[发明专利]一种摩擦力自配合的高对称性旋转压电马达及其控制方法

说明书

本发明摩擦力自配合的高对称性四摩擦力旋转压电马达，包括八个相同的压电体、四个相同的垫片、四个相同的支架和转子，其特征是：所述八个压电体分成四组，每组的两个压电体按形变方向串联的方式连接成一字型，组成四个双压电体串，分别为第一双压电体串、第二双压电体串、第三双压电体串和第四双压电体串，所述四个双压电体串通过支架固定组成一个方形，设定第一与第三双压电体串沿x轴方向形变，第二与第四双压电体串沿y轴方向形变，四个垫片固定在四个双压电体串的中心位置，在垂直于四个双压电体串形变方向上设置将转子与垫片相压的正压力。该结构推力大，刚性强，对称性高，工作温区大，尤其适用于变温方面与极低温条件下的应用。

技术领域

本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种摩擦力自配合的高对称性旋转压电马达，属于压电定位器技术领域。

背景技术

压电马达是利用压电材料的电致伸缩效应进行机电能量转换的电动机，主要有三种类型，超声波压电马达(ultrasonic motor)，步进压电马达(stepping motor)和惯性压电马达(inertial motor)。压电马达要在实际应用中增强自身优势，需要在保证高精度、高刚性的同时缩小马达结构并提升自身推力。然而同时实现这些目标是有难度的：结构太小会限制推力，推力过大又会降低精度，大结构也会影响系统刚性。如何将这些指标同时实现是压电马达技术的改进方向。

我们于2011年提出并实现了一种摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达，简称自配合高对称四摩擦力压电马达，详见中国发明专利授权公告号：CN103187900B，其结构是：四压电体中的两个压电体按形变方向串联的方式各以一端固定于中心体，构成第一双压电体串，另两个压电体按同样的方式构成第二双压电体串，所述两个双压电体串平行夹持于光滑导轨之间，这四个压电体的自由端对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。工作时，分处于第一和第二双压电体串且处于中心体同一侧的两个压电体同步收缩，同时，分处中心体另一侧的两个压电体也同步伸长；这一步之后，所述四压电体的自由端相对于导轨没有移动，但中心体相对于导轨前进了一步。接着，处于收缩状态的两个压电体分先后伸长；由于是分先后伸长，所以各个压电体伸长时，其自由端的摩擦力与其余三个自由端摩擦力方向相反且不能撼动其余三个自由端摩擦力的总和。随后，上步中处于伸长的压电体分先后收缩。至此，四压电体的自由端相对于导轨前进了一步。该专利提出的马达结构高度对称，驱动摩擦力由于结构的对称性而自动处于最佳配合状态，因而结构紧凑。但是在该专利提出的驱动方法中，推力来自余下三个压电体自由端的握持力，阻力约为推力的1/3，产生的推力不足；同时，克服静摩擦力发生相对导轨滑动的压电体材料仅为总压电材料的1/4，限制了夹持第一、二双压电体串的正向压力。

为了增大推力，我们于2016年提出了一种利用相向摩擦减小阻力的驱动方法，详见中国发明专利申请公布号：CN105703660A，其特征是按如下时序分别控制摩擦力自配合对称四摩擦力压电马达的四压电体，完成一个步进周期：第一双压电体串的两自由端同步周期性相向运动，同时第二双压电体串的两个压电体进行前进方向的推挽形变；第一双压电体串停止形变，且其两个压电体都处于未伸长也未缩短的中间态；第一与第二双压电体串同步进行后退方向的推挽形变，直至第二双压电体串的两个压电体都处于中间态；第二双压电体串的两自由端同步周期性相向运动，同时第一双压电体串进行前进方向的推挽形变，直至第一双压电体串回到其中间态；第二双压电体串停止形变。此种控制方法的优点是：充分利用了该马达结构的高对称性，其中一个双压电体串两端的相向运动使另一个双压电体串做推挽运动时受到的阻力降低到最大静摩擦力的1/12，在总推力不变的情况下，抵消阻力后剩余的有效推力大大增加了：同时，提升了第一与第二双压电体对与导轨之间的夹持力，进一步提高了马达结构的刚性。

基于以上两个发明专利，本发明提出了一种新的一种摩擦力自配合的高对称性旋转压电马达及其控制方法，既保留了专利“摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达”的结构优势和大推力，又结合了相向摩擦减阻力的原理，从而大幅增大马达推力和压电材料的利用率。

发明内容