专利名称：步进式纳米直线电机的制作方法
技术领域：
本发明属于压电驱动器，具体涉及一种步进式纳米直线电机，适用于大行程、 纳米级精度、双向直线驱动。
背景技术：
在纳米技术的研究工作中，纳米级控制及定位被认为是纳米技术的核心之一， 为纳米技术在各个领域的应用提供技术基础。纳米级微位移技术在光学工程、生物 工程、超精密加工及测量等方面都有着广泛的应用。
压电陶瓷驱动器因其体积小(几立方毫米 几十立方毫米)、位移分辨率高(纳米 级)、响应速度快(几十微秒)、输出力大、换能效率高等优点，是目前微位移技术中 比较理想的驱动元件，但其行程只有数十微米，大大限制了其应用范围。
为了解决压电陶瓷驱动器小行程的问题，国内外学者先后提出了基于柔性铰 链的放大结构，但其放大倍数有限，放大行程约几十至上百微米；基于摩擦的冲击 放大机构，理论上行程可以无限大，但其驱动力小；基于尺蠖结构的放大机构，存 在去电不定位和控制复杂(需要3组控制信号和3组控制电源)的缺点。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提出一种步进式纳米直线电机， 以获得较大的驱动力和较大的微位移行程。 本发明的技术解决方案如下
一种步进式纳米直线电机，其特点在于由箝位机构、驱动机构、杠杆机构、 预紧机构、机架、输出体和导轨组成
所述的箝位机构由纵向压电陶瓷驱动器和箝位体构成，所述的箝位体的一侧与 所述的杠杆机构的一端铰接，所述的纵向压电陶瓷驱动器一端固接在所述的机架上， 另一端顶在所述的箝位体的底面，所述的箝位体上端面的凸台对准所述的输出体以 便箝位；所述的驱动机构由剪切压电陶瓷驱动器和转换体组成，所述的剪切压电陶 瓷驱动器固接在所述的转换体的凹槽内，该剪切压电陶瓷驱动器的上端钳紧所述的 输出体；所述的杠杆机构的一端接所述的箝位体，该杠杆机构的支点铰接在所述的 机架上，该杠杆机构的另一端铰接在所述的转换体上；
所述的预紧机构的一端固定在所述的机架上，另一端顶靠在所述的转换体上；所述的导轨由交叉滚柱导轨内导轨和外导轨构成；所述的输出体与所述的的内 导轨用螺栓连接；所述的外导轨与所述的机架通过螺栓连接。所述的输出体在所述 的导轨的限制下，只有一维平动自由度。
所述的预紧机构由弹簧和预紧螺钉构成，所述的弹簧的一端顶靠所述的转换体， 该弹簧的另一端挤压所述的预紧螺钉，该预紧螺钉通过螺纹连接在所述的机架上。
所述的箝位机构可为两套，沿位移方向紧靠在所述的驱动机构的两端。
本发明的技术效果
本发明利用杠杆位移变换原理，所述的驱动机构与箝位机构依次交替钳紧所述 的输出体，循环地进行驱动运动和箝位运动，可以达到毫米量级行程。当断电时， 由于预紧机构的作用，使箝位机构钳紧输出体，产生保持定位的摩擦力，实现断电 定位功能。 '
本发明具有控制简单(只需要2组控制信号和2组控制电源)，易加工，断电保 持定位的特点，适用于大行程、纳米级精度、大负载、双向直线驱动的场合。
图1是本发明步进式纳米直线电机运动初始状态示意图
图2是本发明步进式纳米直线电机运动第一过程的状态示意图
图3是本发明步进式纳米直线电机运动第二过程的状态示意图
图4是本发明步进式纳米直线电机运动第三过程的状态示意图
图5是本发明步进式纳米直线电机另一实施例结构半剖主视图
图6是本发明步进式纳米直线电机另一实施例结构俯视图
具体实施例方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保 护范围。
先请参阅图1，见图1是本发明的步进式纳米直线电机运动初始状态示意图， 由图可见，本发明步进式纳米直线电机由箝位机构l、驱动机构2、杠杆机构3、预 紧机构4、机架5、输出体6和导轨7组成
所述的箝位机构1由纵向压电陶瓷驱动器l-2和箝位体1-1构成，所述的箝位体 1-1的一侧与所述的杠杆机构3的一端铰接，所述的纵向压电陶瓷驱动器1-2—端固
接在所述的机架5上，另一端顶在所述的箝位体1-1的底面，所述的箝位体1-1上端 面的凸台对准所述的输出体6以便箝位；
所述的驱动机构2由剪切压电陶瓷驱动器2-2和转换体2-1组成，所述的剪切压 电陶瓷驱动器2-2固接在所述的转换体2-l的凹槽中，该剪切压电陶瓷驱动器2-2钳 紧所述的输出体6;
所述的杠杆机构3的一端接所述的箝位体1-1，该杠杆机构3的支点铰接在所述 的机架5上，该杠杆机构3的另一端铰接在所述的转换体2-1上；
所述的预紧机构4的一端固定在所述的机架5上，另一端顶靠在所述的转换体
2-1上；
所述的导轨7由交叉滚柱导轨的内导轨和外导轨构成；所述的输出体6与所述 的内导轨用螺栓连接；所述的外导轨与所述的机架5通过螺栓连接。
