[發明專利]雙十字耦合式壓電振子同形模態驅動的平面超聲電機及其工作方式

有效

• 申請號: 201711119607.1
• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN107834893B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發明（設計）人: 賀紅林;江濤;付磊;胡聰睿;劉浩康
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

本發明涉及一種基于雙十字耦合式壓電振子同形彎振模態驅動的平面超聲電機及其工作方式，該電機由振子組件、動子組件和支座組件構成。振子組件呈雙十字耦合式構形，由雙十字形基體和壓電陶瓷激勵組件構件，用螺釘固定在支座組件上，安裝在支座組件上兩側的立板之間，處于動子組件的兩塊滑板之內，并通過其驅動足連接動子組件。動子組件由上、下滑板構成，兩滑板分別連接振子組件頂面和底面上的八個驅動足。支座組件通過隔板塊與振子組件相連并通過底板四角處的螺釘固定。電機利用振子組件的面外對稱彎振、縱桿面內彎振、橫桿面內彎振等3相模態的諧振，在振子組件的縱桿與橫桿的驅動足上合成出沿xOz、yOz面行進的兩相橢圓軌跡，電機利用兩相橢圓軌跡并借助振子組件與動子組件間的摩擦耦合作用，推動動子組件沿x、y向滑移并使其具有精密運動和快速響應特性。電機采用多個驅動足推動動子，能成倍增大出力密度、速度并使其運行更穩定。

技術領域

本發明涉及一種利用雙十字耦合式壓電振子的同形彎振模態驅動的平面超聲電機，屬于超聲電機以及平面電機技術領域。

技術背景

超聲電機是一種利用壓電材料逆壓電效應激發彈性體微幅超聲振動，借助彈性體與動子間的摩擦耦合效應而驅動動子產生可控、可用宏觀機械運動的一種新型動力部件。它具有動力密度大、響應快、小型輕量、結構靈活、不產生機械噪聲、電磁兼容和斷電自鎖等一系列優點，在高端制造裝備、IC光刻、細胞操作、精細化工等眾多領域具有廣泛應用前景。超聲電機有旋轉型、直線型、平面型、多自由度型等多種電機類型。近年來，為了更好地滿足航空航天、精密超精密加工等高精尖領域內小型精密驅動應用需求，世界上許多科技發展國家紛紛投入巨資及大量人力致力開展旋轉型、直線型超聲電機研究，取得了重大突破。可以說，現今的旋轉型和直線型超聲電機技術已日臻成熟，特別是旋轉電機已步入產業化生產和應用。與此相反，平面超聲電機卻因其內部存在復雜的運動學、動力學、機電耦合特性而使其內部技術沖突激增，并使其精確的數學建模困難，此外這類電機在驅動一致性以及運動控制方面都存在不小的困難和挑戰，其對設計者的經驗提高較高要求。這一切造成了迄今的平面超聲電機技術大大滯后于旋轉和直線超聲電機。盡管如此，考慮到平面超聲電機在高端數控裝備驅動、IC制造、微細裝配、生醫操作、生物芯片制作、微開關控制、大集度印刷線路板聯裝與點晶、光纖對接等眾多有精密超精密的二/三維平面定位要求場合，存在著其它型式的電機難以替代的優勢和應用前景，因此深入開展平面超聲電機研究就變得很有必要。

到目前為止，學界也少量地開展了平面超聲電機研究并相應地推出了一些電機樣機，比如，韓國人HONG通過激勵由不銹鋼和壓電陶瓷片構成的矩板振子的一縱、四彎模態合成兩相橢圓而研制出一種平面電機，其移動速度為100mm/s。但該電機輔助裝置較多并其結構復雜；時運來基于變截面桿兩相正交四階彎振研制出一種柱桿式平面電機，電機速度190mm/s、推力19N；陳維山研制出壓電聚能器驅動的高速平面電機，其速度達960mm/s；李朝東推出矩框形結構驅動的平面電機，該電機的動子能沿矩框兩對角線運動，但電機動力不大；金家楣研制出一種桿式平面電機，速度為145mm/s，推力為4.3N。從已推出電機情況來看，已有平面超聲電機的型式還極有限，它們的性能離廣泛的應用還有較大差距。盡管如此，此類電機的優勢卻在不斷顯現并已引起了國內外不少學者以及業界越來越多的關注。適應于此背景，并瞄準當今先進制造和國民經濟發展多領域的重大需求，為更好地推進平面超聲電機技術的發展，本發明提出一種雙十字形耦合式振子同形模態驅動的平面超聲電機。迄今國內外還未見與本發明具有類似原理和結構的其它電機。

發明內容

本發明的目的在提出一種利用雙十字耦合式金屬彈性結構的橫桿面內彎振、縱桿面內彎振以及面外對稱彎振等三相彎振模態驅動的平面超聲電機，該電機的運動位置分辨率能達微米級，具有毫秒級響應速度，可產生較高運行速度，能輸出較大推力，在平面工作裝置精密運動定位、微小型伺服執行機構精密驅動等應用中存在廣闊的應用前景。