[發明專利]雙足驅動壓電直線電機及電激勵方式

有效

• 申請號: 201310327108.7
• 申請日: 2013-07-31
• 公開（公告）號: CN103427704A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 王寅;黃衛清;李海林
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04;H02N2/06
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及雙足驅動壓電直線電機及電激勵方式，屬于壓電精密致動技術領域。

背景技術

近年來，隨著集成電路制造、生物醫學、精密制造、光電子/光纖工業等高新技術領域的快速發展，迫切需要微、納米級的驅動器。而傳統電磁驅動器由于微型化時效率低、定位精度不高、結構復雜等因素，已經不能完全滿足要求。于是世界各國開始探索和研發能滿足上述要求的各種新型驅動器。

壓電陶瓷的逆壓電效應可將電能轉化為機械能，據此效應設計的壓電直線電機通過摩擦耦合的方式將壓電陶瓷微米級的往復振動轉化為動子單向運動，具有斷電自鎖、可直接推動負載、精度高、響應快等特點，在精密定位、光纖對接、光學穩像、醫療設備、武器裝備和航空航天領域有著廣闊的應用前景。

壓電直線電機按照振動方式可以分為共振式和非共振式兩種。共振式壓電直線電機是利用壓電元件的逆壓電效應及超聲振動原理將彈性體的微幅振動通過共振放大和摩擦耦合原理轉換成動子宏觀的直線運動。共振狀態是一種不穩定狀態，定子的固有頻率會隨著溫度等的變化而發生改變，導致工作頻率漂移；而且在共振頻率附近，驅動頻率的微小變化都會使電機的速度發生明顯變化，這極大地影響了電機的穩定性。另外共振式電機由于受結構模態的影響較大，多采用單驅動足設計，工作在超聲頻域內（＞20KHz），在低頻范圍(＜2KHz)內電機驅動足不能與動子導軌有效脫離，因而在該頻域段是失效的。非共振式壓電直線電機采用疊層壓電陶瓷作為激振元件，它在較小的電壓驅動下能有較大的位移輸出，定子無需共振即可使驅動足產生足夠的振幅來驅動動子，從而提高了電機的穩定性。

疊層壓電陶瓷具有大推力的特點，為克服其行程的限制，出現了用疊層壓電陶瓷作為動力源并采用交替箝位方式工作的壓電步進電機，這類電機可以在輸出推力的同時具有無限的行程，還能獲得無限的閉環位置分辨率，由于采用靜摩擦力耦合的方式輸出步進運動，這種作動器要比采用滑動摩擦力耦合方式的共振式超聲電機擁有更大的推力。然而，現有技術有以下四個技術難題：

第一，尺蠖式箝位步進壓電電機能夠實現步進的關鍵是要兩個箝位單位能夠交替鎖緊平行導軌，而兩個箝位單元在運動方向上相隔一段距離，這要求平行導軌的平行度要足夠高，現有技術條件下，要實現較長距離的兩個導軌具有較高的平行度很困難，需要較高的制作成本；

第二，尺蠖式箝位步進壓電電機的平行導軌是固定的，箝位單元兩端的磨損將最終導致無法實現箝位，導致失效；

第三，疊層壓電陶瓷只能承受較小的拉力，但能承受較大的推力，因此，在驅動單元縮短時，疊層壓電陶瓷的做功能力就很小，這就降低動子的效率；

第四，在所有疊層壓電陶瓷都斷電的情況下，箝位單元與平行導軌之間的鎖緊力遠小于箝位單元鎖緊平行導軌的鎖緊力，因此尺蠖式箝位步進壓電電機幾乎沒有斷電自鎖的能力。

發明內容

本發明提供一種雙足驅動壓電直線電機及電激勵方式，其具有推力大，大行程，效率高，壽命長，成本低，可雙向運動且具備斷電自鎖功能。

本發明采用如下技術方案：一種雙足驅動壓電直線電機，其包括兩個定子組、動子/直線導軌、預壓導軌、預壓彈簧及基座，所述兩個定子組沿軸對稱分布，所述定子組的一端與預壓導軌固連，另一端與基座固連，所述預壓彈簧將定子組壓在動子/直線導軌和預壓導軌之間，所述兩個定子組在預壓彈簧彈性形變產生的彈性回復力作用下與所述動子/直線導軌保持接觸以使得壓電直線電機斷電自鎖。

所述定子組包括兩個壓電作動單元、一個驅動足及四個柔性連接件，所述兩個壓電作動單元與驅動足通過柔性連接件連接，所述兩個壓電作動單元作動軸線相互垂直，所述其中一個壓電作動單元作動軸線與動子/直線導軌運動方向平行，所述另一個壓電作動單元作動軸線與動子/直線導軌運動方向垂直，所述柔性連接件上開設兩組類‘M’型割縫，兩組割縫沿橫截面對稱且沿軸線作90⁰扭轉。

所述壓電作動單元分為支撐塊、拉簧、銷釘、軸卡、疊層壓電陶瓷組、固定楔塊、調整楔塊及調整塊，所述支撐塊通過拉簧及銷釘連接成一體，所述疊層壓電陶瓷組與固定楔塊、調整楔塊及調整塊軸向串接置于支撐塊間，通過所述調整楔塊的楔緊給疊層壓電陶瓷組施加預緊力，所述軸卡置于銷釘端部，固定銷釘沿孔向運動。

所述驅動足包括驅動足本體及粘接在驅動足本體端部的陶瓷球，所述驅動足本體材料為45#鋼，陶瓷球材料為氧化鋯或氮化硅。

所述壓電作動單元上包括有疊層壓電陶瓷組，所述兩個定子組的結構相同。

本發明還采用如下技術方案：一種雙足驅動壓電直線電機的電激勵方式：