一种压电电机和差动控制方法与流程

本发明涉及压电致动技术领域，具体而言，涉及一种压电电机和差动控制方法。

背景技术：

随着微/纳米技术的发展，众多工程技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密作动器。但由于传统电磁电机需要减速装置，在微型化、高功重比的发展方向上很难突破。

随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷(pzt)材料的出现使得压电精密作动器的研究得到了广泛关注，并在精密作动领域显示出了广泛的应用前景。

经发明人研究发现，现有的利用压电效应的压电电机一般具有至少两个振动部件，各振动部件在结构上因具有耦合性而不能进行单独地控制，因而现有的压电电机存在定位精度低的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压电电机，可以解决现有技术中因第一振动部件和第二振动部件的位移输出不能单独控制而存在压电电机定位精度低的问题。

本发明的另一目的在于提供一种差动控制方法，通过对动子进行差动控制，可以进一步提高压电电机的定位精度。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种压电电机，包括底座以及设置于所述底座的动子和定子，所述定子包括第一振动部件、第二振动部件、第一压电叠层、第二压电叠层以及第三压电叠层。

所述动子通过滑轨设置于所述底座并能沿所述滑轨滑动，所述第一压电叠层、第二压电叠层以及第一振动部件设置于所述第二振动部件内部，所述第一振动部件与所述动子接触设置且在所述动子的滑动方向上的两侧分别与所述第一压电叠层和第二压电叠层连接，所述第二振动部件远离所述动子的一侧与所述第三压电叠层连接。

所述第一压电叠层和所述第二压电叠层用于在激励信号的控制下沿平行于所述滑轨的方向伸缩以通过所述第一振动部件带动所述动子沿所述滑轨滑动，所述第三压电叠层用于在激励信号的控制下沿垂直于所述滑轨的方向伸缩以通过所述第二振动部件控制所述第一振动部件与所述动子之间的压力。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述压电电机中，所述定子还包括第一预紧弹簧、第二预紧弹簧、固定板以及挡板，所述第二振动部件远离所述动子的一侧通过所述第一预紧弹簧和第二预紧弹簧与所述固定板连接，所述第三压电叠层远离所述第二振动部件的一侧通过所述挡板固定于所述固定板。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述压电电机中，所述定子还包括第一导向块、第二导向块以及第三导向块。

所述第一压电叠层远离所述第一振动部件的一侧通过所述第一导向块与所述第二振动部件连接，所述第二压电叠层远离所述第一振动部件的一侧通过所述第二导向块与所述第二振动部件连接，所述第三压电叠层远离所述第二振动部件的一侧通过所述第三导向块与所述挡板连接。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述压电电机中，所述定子还包括配重质量块，所述配重质量块与所述固定板远离所述第二振动部件的一侧连接。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述压电电机中，所述第二振动部件为u型刚性结构，所述第一振动部件通过所述u型刚性结构的开口与所述动子接触设置。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述压电电机中，所述定子还包括第一预压板簧、第二预压板簧以及支座，所述第一预压板簧和所述第二预压板簧平行设置并通过所述支座固定于所述底座，所述第二振动部件靠近所述动子的一侧与所述第一预压板簧连接，远离所述动子的一侧与所述第二预压板簧连接。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述压电电机中，所述第一预压板簧和所述第二预压板簧在所述第一压电叠层的伸缩方向上的刚度大于在所述第二压电叠层的伸缩方向上的刚度。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述压电电机中，第一振动部件远离所述动子的一侧通过柔性支撑臂与所述第二振动部件连接。

在上述基础上，本发明实施例还提供了一种差动控制方法，应用于上述压电电机，所述方法包括：

控制第三压电叠层伸长或缩短，以通过第二振动部件控制第一振动部件与动子之间的压力增加或减小；

在所述第三压电叠层伸长时，控制第一压电叠层伸长并控制第二压电叠层缩短以使所述第一振动部件带动所述动子沿第一方向滑动；

在所述第三压电叠层缩短时，控制所述第一压电叠层缩短并控制所述第二压电叠层伸长以使所述第一振动部件带动所述动子沿第二方向滑动，所述动子沿第一方向滑动的距离大于沿所述第二方向滑动的距离。

在本发明实施例较佳的选择中，在上述差动控制方法中，所述控制所述第三压电叠层伸长或缩短的步骤包括：

向所述第三压电叠层施加幅值为正的激励信号以使所述第三压电叠层伸长；

向所述第三压电叠层施加幅值为零的激励信号以使所述第三压电叠层缩短。

本发明提供一种压电电机和差动控制方法，通过设置第一压电叠层、第二压电叠层以及第三压电叠层，分别对第一振动部件和第二振动部件的位移输出进行控制，可以解决现有技术中因第一振动部件和第二振动部件的位移输出不能单独控制而存在压电电机定位精度低的问题，极大地提高了压电电机的可靠性和实用性。

