夾心式模態(tài)轉換超聲電機、驅動平臺及其驅動方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種夾心式模態(tài)轉換超聲電機、驅動平臺及其驅動方法，屬于精密驅動與微定位技術領域。
【背景技術】
[0002]超聲電機是利用壓電元件的逆壓電效應激勵彈性體產(chǎn)生微幅超聲振動，通過摩擦耦合實現(xiàn)機械能輸出的微特電機。與傳統(tǒng)電磁電機相比，因其具有結構易于微型化、響應速度快、無電磁干擾等技術優(yōu)勢，廣泛應用于精密驅動與微定位技術領域。根據(jù)彈性體(或稱為定子)的結構形式與驅動激勵模式的不同，超聲電機主要有梁結構彈性體超聲電機和板結構彈性體超聲電機等幾種類型。
[0003]中國專利《桿式行波型超聲電機》，授權公告號為CN 100525057 C，授權公告日為2009年8月5日，公開的一種桿式行波型超聲電機，其定子組件由底座和上配重塊將壓電陶瓷片組和電極片組通過底座的螺桿旋緊連接，上配重塊呈圓盤狀，上端部有一尺寸相對較小的內槽凸臺，底座外緣具有四個安裝用的螺紋孔，電機轉子組件由柔性轉子、銷、壓蓋、軸等構成，電機定轉子之間的預壓力通過壓緊彈簧來獲得和調節(jié)，當電機通入超聲頻域內一定的交流電壓時，電子定子部分上配重塊與轉子接觸的表面的質點做橢圓運動，由于定轉子之間存在預壓力，定轉子間會產(chǎn)生摩擦力，這種摩擦力會推動轉子轉動；中國專利《彎振模態(tài)梁式直線超聲電機振子》，授權公告號為CN 101626203 B，授權公告日為2011年7月20日，公開的一種彎振模態(tài)梁式直線超聲電機振子由兩個驅動足、兩個端蓋、兩個絕緣套、兩對極化方向為厚度方向的壓電陶瓷片、法蘭盤、兩個薄壁梁和安裝座組成，法蘭盤的端面上沿其軸線各伸出一根螺柱，每個螺柱上套有一對壓電陶瓷片，每個螺柱的懸伸端端部旋合有端蓋，每個端蓋的末端上都設置一個驅動足，所述每片壓電陶瓷片由切分后組合的、對稱的兩個半片壓電陶瓷片組成，兩個半片壓電陶瓷片之間極化方向相反，法蘭兩側的兩對壓電陶瓷片的切分線相互垂直，每對壓電陶瓷片中的壓電陶瓷片的極化方向相反；中國專利《圓盤型非接觸超聲電機》，授權公告號為CN 100525056 C，授權公告日為2009年8月5日，公開的一種圓盤型非接觸超聲電機，主要由定子組件、轉子組件和制作組件構成，定子組件由圓盤形定子基體和壓電陶瓷粘貼構成，電機的轉子組件由轉子基體、軸、彈簧、螺母等構成，電機支座組件由底座、外殼、螺釘構成，當電機通入超聲頻率范圍內一定的交變電壓時，電機定子產(chǎn)生超聲頻率的轉動，通過粘性力驅動轉子轉動，動力由軸輸出；中國專利《新型旋轉型行波超聲電機》，申請公告號為CN 102437787 A，申請公告日為2012年5月2日，公開的一種新型旋轉型行波超聲電機，其主要部件有二個定子、轉子、底座、摩擦襯墊、擋圈以及軸承等，其中，兩個形狀相同的定子對稱布置并且壓緊轉子兩個端面，保證兩定子的工作面可靠實現(xiàn)與轉子表面平行接觸，使定轉子接觸面受力均勻，這樣可以克服目前基于單定子結構的旋轉型行波超聲電機定轉子存在徑向接觸不均勾、接觸范圍小、定轉子存在徑向滑移摩擦損耗等缺陷，有望提高旋轉型行波超聲電機的最大輸出轉矩和效率，并且延長旋轉型行波超聲電機的使用壽命。
[0004]由超聲電機的驅動原理可知，相同條件下電機定子的振動幅值越大，定子與轉子間有效接觸面積越大，越有利于電機整機性能的提高。而上述采用梁結構彈性體的超聲電機，雖然電機定子振動幅值較大，但定子與轉子間有效接觸面積較小，使得梁結構超聲電機的機械輸出性能受限；對于采用板結構彈性體的超聲電機，與梁結構超聲電機相比，雖然電機定子與轉子間有效接觸面積較大，但定子的振動幅值一般較小，同樣表現(xiàn)為限制了超聲電機機械功率的強力輸出。由此可見，對于單獨采用梁結構彈性體或板結構彈性體的超聲電機，由于定、轉子間有效接觸面積小或振動幅值不大等技術問題，導致超聲電機整體輸出性能不理想，限制了其在精密驅動與微定位技術領域中的應用與發(fā)展。

【發(fā)明內容】

