[发明专利]组合式平面三自由度超声波电机振子及其驱动方法

说明书

本发明涉及一种组合式平面三自由度超声波电机振子及其驱动方法，振子包括通过连接装置并列连接的两个夹心式柱状压电换能器组件，每个夹心式柱状压电换能器组件包括一个中柱、两个端柱、两组x向弯振压电陶瓷组件、四组z向弯振压电陶瓷组件以及从两侧将它们拧紧固定的两根螺钉，每组x向弯振压电陶瓷组件均由四片压电陶瓷片及一片电极片构成，每组z向弯振压电陶瓷组件均由两片压电陶瓷片及一片电极片构成，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化，通过两组电压信号激励振子，实现平面三自由度驱动。本发明解决了对接触面为平面的动子的三自由度驱动的问题。本发明属于电子产品技术领域，可以用于精密驱动、光学检测、微机械等领域。

技术领域

本发明涉及一种组合式平面三自由度超声波电机振子及其驱动方法，更详细而言，涉及具有将两个夹心式压电换能器组件并列连接构成超声波电机振子，并且该超声波电机振子可以实现平面三自由度致动功能。本发明属于电子产品技术领域，可以用于精密驱动、光学检测、微机械等领域。

背景技术

超声波电机作为一种特种电机，和电磁电机相比，具有不受磁场影响、低速大扭矩、可直接驱动负载、断电自锁、结构灵活多样、可实现多自由度致动等特点。超声波电机利用压电材料的逆压电效应，将电能转化为超声波电机压电振子的振动能，并通过摩擦作用将振动能转化为运动部件(也称动子)的直线或旋转运动。超声波电机一般主要由定子、动子及预压力机构等功能部件组成，通常定子由压电振子充当，而压电振子实质上是工作在谐振状态的压电换能器。

常见的柱状压电振子由多个压电陶瓷采用沉积、粘贴或夹心的方式与金属弹性体相结合而构成。将多个压电陶瓷分组，在每组压电陶瓷施加适当的高频电压，可使压电振子产生特定的振动驻波；对振子的多组压电陶瓷分别施加在时间上相位不同的高频电压，可分别产生多个驻波。通过合成这些驻波，在压电振子表面产生复合波，如复合驻波或行波，从而在压电振子表面的驱动足产生椭圆运动轨迹，用于实现驱动功能。

现有的柱状超声波电机振子通常激励振子的单一驻波或由两个驻波叠加构成的复合波做简谐振动，并利用振子的驱动足实现单自由度驱动功能；少量柱状振子可以分别利用振子的两个复合波振动，分别实现平面两自由度直线驱动，或者利用振子的三个复合波振动实现对球形转子的三自由度旋转驱动功能。

为了实现平面三自由度的驱动，即沿平面两直角坐标轴的直线运动以及平面内旋转运动，通常需要采用多组超声波电机构成一个驱动系统，每组电机分别实现一个自由度的驱动功能，该方法的缺点和主要问题是电机数量较多，且一组电机工作时其余电机闲置不工作，闲置电机不能协助提高驱动系统整体的输出力或力矩，造成驱动系统整体效率低下。

由于超声波电机的结构灵活，在多自由度驱动领域内更有发展前景，这使得研制简单、高效的多自由度超声波电机成为一种必然。

实现多自由度驱动、电机系统的简化以及提升系统驱动性能均是超声波电机发展的重要方向，也是超声波电机的技术难点。采用多个具有多自由度驱动功能超声波振子组合构造新型超声波电机振子、并且利用多个电机协调工作是实现多自由度驱动功能、简化电机系统、解决电机闲置问题、以及提升电机输出性能的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、能够实现平面三自由度驱动功能的组合式平面三自由度超声波电机振子及其驱动方法。

本发明提出的组合式平面三自由度超声波电机振子，它包括两个夹心式柱状压电换能器及连接装置。两个夹心式柱状压电换能器并列排布且电极片朝向一致，通过连接装置连接，形成电机振子。