进一步地，通过设置配重质量块，可以根据实际需求对配重质量块的质量进行调整，从而通过第二振动部件控制第一振动部件与动子之间的初始压力，实现对压电电机定位精度的调节，有效地提高了压电电机的适应能力。通过将第二振动部件设置为u型刚性结构，可以有效地提高第二振动部件的稳定性，避免因结构变形而造成位移输出精度低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的压电电机的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的定子的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的定子的另一结构示意图。

图4为图3中a-a截面的剖视图。

图5为本发明实施例提供的差动控制方法的流程示意图。

图标：10-压电电机；100-底座；120-侧板；140-底板；200-动子；300-定子；310-第一振动部件；320-第二振动部件；330-第一压电叠层；340-第二压电叠层；350-第三压电叠层；360-第一预紧弹簧；370-第二预紧弹簧；380-固定板；390-挡板；410-配重质量块；420-第一导向块；430-第二导向块；440-第三导向块；450-第一预压板簧；460-第二预压板簧；470-支座。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供了一种压电电机10，包括底座100、动子200以及定子300。所述底座100包括侧板120和底板140，所述动子200设置于所述侧板120，所述定子300设置于所述底板140。

可选地，所述动子200设置于所述侧板120的方式不受限制，所述定子300设置于所述底板140的方式不受限制，例如滑动连接、固定连接、螺纹连接、卡扣连接等。在本实施例中，所述侧板120设置有滑轨，所述动子200通过所述滑轨设置于所述侧板120并能沿所述滑轨滑动。所述定子300通过螺栓固定于所述底板140。

结合图2，在本实施例中，所述定子300包括第一振动部件310、第二振动部件320、第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第三压电叠层350。所述第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第一振动部件310设置于所述第二振动部件320内部，所述第一振动部件310与所述动子200接触设置且在所述动子200的滑动方向上的两侧分别与所述第一压电叠层330和第二压电叠层340连接，所述第二振动部件320远离所述动子200的一侧与所述第三压电叠层350连接。

所述第一压电叠层330和所述第二压电叠层340用于在激励信号的控制下沿平行于所述滑轨的方向伸缩以通过所述第一振动部件310带动所述动子200沿所述滑轨滑动，所述第三压电叠层350用于在激励信号的控制下沿垂直于所述滑轨的方向伸缩以通过所述第二振动部件320控制所述第一振动部件310与所述动子200之间的压力。

可选地，所述第二振动部件320的具体形状结构不受限制，根据实际需求进行设置即可，例如，可以根据所述第一振动部件310，第一压电叠层330以及第二压电叠层340的具体设置方式进行设置。在本实施例中，所述第二振动部件320为u型刚性结构，所述第一振动部件310通过所述u型刚性结构的开口与所述动子200接触设置。

可选地，所述第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第一振动部件310设置于所述第二振动部件320内部的具体设置方式不受限制。在本实施例中，所述第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第一振动部件310远离所述动子200的一侧通过柔性支撑臂与所述第二振动部件320的底臂连接。

结合图3和图4，在本实施例中，所述定子300还可以包括第一预紧弹簧360、第二预紧弹簧370、固定板380、挡板390以及配重质量块410。

所述第二振动部件320远离所述动子200的一侧通过所述第一预紧弹簧360和第二预紧弹簧370与所述固定板380连接，所述第三压电叠层350远离所述第二振动部件320的一侧通过所述挡板390固定于所述固定板380，所述配重质量块410与所述固定板380远离所述第二振动部件320的一侧连接。

通过设置所述第一预紧弹簧360和第二预紧弹簧370，可以在所述第三压电叠层350需要缩短时，为所述第三压电叠层350提供压力从而实现缩短的目的，不用单独为所述第三压电叠层350提供驱动动力，极大地提高了压电电机10的实用性。通过设置所述配重质量块410，可以根据实际需求对所述配重质量块410的质量进行调整，从而通过所述第二振动部件320控制所述第一振动部件310与所述动子200之间的初始压力，实现对所述压电电机10定位精度的调节，有效地提高了所述压电电机10的适应能力。

进一步地，在本实施例中，所述定子300还包括第一导向块420、第二导向块430以及第三导向块440。所述第一压电叠层330远离所述第一振动部件310的一侧通过所述第一导向块420与所述第二振动部件320连接，所述第二压电叠层340远离所述第一振动部件310的一侧通过所述第二导向块430与所述第二振动部件320连接，所述第三压电叠层350远离所述第二振动部件320的一侧通过所述第三导向块440与所述挡板390连接。

