧的另一端固定在基座的底面；

压电叠堆A嵌固在驱动臂一端的压电叠堆安装槽内，并通过预紧螺栓A和预紧垫片A预紧；

基座的两内侧壁分别开有凹槽，且两个凹槽内分别嵌有直线导轨，弹簧座A固定在一个凹槽的一端，箝位斜块A嵌入在该凹槽内的直线导轨中，箝位斜块A的斜面与驱动臂一端的箝位弧面紧密接触，弹簧座A和箝位斜块A的窄端通过箝位弹簧A相连接；

A部与B部的结构完全相同，且以轴承孔为对称中心呈中心对称结构。

上述基座的横截面呈凹槽形，并且该凹槽形的两侧壁在槽口位置分别向内侧水平延伸，直线导轨设置在该凹槽形的两侧壁上，且轴承孔位于基座底面的中心位置。

上述平衡弹簧包括：连接杆、弹簧体和连接环；连接杆和连接环通过弹簧体相连接，输出轴的另一端开有卡槽，连接杆嵌入在该卡槽中，连接环通过螺栓固定在基座底面。

上述一种大载荷、高精度、跨尺度压电旋转驱动器的驱动方法，该方法为：

首先，同时对两个压电叠堆通电，使得两个压电叠堆均伸长并推动驱动臂和输出轴绕其轴心转动；

然后，对一个压电叠堆断电，使得该压电叠堆恢复原长，且其对应的箝位弧面与箝位斜块分离，箝位弹簧带动该箝位斜块移动直至重新与箝位弧面贴合；