四足非共振式压电旋转电机

摘要

本发明公开了一种四足非共振式压电旋转电机，属于精密驱动仪器领域。包括机壳，机壳包括陶瓷环和两端的端盖，端盖之间安装主轴；陶瓷环内设有驱动机构，驱动机构包括固定在主轴上的方形固定块、对称设置在方形固定块两侧的两个预紧基座和四个驱动足；四个驱动足分为两组对称安装在固定块两边，通过八个叠层压电陶瓷由四个预紧螺钉压紧在固定块上。四组驱动足端部随着两个预压楔块的楔入，压紧在摩擦陶瓷环上。本发明通过控制输入电压的频率和幅值达到控制旋转速度和精度的目的。相比现有的电磁电机和共振式压电旋转电机，其精度可调，既能够实现大推力、快速运动，也可以实现慢速高精度定位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电式旋转电机，具体讲一种四足非共振式压电旋转电机，属于精密驱动仪器领域。

背景技术

目前，超精密驱动与控制技术正向智能化、集成化、多样化、微型化方向发展。而利用压电材料逆压电效应的压电精密驱动器以具有定位精度高、输出力大、响应速度快、结构形状多样化，设计灵活、结构简单、易于微型化、直接驱动、能耗低、发热少、无需润滑维护、可用于真空、不受磁场影响等优点在众多超精密驱动器中脱颖而出。

传统的压电旋转电机通常为利用压电陶瓷激励定子的共振模态，再通过定子与动子之间的摩擦，驱动动子的旋转运动。因此，此类压电旋转电机的工作效率受激励信号的频率的影响很大，旋转的精度由传感器的精度决定，不可调整；同时通过调节激励信号频率改变转速的方法不能够线性地调节速度，同时大大降低电机输出力与输出效率。

多层压电陶瓷采取电学并联机械串联方式封装的叠层压电陶瓷，在较小的电压下能输出较大的位移，其位移输出与输入电压成线性关系，理论上其分辨率可以实现无穷小。因此，以叠层压电陶瓷为驱动元件的作动器可以获得更好的可控性，实现更高的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种旋转稳定，精度可调和可线性调速的四足非共振式压电旋转电机。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种四足非共振式压电旋转电机，包括机壳，所述机壳包括陶瓷环和安装在陶瓷环两端的端盖，两个端盖的中心之间安装可转动的主轴；

所述陶瓷环内设有驱动机构，所述驱动机构包括固定在主轴上的方形固定块、对称设置在方形固定块两侧的两个预紧基座和四个驱动足；

所述两个预紧基座内侧相对应的一端与方形固定块铰接，另一端与方形固定块之间卡入胀紧装置；所述每个预紧基座的外侧均上下间隔安装两个驱动足，形成上下两层的四个驱动单元；所述驱动足可与陶瓷环接触；