通过设置所述第一导向块420、第二导向块430以及第三导向块440，可以有效避免因所述第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第三压电叠层350直接与其它部件或结构连接而在所述第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第三压电叠层350发生形变时对所述第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第三压电叠层350造成破坏的问题，极大地提高了压电电机10的使用寿命。

可选地，所述第一导向块420和第二导向块430与所述第二振动部件320的连接方式不受限制，根据实际需求进行设置即可。在本实施例中，所述第二振动部件320的两侧臂分别设置有预紧螺栓，并通过一预紧螺栓将所述第一导向块420和第一压电叠层330固定于所述第一振动部件310的一侧，通过另一预紧螺栓将所述第二导向块430和第二压电叠层340固定于所述第一振动部件310的另一侧。

进一步地，在本实施例中，所述定子300还可以包括第一预压板簧450、第二预压板簧460以及支座470。所述第一预压板簧450和所述第二预压板簧460平行设置并通过所述支座470固定于所述底座100，所述第二振动部件320靠近所述动子200的一侧与所述第一预压板簧450连接，远离所述动子200的一侧与所述第二预压板簧460连接。

可选地，所述第一预压板簧450和所述第二预压板簧460的刚度不受限制，根据实际需求进行设置即可。在本实施例中，所述第一预压板簧450和所述第二预压板簧460在所述第一压电叠层330的伸缩方向上的刚度大于在所述第二压电叠层340的伸缩方向上的刚度。

通过上述设置，既可以有效避免所述第一预压板簧450和所述第二预压板簧460在所述第一压电叠层330的伸缩方向上产生形变而造成动子200位移输出精度下降的问题，还能保证所述第一振动部件310可以和动子200充分接触，从而避免所述第一振动部件310无法有效带动动子200滑动的问题，极大地提高了所述压电电机10的可靠性和安全性。

结合图5，本发明实施例还提供一种差动控制方法，应用于上述压电电机10。下面将对图5所示的具体流程进行详细阐述。

步骤s110，控制第三压电叠层350伸长或缩短，以通过第二振动部件320控制第一振动部件310与动子200之间的压力增加或减小。

可选地，控制所述第三压电叠层350伸长或缩短的方法步骤不受限制，例如可以通过对所述第三压电叠层350施加不同的激励信号，以控制所述第三压电叠层350伸长或缩短，也可以通过对所述第三压电叠层350施加外部压力或拉力，以控制所述第三压电叠层350伸长或缩短。在本实施例中，可以通过以下步骤实现：向所述第三压电叠层350施加幅值为正的激励信号以使所述第三压电叠层350伸长；向所述第三压电叠层350施加幅值为零的激励信号以使所述第三压电叠层350缩短。

步骤s130，在所述第三压电叠层350伸长时，控制第一压电叠层330伸长并控制第二压电叠层340缩短以使所述第一振动部件310带动所述动子200沿第一方向滑动。

步骤s150，在所述第三压电叠层350缩短时，控制所述第一压电叠层330缩短并控制所述第二压电叠层340伸长以使所述第一振动部件310带动所述动子200沿第二方向滑动，所述动子200沿第一方向滑动的距离大于沿所述第二方向滑动的距离。

通过上述方法，可以保证所述第一振动部件310沿所述第一方向运动的距离和沿所述第二方向运动的距离相同时，由于所述第一振动部件310与所述动子200之间的压力不同，从而导致所述第一振动部件310对所述动子200的摩擦力不同，以使所述动子200沿第一方向滑动的距离大于沿所述第二方向滑动的距离，从而实现差动控制的目的，极大地提高了所述压电电机10的定位精度。

综上所述，本发明提供的一种压电电机10和差动控制方法，通过设置第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第三压电叠层350，分别对第一振动部件310和第二振动部件320的位移输出进行控制，可以解决现有技术中因第一振动部件310和第二振动部件320的位移输出不能单独控制而存在压电电机10定位精度低的问题，极大地提高了压电电机10的可靠性和实用性。其次，通过设置配重质量块410，可以根据实际需求对配重质量块410的质量进行调整，从而通过第二振动部件320控制第一振动部件310与动子200之间的初始压力，实现对压电电机10定位精度的调节，有效地提高了压电电机10的适应能力，具有极大地实用价值。通过将第二振动部件320设置为u型刚性结构，可以有效地提高第二振动部件320的稳定性，避免因结构变形而造成位移输出精度低的问题。最后，通过设置第一导向块420、第二导向块430以及第三导向块440，可以有效避免因第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第三压电叠层350直接与其它部件或结构连接而在第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第三压电叠层350发生形变时，对第一压电叠层330、第二压电叠层340以及第三压电叠层350造成破坏的问题，极大地提高了压电电机10的使用寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。