一种基于钹式压电作动器的惯性直线电的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于钹式压电作动器的惯性直线电机，包括定子和动子，定子包括直杆和钹式压电作动器，钹式压电作动器包括两个钹式位移放大片和一个压电圆片，钹式位移放大片为旋转对称结构、中部凹陷，压电圆片沿厚度方向极化，两个钹式位移放大片对称设置在压电圆片的两个端面上，钹式位移放大片和压电圆片之间在接触面上密封贴合，直杆的一端与其中一个钹式位移放大片外表面中心固定，另一端向外延伸出；动子套装在直杆上，并可相对直杆做相对滑动。本发明提供的惯性直线电机，由于钹式压电作动器能放大压电元件的变形，且具有较高的固有振动频率，整体具有体积小、重量轻、结构简单、输出力和速度大、驱动电流小，响应快、精度高等特点。
【专利说明】一种基于钹式压电作动器的惯性直线电机
【技术领域】
[0001]本发明属于精密机械中的压电微机电器件技术，尤其涉及一种利用惯性力和摩擦力实现直线运动的压电直线电机。
【背景技术】
[0002]压电惯性电机应用在精确直线或旋转运动中，例如用于聚焦功能的光学成像系统中或用于精确定位的显微系统中。
[0003]压电惯性电机的概念描述于T.Higuchi的专利EP0292989中。在不对称电压(譬如锯齿波形电压)循环激励下，动子与定子接触面发生滑动-粘附循环，动子产生长行程的运动输出；但这种工作模式的电机输出力和速度较小。Y.0kamoto和R.Yoshida提出一种高频(超声频率)工作的压电惯性直线电机(Yasuhiro Okamotoand Ryuichi Yoshidaj Development of I inear actuators using piezoelectricelements, Electronics and Communicat1ns in Japan, Part3, Vol.81, N0.11,pp.11—17，1998)，动子与定子接触面发生滑动-滑动循环，显著提高了电机的输出力和速度，且能实现电机的微型化(能容易地制备出直径约2毫米的电机)，工作时的噪音也更小；但这种高频惯性直线电机需要很大的驱动电流，对驱动电路有很高的要求，且压电元件发热严重。C.Franck和B.Francois在专利FR0701822中提出一种利用菱形位移放大机构的压电惯性电机，能提高电机的输出力和速度，减小驱动电流；国内研究人员时运来(专利CN101071998A)、金龙(专利CN103023374A)等也提出了类似结构的压电惯性电机；这种利用位移放大机构的压电惯性电机有一个额外的优点:可以工作在连续长行程和准静态变形两种工作模式，很容易实现精确快速的定位；但这种菱形位移放大机构严重降低了电机结构的固有振动频率，使电机的响应变慢。因此，为了提高压电惯性电机的输出力和速度，降低驱动电流，加快电机的响应速度，有必要发明一种新的压电位移放大机构及基于压电位移放大机构的惯性电机。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于钹式压电作动器的惯性直线电机，在满足体积小、重量轻、结构简单、输出力和速度大、驱动电流小等指标要求的同时，还具有响应快、精度高等特点。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种基于钹式压电作动器的惯性直线电机，包括定子和动子，所述定子包括直杆和钹式压电作动器，所述钹式压电作动器包括两个结构尺寸相同的钹式位移放大片(类似于乐器钹的形状)和一个压电圆片，钹式位移放大片为旋转对称结构、中部凹陷，压电圆片由圆片型压电材料制成、沿厚度方向极化，两个钹式位移放大片对称设置在压电圆片的两个端面上，且钹式位移放大片的周侧与压电圆片端面的周侧密封贴合，直杆的一端与其中一个钹式位移放大片外表面中心固定，另一端向外延伸出，钹式位移放大片、压电圆片和直杆的中轴线均位于Z轴上，动子套装在直杆上，并通过预压力结构压紧动子和直杆之间的连接，动子可相对直杆作相对滑动。
[0007]本案中，钹式压电作动器可以理解为钹式位移放大机构，对压电圆片通电，压电圆片会在电压的作用下产生平面内收缩或扩张运动，钹式压电作动器可以将压电圆片的面内变形转化为上下端面的更大轴向输出位移，从而引起直杆的轴向运动。由以上结构可以看出，在不对称锯齿波形电压的激励下，所述的直杆作快慢交替的往复轴向运动，在直杆作“快速”运动过程中，若动子自身的惯性力大于与直杆间的静摩擦力，则动子发生相对于直杆的滑动，最终表现为动子作正向或反向的直线运动。
[0008]优选的，所述直杆为圆柱形。
[0009]优选的，所述预压力结构为橡胶圈，动子的侧壁上设置有延伸至中部通孔的缺口，橡胶圈套设在动子外侧，通过收缩紧动子侧壁上缺口的方式压紧动子和直杆之间的连接。
[0010]优选的，所述压电圆片由单片或两片以上圆片型压电材料叠装而成(由于单片更薄，所需驱动电压更低)。
