[发明专利]双十字耦合式压电振子同形模态驱动的平面超声电机及其工作方式

说明书

本发明涉及一种基于双十字耦合式压电振子同形弯振模态驱动的平面超声电机及其工作方式，该电机由振子组件、动子组件和支座组件构成。振子组件呈双十字耦合式构形，由双十字形基体和压电陶瓷激励组件构件，用螺钉固定在支座组件上，安装在支座组件上两侧的立板之间，处于动子组件的两块滑板之内，并通过其驱动足连接动子组件。动子组件由上、下滑板构成，两滑板分别连接振子组件顶面和底面上的八个驱动足。支座组件通过隔板块与振子组件相连并通过底板四角处的螺钉固定。电机利用振子组件的面外对称弯振、纵杆面内弯振、横杆面内弯振等3相模态的谐振，在振子组件的纵杆与横杆的驱动足上合成出沿xOz、yOz面行进的两相椭圆轨迹，电机利用两相椭圆轨迹并借助振子组件与动子组件间的摩擦耦合作用，推动动子组件沿x、y向滑移并使其具有精密运动和快速响应特性。电机采用多个驱动足推动动子，能成倍增大出力密度、速度并使其运行更稳定。

技术领域

本发明涉及一种利用双十字耦合式压电振子的同形弯振模态驱动的平面超声电机，属于超声电机以及平面电机技术领域。

技术背景

超声电机是一种利用压电材料逆压电效应激发弹性体微幅超声振动，借助弹性体与动子间的摩擦耦合效应而驱动动子产生可控、可用宏观机械运动的一种新型动力部件。它具有动力密度大、响应快、小型轻量、结构灵活、不产生机械噪声、电磁兼容和断电自锁等一系列优点，在高端制造装备、IC光刻、细胞操作、精细化工等众多领域具有广泛应用前景。超声电机有旋转型、直线型、平面型、多自由度型等多种电机类型。近年来，为了更好地满足航空航天、精密超精密加工等高精尖领域内小型精密驱动应用需求，世界上许多科技发展国家纷纷投入巨资及大量人力致力开展旋转型、直线型超声电机研究，取得了重大突破。可以说，现今的旋转型和直线型超声电机技术已日臻成熟，特别是旋转电机已步入产业化生产和应用。与此相反，平面超声电机却因其内部存在复杂的运动学、动力学、机电耦合特性而使其内部技术冲突激增，并使其精确的数学建模困难，此外这类电机在驱动一致性以及运动控制方面都存在不小的困难和挑战，其对设计者的经验提高较高要求。这一切造成了迄今的平面超声电机技术大大滞后于旋转和直线超声电机。尽管如此，考虑到平面超声电机在高端数控装备驱动、IC制造、微细装配、生医操作、生物芯片制作、微开关控制、大集度印刷线路板联装与点晶、光纤对接等众多有精密超精密的二/三维平面定位要求场合，存在着其它型式的电机难以替代的优势和应用前景，因此深入开展平面超声电机研究就变得很有必要。

到目前为止，学界也少量地开展了平面超声电机研究并相应地推出了一些电机样机，比如，韩国人HONG通过激励由不锈钢和压电陶瓷片构成的矩板振子的一纵、四弯模态合成两相椭圆而研制出一种平面电机，其移动速度为100mm/s。但该电机辅助装置较多并其结构复杂；时运来基于变截面杆两相正交四阶弯振研制出一种柱杆式平面电机，电机速度190mm/s、推力19N；陈维山研制出压电聚能器驱动的高速平面电机，其速度达960mm/s；李朝东推出矩框形结构驱动的平面电机，该电机的动子能沿矩框两对角线运动，但电机动力不大；金家楣研制出一种杆式平面电机，速度为145mm/s，推力为4.3N。从已推出电机情况来看，已有平面超声电机的型式还极有限，它们的性能离广泛的应用还有较大差距。尽管如此，此类电机的优势却在不断显现并已引起了国内外不少学者以及业界越来越多的关注。适应于此背景，并瞄准当今先进制造和国民经济发展多领域的重大需求，为更好地推进平面超声电机技术的发展，本发明提出一种双十字形耦合式振子同形模态驱动的平面超声电机。迄今国内外还未见与本发明具有类似原理和结构的其它电机。

发明内容

本发明的目的在提出一种利用双十字耦合式金属弹性结构的横杆面内弯振、纵杆面内弯振以及面外对称弯振等三相弯振模态驱动的平面超声电机，该电机的运动位置分辨率能达微米级，具有毫秒级响应速度，可产生较高运行速度，能输出较大推力，在平面工作装置精密运动定位、微小型伺服执行机构精密驱动等应用中存在广阔的应用前景。