专利名称：惯性式压电直线电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用惯性力和摩擦力实现直线运动的压电型直线电机，属于精密机械传动技术领域。
背景技术：
随着以机器人为代表机械装置的迅速发展，精密机械不断向高精度，高响应速度方向发展。传统的直线电机主要由线圈驱动，这种方式存在着许多不足，如体积大、机构复杂、精度不高、响应速度低等，不能适应现代精密机械的需求。近年来，压电材料以其响应速度快、输出力大、线性度好、不受电磁干扰等优点，得到了国内外广泛的研究和应用。利用压电材料特性制作超声波直线电机更是早有研究，但是，目前研究制作的压电直线超声波电机多采用贴装多个压电陶瓷片，为其通电后获得需要的相应振动，再将这一振动以各自的方式为电机的直线位移提供输出力，从而实现了压电超声波电机的直线运动。这些研究发挥了压电陶瓷的优点，克服了线圈式直线电机体积大、易受电磁干扰、响应慢等缺点。但是，这种压电直线电机在输出力、位移量、和结构上都存在一定的局限性，需做进一步的研究开发。将压电陶瓷片以某种叠装方式制作的压电叠堆，不仅保持了压电陶瓷原有的特性和优点，而且它的位移量和输出力等都较压电陶瓷片有较大的提高。如何充分利用它，也是目前关注的焦点。压电叠堆的输出力较大，但是位移量多集中于几微米到几十微米之间，仍然有待进一步提闻。目如，国内外研究机构研究了各种位移放大机构，如机械杠杆放大、液压放大等。国内研究得较多的是柔性铰链位移放大机构。但这些研究过于复杂，并且在实现位移放大的同时，极大地减小了驱动器的输出力，无法充分发挥出压电材料优异的驱动性能。利用三角形位移放大方式不仅保持了压电叠堆很大的输出力水平和较高的响应速度，而且在位移量上有了长足的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种驱动位移大、输出力大、快速响应、易于控制、结构简单、易于加工、方便使用、不受电磁干扰，利用摩擦力和惯性力实现直线运动的惯性式压电直线电机。本发明采用的技术方案为一种惯性式压电直线电机，包括位移放大机构、动子和定子轴；所述位移放大机构呈菱形对称结构，菱形两对角线相互垂直且不等长，沿着菱形的长对角线设置有叠层型压电陶瓷，菱形的短对角线方向的两个边角处分别设有固定面和平移面，固定面和平移面与所述叠层型压电陶瓷平行，叠层型压电陶瓷外接电源；所述定子轴直接安装在所述位移放大机构的平移面上，所述动子套装在所述定子轴上。本发明综合利用直角三角形正交位移放大原理和摩擦力、惯性力的作用，将压电叠堆的伸缩位移转换为直线电机的直线运动。通过改变叠层型压电陶瓷上施加的外接电源，可改变直线电机的平移方向和速度。作为优选，环形的动子以一定的预压力套装在圆柱形的定子轴上，彼此通过圆柱面接触的方式，利用相互的摩擦力和动子在运动过程中的惯性力，将与定子轴粘接的位移放大机构上平移面的输出位移转换为动子的直线运动。作为优选，所述位移放大机构与叠层型压电陶瓷之间利用预压力方式进行连接，所述位移放大机构采用刚性连接，提高输出力和响应速度，并采用三角线性放大原理，提高位移输出的线性度。叠层型压电陶瓷位于长对角线方向。固定面和受力面相互平行，并与长对角线方向平行，与短对角线方向垂直。位移放大机构在长对角线方向的有两个朝内的面相互平行，用于放置叠层型压电陶瓷。作为优选，所述位移放大机构还设有用于安装固定的固定孔。由以上结构描述可以看出，当叠层型压电陶瓷被施加电压激励后，叠层型压电陶瓷在长对角线方向产生高频的微位移。根据三角形正交放大原理，这个微小的位移经过放大之后转换为短对角线方向的位移(这两个位移的方向是相互垂直的)。当固定面被固定之后，这个短对角线方向的高频位移便由平移面向外输出，直接用于拖动与之粘接的定子轴运动。最后再利用定子轴和动子之间的摩擦力，以惯性位移的方式将定子轴上的位移转换为动子的直线运动。有益效果本发明相对于一般的线圈式直线电机和其它一些超声波直线电机，它具有输出力大、响应速度快、结构简单、易于加工、方便使用、不受电磁干扰等优点。在实现直线运动的同时，还充分运用了压电材料的优秀特性。配合上合理地驱动电源，就可以在保证较大输出力的同时，控制这个直线电机按照需要进行工作。因此这种惯性式压电直线电机在微位移机械系统、微位移定位、光学精密仪器、航空航天控制等领域中具有重要的应用价值。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的立体结构示意图；图3是本发明在叠层型压电陶瓷上施加三角波激励电压示意图；图4是图3中各个状态的位移图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。