夹心式复合激振超声电机、驱动平台及其驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种夹心式复合激振超声电机、驱动平台及其驱动方法，属于精密驱动与微定位技术领域。
【背景技术】
[0002]超声电机是利用压电元件的逆压电效应激励弹性体产生微幅超声振动，通过摩擦耦合实现机械能输出的微特电机。与传统电磁电机相比，因其具有结构易于微型化、响应速度快、无电磁干扰等技术优势，广泛应用于精密驱动与微定位技术领域。根据弹性体(或称为定子)的结构形式与驱动激励模式的不同，超声电机主要有梁结构弹性体超声电机和板结构弹性体超声电机等几种类型。
[0003]中国专利《杆式行波型超声电机》，授权公告号为CN 100525057 C，授权公告日为2009年8月5日，公开的一种杆式行波型超声电机，其定子组件由底座和上配重块将压电陶瓷片组和电极片组通过底座的螺杆旋紧连接，上配重块呈圆盘状，上端部有一尺寸相对较小的内槽凸台，底座外缘具有四个安装用的螺纹孔，电机转子组件由柔性转子、销、压盖、轴等构成，电机定转子之间的预压力通过压紧弹簧来获得和调节，当电机通入超声频域内一定的交流电压时，电子定子部分上配重块与转子接触的表面的质点做椭圆运动，由于定转子之间存在预压力，定转子间会产生摩擦力，这种摩擦力会推动转子转动；中国专利《弯振模态梁式直线超声电机振子》，授权公告号为CN 101626203 B，授权公告日为2011年7月20日，公开的一种弯振模态梁式直线超声电机振子由两个驱动足、两个端盖、两个绝缘套、两对极化方向为厚度方向的压电陶瓷片、法兰盘、两个薄壁梁和安装座组成，法兰盘的端面上沿其轴线各伸出一根螺柱，每个螺柱上套有一对压电陶瓷片，每个螺柱的悬伸端端部旋合有端盖，每个端盖的末端上都设置一个驱动足，所述每片压电陶瓷片由切分后组合的、对称的两个半片压电陶瓷片组成，两个半片压电陶瓷片之间极化方向相反，法兰两侧的两对压电陶瓷片的切分线相互垂直，每对压电陶瓷片中的压电陶瓷片的极化方向相反；中国专利《圆盘型非接触超声电机》，授权公告号为CN 100525056 C，授权公告日为2009年8月5日，公开的一种圆盘型非接触超声电机，主要由定子组件、转子组件和制作组件构成，定子组件由圆盘形定子基体和压电陶瓷粘贴构成，电机的转子组件由转子基体、轴、弹簧、螺母等构成，电机支座组件由底座、外壳、螺钉构成，当电机通入超声频率范围内一定的交变电压时，电机定子产生超声频率的转动，通过粘性力驱动转子转动，动力由轴输出；中国专利《新型旋转型行波超声电机》，申请公告号为CN 102437787 A，申请公告日为2012年5月2日，公开的一种新型旋转型行波超声电机，其主要部件有二个定子、转子、底座、摩擦衬垫、挡圈以及轴承等，其中，两个形状相同的定子对称布置并且压紧转子两个端面，保证两定子的工作面可靠实现与转子表面平行接触，使定转子接触面受力均匀，这样可以克服目前基于单定子结构的旋转型行波超声电机定转子存在径向接触不均匀、接触范围小、定转子存在径向滑移摩擦损耗等缺陷，有望提高旋转型行波超声电机的最大输出转矩和效率，并且延长旋转型行波超声电机的使用寿命。
[0004]由超声电机的驱动原理可知，相同条件下电机定子的振动幅值越大，定子与转子间有效接触面积越大，越有利于电机整机性能的提高。而上述采用梁结构弹性体的超声电机，虽然电机定子振动幅值较大，但定子与转子间有效接触面积较小，使得梁结构超声电机的机械输出性能受限；对于采用板结构弹性体的超声电机，与梁结构超声电机相比，虽然电机定子与转子间有效接触面积较大，但定子的振动幅值一般较小，同样表现为限制了超声电机机械功率的强力输出。由此可见，对于单独采用梁结构弹性体或板结构弹性体的超声电机，由于定、转子间有效接触面积小或振动幅值不大等技术问题，导致超声电机整体输出性能不理想，限制了其在精密驱动与微定位技术领域中的应用与发展。
【发明内容】