所述的预紧机构4由弹簧4-1和预紧螺钉4-2构成，所述的弹簧4-1的一端顶压 所述的转换体2-l，该弹簧4-l另一端挤压所述的预紧螺钉4-2，该预紧螺钉4-2通 过螺纹连接在所述的机架5上。
本发明步进式纳米直线电机在未通电状态下，如图1所示，箝位机构1与输出 体6相互脱离，不产生相互作用；驱动机构2在预紧机构4的作用下，所述的剪切 压电陶瓷驱动器2-2钳紧输出体6,产生保持定位的摩擦力；
见图2，图2是本发明的步进式纳米直线电机运动第一过程的状态示意图，对 所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2施加正向电压，产生剪切形变，依靠所述的剪切压 电陶瓷驱动器2-2与所述的输出体6间的摩擦力，推动所述的输出体6在导轨7的 限制下，产生A方向输出位移d (d为nm量级)，完成驱动运动；
图3是本发明的步进式纳米直线电机运动第二过程的状态示意图，此时对纵 向压电陶瓷驱动器l-2施加正向电压，产生伸长运动，推动箝位体1-1产生竖直向上 位移，经过杠杆3的位移转换，所述的驱动机构2产生竖直向下的位移，所述的剪 切压电陶瓷驱动器2-2脱离所述的输出体6，压縮所述的预紧机构4;同时，所述的 箝位体l-l与所述的输出体6接触，钳紧输出体6，产生相应的摩擦保持力。对所述 的剪切压电陶瓷驱动器2-2施加反向电压，产生反向剪切最大位移，完成箝位运动。
图4是本发明的步进式纳米直线电机运动第三过程的状态示意图，减小施加 在所述的纵向压电陶瓷驱动器1-2上的电压，产生收縮运动，则驱动机构2在预紧机构4的作用下，推动所述的驱动机构2钳紧所述的输出体6，即剪切压电陶瓷驱 动器2-2钳紧输出体6，箝位体1-1脱离输出体6。这样，完成了一个驱动周期。
依次循环上述运动的第一过程，第二过程和第三过程，可产生毫米量级的位移 输出。
如要进行反方向运动，则只需要在上述运动第一过程中对所述的剪切压电陶瓷 驱动器2-2施加负向电压，在上述运动第二过程中对剪切压电陶瓷驱动器2-2施加正 向电压即可。
请参阅图5，图5是本发明的步进式纳米直线电机另一实施例的结构半剖主视图， 是一种具有两套箝位机构的步进式纳米直线电机，两套箝位机构沿所述的驱动机构
的位移方向紧靠在所述的驱动机构两端。结构机架是在整块铝合金材料(7075-T6) 上，通过线切割加工出来的；整体结构是关于中心轴对称的，可以平衡热变形以及 消除结构原理误差。结构上的铰链是通过柔性铰链8来实现的；第一箝位机构由连 杆1-3、箝位体1-1、纵向压电陶瓷驱动器l-2构成和第二箝位机构由连杆1-6、箝位 体l-4、纵向压电陶瓷驱动器l-5组成；连杆l-3—端铰接在机架5上，另一端铰接 在箝位体1-1上；纵向压电陶瓷驱动器1-2外形尺寸，大于机架5和箝位体1-1之间 尺寸，形成过盈尺寸配合，将其镶嵌到机架5与箝位体l-〖之间；第二连杆1-6 —端 铰接在机架5上，另一端铰接在第二箝位体1-4上；纵向压电陶瓷驱动器1-5外形尺 寸，大于机架5和箝位体1-4之间尺寸，形成过盈尺寸配合，将其镶嵌到所述的机 架5与所述的第二箝位体1-4之间，箝位体1-1和箝位体1-4的上端面均为凸台。
所述的驱动机构由剪切压电陶瓷驱动器2-2、连杆2-3、连杆2-4、连杆2-5、连 杆2-6和转换体2-1组成；所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2用胶结工艺固接在所述的 转换体2-l的凹槽内；连杆2-3，连杆2-4，连杆2-5和连杆2-6的一端铰接在机架5 上，另一端铰接在转换体2-l上，组成复合平行四杆导向机构。
所述的杠杆机构3由杠杆3-l和杠杆3-2组成;杠杆3-l的支点铰接在机架5上， 其一端铰接在箝位体1-1上，另一端铰接在转换体2-1上；杠杆3-2的支点铰接在机 架5上，其一端铰接在箝位体l-4上，另一端铰接在转换体2-l上。预紧机构由弹簧 4-1、预紧螺钉4-2和弹簧4-3、预紧螺钉4-4组成；弹簧4-1 一端顶压转换体2-1， 一端挤压预紧螺钉4-2;预紧螺钉4-2通过螺纹连接在机架5上，弹簧4-3—端顶压 转换体2-1， 一端挤压预紧螺钉4-4;所述的预紧螺钉4-4通过螺纹连接在机架5上， 通过调节预紧螺钉4-2和预紧螺钉4-4，调整剪切压电陶瓷驱动器2-2与输出体6间的正压力，从而可调节保持定位的摩擦力。导轨7安装固定在机架5上，限制输出 体6只具有一维平动自由度。
