惯性式中型结构的直线压电电机及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种惯性式压电直线电机及其控制方法，属于压电精密致动技术领 域。
【背景技术】
[0002] 压电直线电机技术作为新兴的精密驱动技术，因其短小轻薄的外形特征和易于集 成等突出优势得到了国内乃至全世界的广泛关注。压电陶瓷的逆压电效应可将电能转化为 机械能，据此效应设计的作动器具有结构简单，电磁兼容性好和响应快等特点。
[0003] 惯性式电机是一种利用压电陶瓷的快速变形产生的惯性冲击来实现微位移的微 型驱动机构，它具有很多优势，如；运动范围大，分辨率能达到纳米级，结构简单，部件可被 微小化，并能在步进运动的同时实现精确定位等。
[0004] 利用压电元件动态特性的惯性冲击式驱动器在精密驱动领域已经发展为一项独 特的驱动型式，得到了广泛的研究与应用。然而就目前的对惯性式压电直线电机研究技术 还有一些不足，如；电机部件的微小化并未完全得到实现，定位精确的电机结构较为复杂， 运动的分辨率不高，并且普遍采用作为驱动元件的压电叠堆抗拉力弱，结构限制不能连接 质量较大的惯性块，驱动能力受到限制，成本较高。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提出一种惯性式的压电直线电机，其具有结构简单、 部件微小、运行稳定、定位精确、运动分辨率高、成本较低的优点。
[0006] 为实现W上的技术目的，本发明将采取W下的技术方案： 一种惯性式中型结构的直线压电电机，包括动子W及压电复合振子，该压电复合振子 包括定子W及压电陶瓷片，所述的动子呈杆状，而定子呈环形设置，所述环形定子包括两块 相互平行设置的横板，分别为第一横板、第二横板，所述的第一横板、第二横板的同侧端部 之间均通过一弹片连接，且第一横板的中部位置开设有一个与动子外圆面匹配的导向孔， 而第二横板则通过中部位置所开设的纵向切缝分割成两块相对设置的陶瓷片安装板，每一 块陶瓷片安装板的外侧表面均粘接有一片压电陶瓷片，且两块陶瓷片安装板的切面在中部 位置均开设有一个内凹的弧形定子夹持槽，该弧形定子夹持槽的弧面与动子的外圆面相适 配；所述动子穿过导向孔设置，并通过两块陶瓷片安装板上的弧形定子夹持槽夹持；每一 片压电陶瓷片均与相应的激励电源连接。
[0007] 作为本发明的进一步改进，两块陶瓷片安装板上所粘接的压电陶瓷片的极化方 向、作动方向一致 作为本发明的进一步改进，弹片包括片状主体W及连接在片状主体两端的弧形衔接 片。
[0008] 作为本发明的进一步改进，所述弹片为金属材质。
[0009] 作为本发明的进一步改进，所述激励电源为慢升快降的H角波电压信号；该H角 波电压信号在0至r,的一个周期内分为两个过程，其中0至r。为上升信号段，t。至^_为下降 信号段，并且r〇>f,-r〇。 本发明的另一技术目的是提供一种上述惯性式中型结构的直线压电电机的控制方法， 将两块陶瓷片安装板上所粘接的压电陶瓷片分别与同频、同向、同型的H角波激励信号连 接；当给两块陶瓷片安装板上所粘接的压电陶瓷片施加慢升电信号时，激励压电复合振子 产生弯曲模态，并选择陶瓷片安装板的面外二阶弯振作为工作模态，此时压电复合振子在 弧形定子夹持槽处对动子施加夹持力，压电复合振子将锁住并抱紧圆杆，圆杆由于摩擦力 作用将会随着压电复合振子的向前弯曲而向前直线运动；而当慢升电信号施加到最大值 时，瞬间转换为快降电信号，压电复合振子将快速从弯曲状态恢复至原来的平衡位置，此 时，动子自身惯性力的作用克服了压电复合振子回复运动产生的摩擦力，促使动子继续保 持向前直线运动的状态；当快降电信号快速回复至0,下一个周期的慢升电信号又开始激 励，重复上述的激励过程，动子始终保持向前的直线运动。
[0010] 根据W上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有W下的优点： 1. 本发明所述的压电电机各部件结构简单，加工难度小，连接方便，可W实现批量生 产； 2. 本发明的压电元件采用压电陶瓷，克服了普遍的作为惯性驱动元件的压电叠堆抗拉 力弱，不能连接较大质量块的缺点，在实现步进的同时精度也较高，成本较低； 3. 本发明的作动定子部分将传统压电电机中的定子部分与导向装置部分连接在了一 起，大大增加了空间利用率，实现了电机整体的小型化。
[0011] 4.本发明在所有压电陶瓷上均施加了电压慢升快降的H角波电压信号，驱动方式 较为简单，避免了复杂的驱动形式。
【附图说明】
[0012] 图1是惯性式压电超声电机的整体结构示意图； 图2是图1中的环状定子的示意图； 图3是银齿波信号示意图； 图4是惯性式压电超声电机的直线运动原理示意图； 其中：动子1 ;定子2 ;横板21 ;导向孔210 ;弹片22 ;陶瓷片安装板23 ;弧形定子夹持 槽231 ;压电陶瓷片3 ;运动方向4 ;压电复合振子5。
【具体实施方式】
[0013]W下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
[0014] 如图1和图2所示，本发明所述的惯性式中型结构的直线压电电机，包括动子1W 及压电复合振子，该压电复合振子5包括定子2W及压电陶瓷片3,所述的动子1呈杆状，而 定子2呈环形设置，所述环形定子包括两块相互平行设置的横板21，分别为第一横板、第二 横板，所述的第一横板、第二横板的同侧端部之间均通过一弹片22连接，弹片22包括片状 主体W及连接在片状主体两端的弧形衔接片；并采用金属材质制成；且第一横板的中部位 置开设有一个与动子外圆面匹配的导向孔210,而第二横板则通过中部位置所开设的纵向 切缝分割成两块相对设置的陶瓷片安装板23,每一块陶瓷片安装板23的外侧表面均粘接 有一片压电陶瓷片3,且两块陶瓷片安装板23的切面在中部位置均开设有一个内凹的弧形 定子夹持槽231，该弧形定子夹持槽231的弧面与动子的外圆面相适配；所述动子1的一端 依次穿过导向孔210、弧形定子夹持槽231设置，并通过两块陶瓷片安装板上的弧形定子夹 持槽夹持，每一片压电陶瓷片3均与相应的激励电源连接；因此，本发明所述动子、定子、压 电陶瓷片具有如下特点： 1. 动子采用细圆柱杆结构，定子为环形结构； 2. 定子集成了动子的导向部分（导向孔、弧形定子夹持槽)，动子的作动方向由中通导 向孔与弧形定子夹持槽决