[0005]为解决对于单独采用梁结构弹性体或板结构弹性体的超声电机，由于定、转子间有效接触面积小或振动幅值不大所导致超声电机整体输出性能不理想等技术问题，本发明公开了一种夹心式复合激振超声电机、驱动平台及其驱动方法。
[0006]本发明所采用的技术方案是:所述夹心式复合激振超声电机包括固定底座、第一弹性体、第二弹性体、转动体、键、推力球轴承、蝶形弹簧、螺母和输出轴组成。
[0007]所述固定底座为板结构，所述固定底座一侧端部表面沿圆周方向均勾设置有η个通孔结构，其中η为大于等于1的整数；所述固定底座一侧端部表面中心位置设有螺纹孔结构，所述固定底座另一侧端部表面中心位置设有沉头孔结构，所述固定底座螺纹孔结构与沉头孔结构中心位置设有通孔结构。所述第一弹性体由前匹配端、通电电极片、环形压电陶瓷片、后匹配端和绝缘套筒组成，所述前匹配端为中空阶梯轴结构，所述前匹配端一侧端部设置有外螺纹结构，所述前匹配端另一侧端部设置有外螺纹结构，所述前匹配端阶梯圆环面与另一侧端部外螺纹结构之间的外圆柱表面用于绝缘套筒的套接安装，所述前匹配端两侧端部表面中心位置设有通孔结构；所述环形压电陶瓷片为4i片毛激振模式与4激振模式的圆环形压电陶瓷片，所述4i片环形压电陶瓷片中一侧布置的2i片环形压电陶瓷片采用毛激振模式，所述4i片环形压电陶瓷片中另一侧布置的2i片环形压电陶瓷片采用4激振模式，所述通电电极片为设置有凸耳结构的圆环形铜片，4i片环形压电陶瓷片与4i+l片通电电极片通过绝缘套筒相互间隔套接于前匹配端阶梯圆环面处的外圆周表面上，其中i为大于等于1的整数，所述绝缘套筒为薄壁圆环状结构；所述后匹配端为中空圆柱体结构，所述后匹配端一侧端部设置有外螺纹结构，所述后匹配端另一侧端部表面设置有螺纹孔结构，所述后匹配端两侧端部表面中心位置设有通孔结构。所述第二弹性体为平面型第二弹性体或梳齿性第二弹性体。所述转动体为板结构，所述转动体一侧端部表面中心位置设有圆形凹槽结构，与第二弹性体的圆形凹槽结构相对布置；所述转动体另一侧端部表面中心位置设有凸缘结构，所述转动体凸缘结构端部表面设置有阶梯孔结构，所述转动体端部表面中心位置设有通孔结构，所述转动体凸缘结构内部设置有键槽结构。所述输出轴为阶梯轴结构，所述输出轴一侧端部设置有键槽结构，所述输出轴靠近键槽结构一侧设置有外螺纹结构，所述输出轴另一侧端部设置有外螺纹结构，所述输出轴与推力球轴承配合连接的外圆周表面上靠近键槽结构一侧设置有键槽结构。
[0008]所述布置于第一弹性体上的毛激振模式的环形压电陶瓷片构成激振组A，所述布置于第一弹性体上的4激振模式的的矩形压电陶瓷片构成激振组B。
[0009]所述一种夹心式复合激振超声电机的驱动方法具体为:所述激振组A通以某一超声频率(一般大于16 kHz)的交流激励电信号，激发的纵向振动激励第二弹性体产生弯曲振动模态；所述激振组B通以同一超声频率(一般大于16 kHz)的交流激励电信号，激发其所在的第一弹性体产生扭转振动模态；所述激振组A与激振组B通以交流激励电信号的幅值相同、驱动相位差为90度或270度；利用振动模态的叠加耦合，在第二弹性体与转动体的接触表面上产生驱动行波，形成驱动摩擦力，通过调节激振组A与激振组B交流激励电信号的相位差，可实现本发明正反两个方向的运动输出；所述交流激励电信号可为正弦、方波或锯齿波等周期电信号。
[0010]本发明的有益效果是:本发明采用梁板复合方式的弹性体对超声电机进行激振，利用梁结构弹性体与板结构弹性体振动模态的叠加耦合，在实现电机定子较大振动幅值的同时，可获得电机定子与转子间较大的有效接触面积，使得超声电机的整机输出性能获得大幅度提升。本发明具有输出功率大、电机运行平稳、定位精度高、环境适应性强以及应用范围广等技术优势，在精密驱动与微定位技术领域中具有较大的应用与发展前景。
【附图说明】
[0011]图1所示为本发明提出的一种夹心式复合激振超声电机的剖视图；
图2所示为本发明提出的一种夹心式复合激振超声电机的固定底座的主视图；
图3所