当剪切压电陶瓷驱动器2-2钳紧输出体6时，对所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2 施加正电压，所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2发生剪切形变，所述的输出体6输出 一维平动位移，产生驱动运动。当纵向压电陶瓷驱动器1-2和纵向压电陶瓷驱动器 1-5同时施加正电压控制信号时，箝位体1-1在连杆1-3和杠杆3-1的导向作用及所 述的纵向压电陶瓷驱动器1-2的推动下，产生竖直向上运动；对称的箝位体1-4在连 杆l-6和杠杆3-2的导向作用及纵向压电陶瓷驱动器l-5推动下，产生竖直向上运动； 所述的箝位体1-1和箝位体1-4上端面两凸台同时钳紧输出体6;所述的转换体2-1 在上述复合平行四杆导向机构和杠杆3-1和3-2的共同作用下，产生竖直向下运动， 带动所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2脱离所述的输出体6，同时改变施加在所述的剪 切压电陶瓷驱动器2-2上的电场方向，产生箝位运动。
控制两组电压驱动信号(驱动运动信号和箝位运动信号)，在杠杆机构作用下， 进行驱动运动和箝位运动的循环，可以达到毫米量级的行程。
见图6，是本发明的步进式纳米直线电机实施例的结构俯视图，所述的导轨7 由交叉滚柱导轨内导轨7-2和7-4和外导轨7-1和7-3构成；所述的输出体6与所述 的交叉滚柱导轨的内导轨7-2和7-4用螺栓连接；所述的交叉滚柱导轨的外导轨7-1 和7-3与所述的机架5通过螺栓连接。则所述的输出体6〃在所述的导轨7的限制下 只具有一维平动自由度。
本发明提出的电机速度为
v=2dx/，
其中2d为电机的步距，/为电机驱动频率。
本发'^S电机的输出力取决于箝位机构与输出体6以及驱动机构与输出体6间的 正压力及摩擦系数。
本发明适用于大行程、低速度、高精度定位的场合。
权利要求
1.一种步进式纳米直线电机，其特征在于由箝位机构(1)、驱动机构(2)、杠杆机构(3)、预紧机构(4)、机架(5)、输出体(6)和导轨(7)组成所述的箝位机构(1)由纵向压电陶瓷驱动器(1-2)和箝位体(1-1)构成，所述的箝位体(1-1)的一侧与所述的杠杆机构(3)的一端铰接，所述的纵向压电陶瓷驱动器(1-2)一端固接在所述的机架(5)上，另一端顶在所述的箝位体(1-1)的底面，所述的箝位体(1-1)上端面的凸台对准所述的输出体(6)以便箝位；所述的驱动机构(2)由剪切压电陶瓷驱动器(2-2)和转换体(2-1)组成，所述的剪切压电陶瓷驱动器(2-2)固接在所述的转换体(2-1)的凹槽中，该剪切压电陶瓷驱动器(2-2)钳紧所述的输出体(6)；所述的杠杆机构(3)的一端接所述的箝位体(1-1)，该杠杆机构(3)的支点铰接在所述的机架(5)上，该杠杆机构(3)的另一端铰接在所述的转换体(2-1)上；所述的预紧机构(4)的一端固定在所述的机架(5)上，另一端顶压在所述的转换体(2-1)上；所述的导轨(7)由交叉滚柱导轨的内导轨和外导轨构成；所述的输出体(6)与所述的内导轨用螺栓连接；所述的外导轨与所述的机架(5)通过螺栓连接。
2、 根据权利要求l所述的步进式纳米直线电机，其特征在于所述的预紧机构 (4)由弹簧(4-1)和预紧螺钉(4-2)构成，所述的弹簧(4-1)的一端顶压所述的转换体(2-1)，该弹簧(4-1)的另一端挤压所述的预紧螺钉(4-2),该预紧螺钉(4-2) 通过螺纹连接在所述的机架(5)上。
3、 根据权利要求1或2所述的步进式纳米直线电机，其特征在于所述的箝位 机构(1)为两套并紧靠在所述的驱动机构(2)的位移方向的两端。
全文摘要
一种步进式纳米直线电机，其特征在于该电机由箝位机构、驱动机构、杠杆机构、预紧机构、机架、输出体和导轨组成。箝位机构是利用纵向压电陶瓷驱动器作为驱动元件，通过杠杆位移转换实现驱动机构与输出体脱离，箝位体钳紧输出体，产生箝位运动；驱动机构，在弹簧的预紧作用下，剪切压电陶瓷驱动器钳紧输出体，利用其剪切逆压电效应，实现驱动运动。通过重复的驱动运动和箝位运动，可以产生较大行程位移量。本发明具有控制简单、易加工，断电保持定位的特点，适用于大行程、纳米级精度、大负载、双向直线驱动的场合。
文档编号H02N2/02GK101369786SQ20081020102
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月10日 优先权日2008年10月10日
发明者朱健强, 勇 王, 斌 王 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所