[发明专利]一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置和方法

说明书

本发明公开了一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置和方法，包括上层驱动结构和下层驱动结构；所述上层驱动结构包括上层转子、沿上层转子圆心对称布置于所述上层转子圆周侧的上层压电马达组；所述下层驱动结构包括下层转子、沿下层转子圆心对称布置于所述下层转子圆周侧的下层压电马达组，所述上层压电马达组和下层压电马达组均包括N个压电马达；所述上层转子和下层转子同轴设置，且所述上层转子在所述上层压电马达组的驱动下沿顺时针方向转动，所述下层转子在所述下层压电马达组的驱动下沿逆时针方向转动。本发明采用两组分布在不同驱动半径上的压电马达反向运动，形成差动位移，从而实现运动分辨率的提升。

技术领域

本发明属于精密致动技术领域，具体涉及一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置和方法。

背景技术

压电马达是一种新型的微致动器，其原理是利用压电陶瓷的逆压电效应和弹性体的超声振动，将微观变形通过共振放大和机电耦合转换成动子或滑块的宏观运动。由于压电马达具有低速、高分辨率等优点，且无信号输入时可依靠静摩擦力使马达输出轴保持自锁，因此在精密机械和自动控制领域中得到了良好的应用。根据其驱动机理可分为行波型、声表面波型和驻波型。驻波型压电马达通过电压控制压电材料的弯曲模态，在驱动端形成空间椭圆轨迹，拨动转子运动。具有设计灵活，结构简单，易于小型化等优点，近年来被广泛应用在精密气浮平台、微型手术机器人和光刻机等领域。

超精密运动平台尤其是气浮平台应用压电电机作为运动组件时，是利用压电马达驱动头拨动陶瓷转子实现陶转子运动的。图1所示为典型驻波式压电马达驱动转台方案。两台压电马达1、2对称安装在转子圆周两侧，调节两套马达位置使驱动头法向压紧转子。当施加一定的电压信号于压电马达内部的压电驱动基体时，基体带动驱动头作空间椭圆运动，驱动头拨动转子产生回转运动。通过控制电压信号大小可以调节拨动速度，进而控制转子转速，电压信号消失压电马达随即停止动作，转子仍受到驱动头的法向压力，从而保持静止状态。压电马达空间椭圆回转一周代表一个运动步长，椭圆长轴长度即压电马达能实现的最小运动分辨率。忽略摩擦滑移和损耗，压电马达的运动分辨率即运动平台的运动分辨率。目前，国内海德星，以色列的Nanomotion等单位均成功研制出了商用驻波式压电马达。海德星HF系列线性压电马达步进分辨率可达50nm。Nanomotion HR系列超声电机目前是业内性能最为优越的驻波式的压电马达，在AC驱动模式下，其步进分辨率可达50nm，在DC驱动模式下，其步进分辨率达到10nm。国内产品在驱动原理的限制下，分辨率达到50nm后无法进一步提升，极大的限制了国产压电马达在超精密运动领域的应用。

现有压电马达驱动原理决定了其最小的运动分辨率为一定值，受压电马达材料、质量以及制造工艺限制，运动分辨率难以进一步提升。

发明内容

为了解决现有国产压电马达应用受限的问题，本发明提供了一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置。本发明采用两组分布在不同驱动半径上的压电马达反向运动，形成差动位移，从而实现运动分辨率的提升。

本发明通过下述技术方案实现：

一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置，包括上层驱动结构和下层驱动结构；

所述上层驱动结构包括上层转子、沿上层转子圆心对称布置于所述上层转子圆周侧的上层压电马达组；所述下层驱动结构包括下层转子、沿下层转子圆心对称布置于所述下层转子圆周侧的下层压电马达组，所述上层压电马达组和下层压电马达组均包括N个压电马达，其中，N为大于等于2的正整数；

所述上层转子和下层转子同轴设置，且所述上层转子在所述上层压电马达组的驱动下沿顺时针方向转动，所述下层转子在所述下层压电马达组的驱动下沿逆时针方向转动。

优选的，本发明的上层转子和下层转子构成双层一体式同轴结构。

优选的，本发明的上层转子和下层转子构成双层分离式同轴结构。

优选的，本发明的2N个所述压电马达错层均布于转子圆周侧。