[0011]有益效果:本发明提供的基于钹式压电作动器的惯性直线电机，由于钹式压电作动器能放大压电元件的变形，且具有较高的固有振动频率，赋予压电惯性直线电机优良的性能，具有体积小、重量轻、结构简单、输出力和速度大、驱动电流小，响应快、精度高等特点；因此这种压电惯性直线电机在微型运动系统、微型高精度定位平台、光学精密仪器等领域中具有重要的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的总体结构立体示意图；
[0013]图2为本发明侧视结构示意图；
[0014]图3为钹式压电作动器5的位移放大原理示意图；
[0015]图4为本发明的工作原理图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0017]如图1、图2所示为一种基于钹式压电作动器的惯性直线电机，包括定子和动子4，所述定子包括均匀圆柱形的直杆3和钹式压电作动器5，所述钹式压电作动器5包括两个结构尺寸相同的钹式位移放大片2和一个压电圆片1，钹式位移放大片2为旋转对称结构、中部凹陷，压电圆片I由圆片型压电材料制成、沿厚度方向极化，两个钹式位移放大片2对称设置在压电圆片I的两个端面上，且钹式位移放大片2的周侧与压电圆片端面的周侧密封贴合，直杆3的一端与其中一个钹式位移放大片2外表面中心固定,另一端向外延伸出，钹式位移放大片2、压电圆片I和直杆3的中轴线均位于z轴上，动子4套装在直杆3上，动子4的侧壁上设置有延伸至中部通孔的缺口，橡胶圈6套设在动子4外侧，通过收缩紧动子4侧壁上缺口的方式压紧动子4和直杆3之间的连接，动子4可相对直杆3作相对滑动。
[0018]可以利用环氧树脂将两个钹式位移放大片2对称地粘接在压电圆片I的上下表面而形成一个钹式压电作动器5 ;所述的直杆3也可以使用粘接的方式安装于钹式压电作动器5的最上端。所述钹式位移放大片2、直杆3、动子4可以采用钢、铜合金、铝合金、高强度复合材料等相关材料制作，直杆3要求材质耐磨且表面光滑。为了降低工作电压，所述压电圆片I也可以是多片薄的压电圆片堆叠组装而成。
[0019]图3为钹式压电作动器5的位移放大原理示意图。压电圆片I的极化方向P如箭头所示，在压电圆片I上表面电极加一电压V(V>0)，下表面电极接地，由于逆压电效应，压电圆片I会发生面内收缩变形，其变形量随电压V增大而加剧。钹式位移放大片2将该面内变形转化为上下端面的更大轴向输出位移U，从而引起安装在钹式压电作动器5上表面的直杆3的轴向运动。钹式位移放大片2的位移放大因子由其几何结构确定。
[0020]图4为本发明电机的工作原理图。在压电圆片I上施加锯齿波形的激励电压，直杆3作快慢交替的往复轴向运动(见图中位移U)。在电压V “快速”减小的过程中，直杆沿-Z方向“快速”运动，若动子4自身的惯性力大于与直杆3之间的静摩擦力，则动子4发生相对于直杆3的滑动，最终表现为动子4作+z方向的直线运动(见图中位移ΛΖ)。若工作电压变换为“快速”增大和“慢速”减小交替的锯齿波形激励方式，则动子4表现为作-Z方向的直线运动。
[0021]通过调整惯性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。
[0022]以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。
【权利要求】
1.一种基于钹式压电作动器的惯性直线电机，其特征在于:包括定子和动子(4)，所述定子包括直杆(3)和钹式压电作动器(5)，所述钹式压电作动器(5)包括两个结构尺寸相同的钹式位移放大片(2)和一个压电圆片(I)，钹式位移放大片(2)为旋转对称结构、中部凹陷，压电圆片(I)由圆片型压电材料制成、沿厚度方向极化，两个钹式位移放大片(2)对称设置在压电圆片(I)的两个端面上，且钹式位移放大片(2)的周侧与压电圆片端面的周侧密封贴合,直杆(3)的一端与其中一个钹式位移放大片(2)外表面中心固定,另一端向外延伸出，钹式位移放大片(2)、压电圆片(I)和直杆(3)的中轴线均位于z轴上，动子(4)套装在直杆(3)上，并通过预压力结构压紧动子(4)和直杆(3)之间的连接，动子(4)可相对直杆(3)作相对滑动。
2.根据权利要求1所述的基于钹式压电作动器的惯性直线电机，其特征在于:所述直杆⑶为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的基于钹式压电作动器的惯性直线电机，其特征在于:所述预压力结构为橡胶圈(6)，动子(4)的侧壁上设置有延伸至中部通孔的缺口，橡胶圈(6)套设在动子(4)外侧，通过收缩紧动子(4)侧壁上缺口的方式压紧动子(4)和直杆(3)之间的连接。
4.根据权利要求1所述的基于钹式压电作动器的惯性直线电机，其特征在于:所述压电圆片(I)由单片或两片以上圆片型压电材料叠装而成。
【文档编号】H02N2/04GK104079202SQ201410284838
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】郭明森, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学