所述每个驱动足分别连接两个间隔设置的叠层压电陶瓷的一端，两个叠层压电陶瓷的另一端与预紧基座相铰接；

所述每个驱动足与预紧基座之间连接预紧螺钉，所述预紧螺钉将叠层压电陶瓷沿其轴向压紧在驱动足和预紧基座之间。

本发明中，所述胀紧装置为预压楔块，所述预紧基座和方形固定块上对应设置供预压楔块楔入的开槽，预紧基座或方形固定块上开槽为斜槽。

本发明中，所述预紧基座的中部设有弹性梁，所述预紧螺钉安装在弹性梁上。

本发明中，所述两个端盖的内侧均设有可卡入陶瓷环中的凸台，两个端盖上对应设有多个耳片，对应耳片之间相连接。

本发明中，所述述主轴的两端与端盖间安装轴承。

本发明中，所述铰接采用柔性铰链。

本发明中，预紧基座和方形固定块为一体结构。

本发明的有益效果在于：(1)、本发明采用叠层压电陶瓷驱动的正交耦合式的非共振式的压电驱动单元，利用正交分布的叠层压电陶瓷，在两个叠层压电陶瓷输入相位差为90°的正弦信号，在驱动足耦合为椭圆运动，在上椭圆部分与陶瓷环接触，推动与旋转部分接触的部分沿椭圆的轨迹的方向旋转；驱动单元分上下层驱动，同层内的叠层压电陶瓷的激励信号相位相同，保证同步驱动旋转整体向相同方向旋转，因此陶瓷环只受周向的驱动力，不受轴向的偏心力，保证稳定的旋转；(2)、本发明中分布在固定块两侧的驱动单元，采用上下驱动单元的激励信号相差180°，保证当上层驱动足与陶瓷环接触的时候，下层两个驱动足与陶瓷环分离，以保证在整个运动周期中旋转整体被连续驱动。同时，两个距离很近的上下两层驱动足的交替驱动，有利于在驱动足运动至椭圆运动的下椭圆运动能够及时与陶瓷环分离，防止反向驱动降低效率；(3)、采用叠层压电陶瓷作为驱动单元，理论上有无限小的分辨率和高精度，通过改变正弦信号的频率，改变四足的驱动频率，从而改变驱动速度。在理想情况下，在叠层压电陶瓷的使用频率范围内能够实现线性调速；同时，通过改变正弦信号的幅值，改变椭圆运动的椭圆的大小，可以改变每步驱动的步距，理论上可以实现线性改变定位精度的目的；(4)相比现有的电磁电机和共振式压电旋转电机，本发明能够实现高速的旋转驱动的同时，也能够实现低速精密定位，具有易于控制、性能稳定、多模式驱动等优点。

附图说明

图1为本发明的四足非共振式压电旋转电机整体结构示意图；

图2为端盖结构示意图；

图3为主轴结构示意图；

图4为预紧基座和方形固定块结构示意图；

图5为本发明结构分解示意图

图6为本发明结构剖视图；

图7为本发明内部结构立体图；

图8为本发明内部结构上层示意图；

图9为本发明内部结构下层示意图；

图10为三角放大原理的示意图；

图11为单方向驱动机理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1和2所示，本发明提供的四足非共振式压电旋转电机，包括壳体和安装在壳体内的驱动单元（图中未显示），壳体包括陶瓷环11、上下两个端盖2，端盖2为圆盘结构，两个端盖2上分别对称设置两个耳片2-3，上下两个端盖2位置相对应的耳片2-3之间相连接。端盖2的内侧设有一凸台2-2，凸台2-2可卡入陶瓷环11中；端盖2的中心设有开孔2-1，主轴1的两端分别安装在上下两个端盖2的开孔2-1中，主轴1可与壳体相对转动。

如图3所示，主轴1为一个阶梯轴，其两端关于中心面对称，主轴1的中心设置一个通孔1-1，主轴1的两端切对称的开槽1-2。

如图4所示，本发明中驱动单元包括固定块3，固定块3为长方体结构，固定块3中心垂直正交的两个面打有两个通孔，分别为通孔3-5和通孔3-6。固定块3左右两个侧面对称设有预紧基座3-3。预紧基座3-3为H型结构，其中部设有弹性梁3-2，弹性梁3-2设有上下两个通孔。预紧基座3-3的中部横向开矩形槽，使得预紧基座3-3分为上下两层。

每个预紧基座3-3的外侧的两端均上下间隔连接两组第一柔性铰链3-8，四个第一柔性铰链3-8都可以单独绕轴旋转。同一基座本体3-4上的上层两个第一柔性铰链3-8间、下层两个第一柔性铰链3-8间呈相向斜面设置。两个预紧基座3-3内侧相对应的一端通过第二柔性铰链3-1与固定块3铰接，另一端与固定块3之间对应设有开槽3-7。

本实施例中，固定块3、预紧基座3-3、弹性梁3-2、第一柔性铰链3-8和第二柔性铰链3-1为一体件。

如图5、6和7所示，固定块3通过通孔3-6套入主轴1中，并通过一个圆柱销12分别通过固定块的通孔3-5和主轴1的通孔1-1，把固定块3与主轴1的相对位置固定，形成一个相对位置不变的基体。

驱动足6的外侧端面为一个弧形面，另一内侧面开有螺纹孔。每个预紧基座3-3的外侧对安装上下两个驱动足，四个驱动足为6a，6b，6c，6d分上下间隔的两层，驱动足6a，6c为上层，驱动足6b，6d为下层。驱动足6a，6b，6c，6d左右两侧均连接两个叠层压电陶瓷7，两个叠层压电陶瓷7间隔设置；叠层压电陶瓷7的另一端分别与预紧基座3-3中位于同一层上的两个第一柔性铰链3-8相连接。预紧螺钉12通过弹性梁3-2上的孔，将螺纹旋进驱动足6的螺纹孔中，将驱动足6通过两个叠层压电陶瓷7压紧在基座本体3-4上，预紧螺钉11位于驱动足6位于两个叠层压电陶瓷7之间。