如图1和2所示，本发明的惯性式压电直线电机中的动子1、定子轴2和位移放大机构4可以采用钢、铜合金、铝合金等相关金属材料制作。一定质量的环形动子I以一定的预压力套紧在圆柱形的定子轴2上，利用摩擦力和惯性力使得动子I能在定子轴2上实现直线运动。定子轴2的一个圆柱端面直接粘接在位移放大机构4的平移面3上，并保证定子轴2的轴向与平移面3相互垂直，从而将位移放大机构4的输出位移传送到定子轴2上，用于驱动动子I运动。位移放大机构4呈菱形对称结构，位移放大机构4的四条斜边柱与菱形两条对角线构成四个相互对称的非等腰直角三角形，通过菱形两对角线的不等长来实现位移的放大。位移放大机构采用刚性连接，提高输出力和响应速度，并采用三角线性放大原理，提高位移输出的线性度。固定面7和平移面3相互平行，并与长对角线方向平行，与短对角线方向垂直。位移放大机构4在长对角线方向的有两个朝内的面相互平行，用于放置叠层型压电陶瓷5。叠层型压电陶瓷5位于长对角线方向，位移放大机构4的长对角线方向的有两个朝内的平行面将叠层型压电陶瓷5的两个平行的端面夹持住，叠层型压电陶瓷5始终受到预压力，保持接触面无缝隙。由于叠层型压电陶瓷5只能受正向压应力，因此在夹持时面与面平行重合放置。位移放大机构4带有固定孔6，用于安装固定。当叠层型压电陶瓷5被施加高频的电压激励后，它将产生形变，即在长对角线方向产生高频微位移。根据三角形正交放大原理，这个微小的位移经过放大之后转换为短对角线方向的位移，这两个位移的方向是相互垂直的，当固定面7被固定之后，这个短对角线方向的位移便在平移面3上体现为推(或者拉)的驱动效果，带动定子轴2快速的上下运动。在叠层型压电陶瓷5上施加三角波激励电压(如图3所示)后，定子轴2将从位移放大机构4上获得轴向的位移响应。从图4可知，在状态a中，动子1处于初始位置，叠层型压电陶瓷5受到最大电压处于伸长状态，位移放大机构4在轴向方向处于最短位置。当激励电压由a缓慢下降到b时，叠层型压电陶瓷5缩短，位移放大机构4带到定子轴缓慢伸长，动子1在静摩擦力的作用下随定子轴2—起平稳地向上移动Λ d，如b状态所示。当激励电压由b突然快速增加到c时，定子轴2快速向下移动，由于动子I的惯性力克服了滑动摩擦力，而没有随定子轴2向下移动，于是，动子1相对于初始位置向上移动了 Ad，如c状态所示。当激励电压又从c缓慢下降到d时，动子1又随着定子轴2 —起向上移动，到达状态d。当激励电压由d突然上升到e时，定子轴2快速向下移动，动子I由于惯性力作用同样没有跟定子轴2 —起向下运动，于是动子I又沿着轴方向向上移动了 Ad,如状态e所示。如此周而复始,动子1不断的向上累积移动，实现了沿轴方向的向上连续步进运动。同理，当加上反向激励电压时，动子I可实现沿定子轴2向下的连续步进运动。通过调整这一惯性式压电直线电机激励电压的类型、频率、幅值等参数，即可有效地控制和调整它的运动速度、方向和步长等特性，有着较好的输出特性。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种惯性式压电直线电机,其特征在于包括位移放大机构、动子和定子轴；所述位移放大机构呈菱形对称结构，菱形两对角线相互垂直且不等长，沿着菱形的长对角线设置有叠层型压电陶瓷，菱形的短对角线方向的两个边角处分别设有固定面和平移面，固定面和平移面与所述叠层型压电陶瓷平行，叠层型压电陶瓷外接电源；所述定子轴直接安装在所述位移放大机构的平移面上，所述动子套装在所述定子轴上。
2.根据权利要求1所述的惯性式压电直线电机，其特征在于所述动子与定子轴之间利用预压力方式进行连接。
3.根据权利要求1所述的惯性式压电直线电机，其特征在于所述位移放大机构与叠层型压电陶瓷之间利用预压力方式进行连接。
4.根据权利要求1所述的惯性式压电直线电机，其特征在于所述位移放大机构采用刚性连接。
5.根据权利要求1所述的惯性式压电直线电机，其特征在于所述位移放大机构还设有用于安装固定的固定孔。
全文摘要
本发明公开了一种惯性式压电直线电机，包括位移放大机构、动子和定子轴；所述位移放大机构呈菱形对称结构，菱形两对角线相互垂直且不等长，沿着菱形的长对角线设置有叠层型压电陶瓷，菱形的短对角线方向的两个边角处分别设有固定面和平移面，固定面和平移面与所述叠层型压电陶瓷平行，叠层型压电陶瓷外接电源；所述定子轴直接安装在所述位移放大机构的平移面上，所述动子套装在所述定子轴上。本发明相对于一般的线圈式直线电机和其它一些超声波直线电机，它具有输出力大、响应速度快、结构简单、易于加工、方便使用、不受电磁干扰等优点。
文档编号H02N2/02GK103023374SQ20121058475
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者金龙, 靳宏, 徐志科, 王瑞霞, 胡敏强 申请人:东南大学