[0005]為解決對于單獨采用梁結構彈性體或板結構彈性體的超聲電機，由于定、轉子間有效接觸面積小或振動幅值不大所導致超聲電機整體輸出性能不理想等技術問題，本發(fā)明公開了一種夾心式模態(tài)轉換超聲電機、驅動平臺及其驅動方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術方案是:所述夾心式模態(tài)轉換超聲電機包括固定底座、第一彈性體、第二彈性體、轉動體、鍵、推力球軸承、蝶形彈簧、螺母和輸出軸組成。
[0007]所述固定底座為板結構，所述固定底座一側端部表面沿圓周方向均勾設置有η個通孔結構，其中η為大于等于1的整數(shù)；所述固定底座一側端部表面中心位置設有螺紋孔結構，所述固定底座另一側端部表面中心位置設有沉頭孔結構，所述固定底座螺紋孔結構與沉頭孔結構中心位置設有通孔結構。所述第一彈性體由前匹配端、通電電極片、環(huán)形壓電陶瓷片、后匹配端和絕緣套筒組成；所述前匹配端為中空階梯軸結構，所述前匹配端一側端部設置有外螺紋結構，所述前匹配端另一側端部設置有外螺紋結構，所述前匹配端階梯圓環(huán)面與另一側端部外螺紋結構之間的外圓柱表面用于絕緣套筒的套接安裝，所述前匹配端兩側端部表面中心位置設有通孔結構。所述環(huán)形壓電陶瓷片采用43激振模式，且其均沿厚度方向極化，所述通電電極片為設置有凸耳結構的圓環(huán)形銅片，4i片環(huán)形壓電陶瓷片與4i+l片通電電極片通過絕緣套筒相互間隔套接于前匹配端階梯圓環(huán)面與外螺紋結構之間的外圓柱表面上，其中i為大于等于1的整數(shù)；所述絕緣套筒為薄壁圓環(huán)狀結構。所述后匹配端為中空圓柱體結構，所述后匹配端一側端部設置有外螺紋結構，所述后匹配端另一側端部表面設置有螺紋孔結構，所述后匹配端兩側端部表面中心位置設有通孔結構，所述后匹配端外圓周表面上沿圓周方向均勻設置有h個模態(tài)轉換器結構，其中h為大于等于1的整數(shù)。所述第二彈性體為平面型第二彈性體或梳齒性第二彈性體。所述轉動體為板結構，所述轉動體一側端部表面中心位置設有圓形凹槽結構，與第二彈性體的圓形凹槽結構相對布置；所述轉動體另一側端部表面中心位置設有凸緣結構，所述轉動體凸緣結構端部表面設置有階梯孔結構，所述轉動體端部表面中心位置設有通孔結構，所述轉動體凸緣結構內部設置有鍵槽結構。所述輸出軸為階梯軸結構，所述輸出軸一側端部設置有鍵槽結構，所述輸出軸靠近鍵槽結構一側設置有外螺紋結構，所述輸出軸另一側端部設置有外螺紋結構，所述輸出軸與推力球軸承配合連接的外圓周表面上靠近鍵槽結構一側設置有鍵槽結構。
[0008]所述布置于第一彈性體上的環(huán)形壓電陶瓷片構成激振組A。
[0009]所述一種夾心式模態(tài)轉換超聲電機及使用該電機的驅動平臺的驅動方法具體為:所述激振組A通以某一超聲頻率(一般大于16 kHz)的交流激勵電信號，通過模態(tài)轉換器結構激發(fā)其所在的第一彈性體產(chǎn)生扭轉振動模態(tài)，激發(fā)的縱向振動激勵第二彈性體產(chǎn)生彎曲振動模態(tài)，利用振動模態(tài)的疊加耦合，在第二彈性體與轉動體的接觸表面上產(chǎn)生驅動摩擦力，實現(xiàn)本發(fā)明的運動輸出；所述交流激勵電信號可為正弦、方波或鋸齒波等周期電信號。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用梁板復合方式的彈性體對超聲電機進行激振，利用梁結構彈性體與板結構彈性體振動模態(tài)的疊加耦合，在實現(xiàn)電機定子較大振動幅值的同時，可獲得電機定子與轉子間較大的有效接觸面積，使得超聲電機的整機輸出性能獲得大幅度提升。本發(fā)明具有輸出功率大、電機運行平穩(wěn)、定位精度高、環(huán)境適應性強以及應用范圍廣等技術優(yōu)勢，在精密驅動與微定位技術領域中具有較大的應用與發(fā)展前景。
【附圖說明】
[0011]圖1所示為本發(fā)明提出的一種夾心式模態(tài)轉換超聲電機的剖視圖；
圖2所示為本發(fā)明提出的一種夾心式模態(tài)轉換超聲電機的固定底座的主視圖；
圖3所示為本發(fā)明提出的一種夾心式模態(tài)轉換超聲電機的固定底座的剖視