预压楔块8的斜面压在固定块3的基座本体3-4中斜槽中，另一面压在固定块3的长方体3-4上开的矩形槽中，随着楔块8的楔入，预紧基座整体绕第二柔性铰链3-1转动，将驱动足6整体压紧在陶瓷环11的内壁上。驱动足6、预紧基座3-3、预紧螺钉10以及叠层压电陶瓷7组成四组驱动单元，分别为A组驱动单元、B组驱动单元、C组驱动单元和D组驱动单元，其中A组驱动单元、B组驱动单元位于固定块3一侧，C组驱动单元和D组驱动单元位于固定块3的另一侧；A组驱动单元和C组驱动单元相对称位于上层，B组驱动单元和D组驱动单元相对称位于下层。

如图1和5所示，两个端盖2的凸台2-2卡入陶瓷环11内环中，将陶瓷环11轴向和周向固定，两个端盖2通过耳片2-3上的孔，由两根螺栓9和两个螺母10压紧，使得陶瓷环11与两个端盖2固定为旋转整体；端盖2中孔2-1与阶梯轴1通过两个轴承4相连接。基体、旋转整体、四组驱动单元组成了四足非共振式压电旋转电机。

如图8、图9所示，上、下层驱动单元，四个叠层压电陶瓷分别沿其自身轴向安装于驱动足6和预紧基座3-3之间。

如图10所示，本发明的四足非共振式压电旋转电机的通过控制输入电压的频率和幅值达到控制旋转速度和精度，四组驱动单元的激励方式（由于叠层压电陶瓷只能受正压，设计所有激励电压完全正向偏置），上层两组驱动单元中c组驱动单元的叠层压电陶瓷7c1与a组驱动单元的叠层压电陶瓷7a2激励电压和频率相同；c组驱动单元的叠层压电陶瓷7c2与叠层压电陶瓷7a1激励电压和频率相同，且相比叠层压电陶瓷7c1与7a2的激励电压相位滞后90°

下层两组驱动单元与上层两组驱动单元的叠层压电陶瓷分别一一对应（即上层的a组7a1与下层的b组7b1对应，上层的a组7a2与下层的b组7b2；同理，上层的7b1,7b2分别与下层的7d1,7d2相对应），所有叠层压电陶瓷的激励电压幅值、频率相同。下层叠层压电陶瓷激励电压的相位相对上层驱动单元的叠层压电陶瓷激励电压的相位一一对应均滞后180°。

如图11所示，在驱动电压的一个周期T内，T/8时：叠层压电陶瓷7c1、7a2伸长，叠层压电陶瓷7c2、7a1缩短相同的长度，驱动足6a运动到椭圆轨迹的最左端，驱动足6c运动到椭圆轨迹的最右端；由于上下层叠层压电陶瓷的激励信号相位一一对应相差180°，其运动状态相反；

3T/8时：叠层压电陶瓷7c1、7a2伸长，叠层压电陶瓷7c2、7a1伸长相同的长度，驱动足6a运动到椭圆轨迹的最上端，驱动足6c运动到椭圆轨迹的最下端；由于下层叠层压电陶瓷的激励信号相位一一对应相差180°，其运动状态相反；

5T/8时：叠层压电陶瓷7c1、7a2缩短，叠层压电陶瓷7c2、7a1伸长相同的长度，驱动足6a运动到椭圆轨迹的最左端，驱动足6c运动到椭圆轨迹的最右边；由于下层叠层压电陶瓷的激励信号相位一一对应相差180°，其运动状态相反；

7T/8时：叠层压电陶瓷7c1,7a2缩短，叠层压电陶瓷7c2,7a1缩短相同的长度，驱动足6a运动到椭圆轨迹的最下端，驱动足6c运动到椭圆轨迹的最上边；由于下层叠层压电陶瓷的激励信号相位一一对应相差180°，其运动状态相反；

9T/8时：与T/8时的运动状态相同，完成一个运动周期的运动。

可以看出，在T/8-5T/8的阶段，上层驱动单元的驱动足6与陶瓷环11的内侧相接触，并推动陶瓷环11往逆时针方向转动，下层驱动单元的驱动足6与陶瓷环11相分离；5T/8-9T/8的阶段，下层驱动单元的驱动足6与陶瓷环11的内侧相接触，并推动陶瓷环11往逆时针方向转动，上层驱动单元的驱动足6与陶瓷环11相分离。可以完成整个周期的连续驱动。

通过改变各叠层压电陶瓷的相位差（由相差90°改为相差-90°等），改变驱动的方向，且由于驱动单元中心对称，两轴方向轴对称，理想驱动条件下驱动正反向状态完全对称。

本发明，通过改变驱动电压幅值，改变椭圆轨迹的大小，从而改变步进电机的步距，即改变了电机的定位精度通过改变驱动电压的频率，改变步进的频率，从而改变电机的速度，实现了精度和速度的单独调节。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。