[發明專利]口字形排列四壓電體自由端驅動的旋轉壓電馬達及控制法

在審

• 申請號: 201810046568.5
• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN108306545A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 張晶;陸輕鈾
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種口字形排列四壓電體自由端驅動的旋轉壓電馬達，包括四個相同的條形壓電體、四個條形片、底座以及轉子，其特征是：所述四個條形壓電體各以一端作為固定端固定在底座上，組成口字形，各條形壓電體余下的一端為自由端；四個條形片分別固定在所述四個條形壓電體的自由端；在垂直于四個條形壓電體形變方向上設置將條形片與轉子相壓的正壓力。對于該馬達，本發明同時提出了慣性驅動和非慣性驅動兩種控制方法。該結構具有對稱性高、步長大、低速大扭矩、定位精度高、無電磁干擾、工作溫區大等優點。

技術領域

本發明涉及一種壓電旋轉步進器，特別涉及一種結構高度對稱的步長增加型旋轉壓電馬達，屬于壓電定位器技術領域。

背景技術

壓電馬達是利用壓電陶瓷材料的電致伸縮效應實現驅動的一類壓電定位裝置，按驅動方式可以分為直線型、旋轉型、混合型等多種類型。同傳統的電磁馬達和靜電馬達比較，壓電馬達具有無電磁干擾、靜音操作、斷電自鎖、響應速度快、結構簡單等特點，已經在精密儀器、航天航空、微型機械系統、精密定位等領域得到了實際應用。但是，壓電馬達要實現廣泛應用，逐步取代傳統馬達，需要在保證高精度、高剛性的同時縮小馬達結構并努力提升自身推力。如何同時實現這些指標是現階段壓電馬達的改進方向。

我們于2017年提出了一種摩擦力自配合的高對稱性四摩擦力旋轉壓電馬達(專利申請號：201710645470.7)，依靠高對稱的結構和反向摩擦減小驅動阻力的原理，可以在保證高精度、高剛性的前提下，提供極大推力。該發明的具體結構方案是：八個壓電體分成四組，每組的兩個壓電體按形變方向串聯的方式連接成一字型，組成四個雙壓電體串，四個雙壓電體串通過支架固定組成一個方形，四個墊片固定在四個雙壓電體串的中心位置，在垂直于四個雙壓電體串形變方向上設置將轉子與墊片相壓的正壓力。該發明專利中提出了四種控制方法，主要方法是：首先，第一與第三雙壓電體串沿x軸同向推挽，中心轉子受到反向的大致抵消的滑動摩擦力，同時第二與第四雙壓電體串進行沿y軸反向的單向推挽，中心轉子同時受到兩個同向的動力和一個極小的滑動阻力而轉動一個角度；隨后，第一與第三雙壓電體串停止形變，其四個壓電體都處于未伸長也未縮短的初始態；最后，第二與第四雙壓電體串依次進行單向推挽形變，直至其四個壓電體回到不伸長也不收縮的初始態，或發生反向推挽形變，由于每次只有一個雙壓電體串進行推挽形變，且三點摩擦力大于一點，中心轉子不會發生轉動。至此，整個馬達完成一步循環。

該發明提高馬達推力的方法主要是利用了高度對稱的推挽結構來抵消反向摩擦力，從未減小驅動阻力，提升握持力。但是，對于等量的壓電材料，采用推挽結構得到的形變量將降低到采用線性結構時的一半，而壓電形變量是壓電馬達輸出的重要動力。因此，該結構下壓電材料的形變量無法被最大程度利用，每一步的旋轉步長有限。

發明內容

本發明的目的是針對上述發明的不足和旋轉壓電馬達的技術要求，提供一種口字形排列四壓電體自由端驅動的旋轉壓電馬達。

本發明實現上述目的的結構方案是(結構一)：

本發明口字形排列四壓電體自由端驅動的旋轉壓電馬達，包括四個相同的條形壓電體、四個條形片、底座以及轉子，其特征是：所述四個條形壓電體各以一端作為固定端固定在底座上，組成口字形，各條形壓電體余下的一端為自由端；四個條形片分別固定在所述四個條形壓電體的自由端；在垂直于四個條形壓電體形變方向上設置將條形片與轉子相壓的正壓力。

本發明口字形排列四壓電體自由端驅動的旋轉壓電馬達，所述條形片通過條形片彈性和/或底座彈性和/或轉子彈性和/或壓電體彈性和/或增設于條形壓電體與條形片之間的彈性體的彈性，與轉子彈性相壓。并且，此馬達結構優先選擇設置在條形片與轉子之間的四個正壓力對轉子的最大靜摩檫力大小相等，這種對稱結構更有利于馬達的驅動控制。

本發明針對上述口字形排列四壓電體自由端驅動的旋轉壓電馬達(結構一)的控制方案是，按如下時序分別控制所述四個條形壓電體，完成一步旋轉(非慣性驅動控制)：