[发明专利]基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机及工作模态

说明书

本发明公开了一种基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机及其工作模态，其定子组件安装于转动组件与支座组件之间；利用定子组件特定的两相工作模态驱动，其中，面外反对称弯振模态用于实现转动组件与定子组件之间的接触与脱离，面内反对称弯振模态则分别实现驱动转动组件的转子形成绕转轴的旋转运动。本发明使电机能输出精密旋转运动，并使电机具有快速响应特性；能输出较大转动力矩，使电机具有大的动力密度，能够广泛应用于精密旋转驱动、小形和微形伺服执行机构的驱动。

技术领域

本发明涉及一种利用四音叉复合结构的面内振动工作模态和面外振动工作模态复合驱动的旋转超声电机，属于压电超声电机领域，具体地说是一种基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机及工作模态。

背景技术

超声电机发展于上世纪八十年代，它是基于逆压电效应的一种新型微特电机，其能量转换有两个过程，一是通过逆压电效应将电能通过机电耦合作用转化为振动形式能，一是将振动能转换为转子动能。超声电机具有结构简单、体积小、精度高、响应快、断电自锁、无电磁干扰等优点，很大程度弥补了传统电机在微领域及强电磁干扰环境下的不足。超声电机在现代微形飞行器、航天器件、相机、手表及办公自动化设备等方面都已成功应用，是其不可或缺的重要执行部件。目前，超声电机产业化主要集中于旋转形和直线形超声电机这两类电机，而旋转超声电机(PUSM)作为超声电机的一种特定形式，因存在运动和动力耦联特征，而使其技术冲突激增、设计复杂、驱动控制困难，从而造成其发展相对迟缓。国外研究方面，1992年麻省理工学院Anita M.Flynn等制作出微形行波旋转超声电机，定子的外径为2mm，内径为1.2mm，电机的转速范围为100～300r/min。1993年瑞士学者G.-A.Racine等制造出一种驻波驱动形旋转超声电机，电机尺寸为6mm×6mm×2mm，在10V的驱动电压下，无负载转速为600r/min。1998年，日本新生公司的研究人员K.Tani和M.Suzuki等开发出一种利用悬臂梁的伸缩和弯曲模态的新结构旋转电机，电机的直径为2mm,高度为2mm，在驱动电压峰值为10V时,转速可达450r/min。2002年宾州大学研制出一种利用中空金属柱体弯曲模态的旋转超声电机，这种电机的直径为2.4mm，长10mm，转速570r/min，输出力矩达1.8mN·m，效率为25％。在国内，1989年，清华大学的周铁英、董蜀湘等研制出了直径为1mm的微形圆柱式旋转超声电机，这种电机的最大输出扭矩为4μN·m，最高转速为1800r/min。浙江大学研究出了纵扭复合形旋转超声电机，该电机扭矩达到13.2N·m，空载转速12.6r/min的超声电机。南京航空航天大学的赵淳生院士对超声电机的运行机理、机电耦合动力学模型、结构参数优化设计、驱动控制以及试验技术等方面展开了系统而深入的研究，开发了包括TRUM系列圆板式行波形旋转超声电机在内的20多种超声电机。总体来看，现已推出的旋转超声电机结构形式还极其有限，电机的性能还有很大的提升空间。但是，由于旋转超声电机的响应快、动力密度大、定位精密高等优点，故在微驱动、微装配、机器人等许多高新技术领域中具有其它电机难以替代的重要作用，更在航空航天、核磁共振、精密光整加工、光纤装配、显微医学操作等众多领域内有着特殊重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用四音叉式结构板内两两对称的音叉杆的面内弯振振动模态以及面外弯振振动模态驱动的旋转超声电机，使电机输出精密旋转运动，并具有快速响应特性，且能输出较大的转矩和动力密度。

鉴于上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机，包括定子组件、转动组件和支座组件，所述定子组件安装于所述转动组件与所述支座组件之间；

所述定子组件包括四组呈十字形连接的音叉结构板，音叉结构板由两根并列的音叉杆构成，且呈十字形连接的中心处设置有轴孔，音叉结构板的根部设置有定位孔；音叉杆呈矩形，其内部设置有改善定子模态的通孔，且音叉杆端部的正反面均设置有凸起的驱动足；音叉杆的四周表面均粘贴有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件由面外弯振激励陶瓷和面内弯振激励陶瓷构成，音叉杆的正反平面均粘贴有面外弯振激励陶瓷，音叉杆的左右侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷；驱动足顶面涂覆有聚偏氟乙烯基材料；