[發(fā)明專利]一種基于鈸式壓電作動(dòng)器的慣性直線電機(jī)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410284838.8
• 申請(qǐng)日: 2014-06-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104079202A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-10-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭明森;趙淳生
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/02
• 分類號(hào): H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 黃成萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于精密機(jī)械中的壓電微機(jī)電器件技術(shù)，尤其涉及一種利用慣性力和摩擦力實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的壓電直線電機(jī)。

背景技術(shù)

壓電慣性電機(jī)應(yīng)用在精確直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，例如用于聚焦功能的光學(xué)成像系統(tǒng)中或用于精確定位的顯微系統(tǒng)中。

壓電慣性電機(jī)的概念描述于T.Higuchi的專利EP0292989中。在不對(duì)稱電壓(譬如鋸齒波形電壓)循環(huán)激勵(lì)下，動(dòng)子與定子接觸面發(fā)生滑動(dòng)-粘附循環(huán)，動(dòng)子產(chǎn)生長(zhǎng)行程的運(yùn)動(dòng)輸出；但這種工作模式的電機(jī)輸出力和速度較小。Y.Okamoto和R.Yoshida提出一種高頻(超聲頻率)工作的壓電慣性直線電機(jī)(Yasuhiro?Okamoto?and?Ryuichi?Yoshida,Development?of?linear?actuators?using?piezoelectric?elements,Electronics?and?Communications?in?Japan,Part3,Vol.81,No.11,pp.11-17,1998)，動(dòng)子與定子接觸面發(fā)生滑動(dòng)-滑動(dòng)循環(huán)，顯著提高了電機(jī)的輸出力和速度，且能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微型化(能容易地制備出直徑約2毫米的電機(jī))，工作時(shí)的噪音也更小；但這種高頻慣性直線電機(jī)需要很大的驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有很高的要求，且壓電元件發(fā)熱嚴(yán)重。C.Franck和B.Francois在專利FR0701822中提出一種利用菱形位移放大機(jī)構(gòu)的壓電慣性電機(jī)，能提高電機(jī)的輸出力和速度，減小驅(qū)動(dòng)電流；國(guó)內(nèi)研究人員時(shí)運(yùn)來(lái)(專利CN101071998A)、金龍(專利CN103023374A)等也提出了類似結(jié)構(gòu)的壓電慣性電機(jī)；這種利用位移放大機(jī)構(gòu)的壓電慣性電機(jī)有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)：可以工作在連續(xù)長(zhǎng)行程和準(zhǔn)靜態(tài)變形兩種工作模式，很容易實(shí)現(xiàn)精確快速的定位；但這種菱形位移放大機(jī)構(gòu)嚴(yán)重降低了電機(jī)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率，使電機(jī)的響應(yīng)變慢。因此，為了提高壓電慣性電機(jī)的輸出力和速度，降低驅(qū)動(dòng)電流，加快電機(jī)的響應(yīng)速度，有必要發(fā)明一種新的壓電位移放大機(jī)構(gòu)及基于壓電位移放大機(jī)構(gòu)的慣性電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于鈸式壓電作動(dòng)器的慣性直線電機(jī)，在滿足體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出力和速度大、驅(qū)動(dòng)電流小等指標(biāo)要求的同時(shí)，還具有響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于鈸式壓電作動(dòng)器的慣性直線電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述定子包括直桿和鈸式壓電作動(dòng)器，所述鈸式壓電作動(dòng)器包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的鈸式位移放大片(類似于樂(lè)器鈸的形狀)和一個(gè)壓電圓片，鈸式位移放大片為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)、中部凹陷，壓電圓片由圓片型壓電材料制成、沿厚度方向極化，兩個(gè)鈸式位移放大片對(duì)稱設(shè)置在壓電圓片的兩個(gè)端面上，且鈸式位移放大片的周側(cè)與壓電圓片端面的周側(cè)密封貼合，直桿的一端與其中一個(gè)鈸式位移放大片外表面中心固定，另一端向外延伸出，鈸式位移放大片、壓電圓片和直桿的中軸線均位于z軸上，動(dòng)子套裝在直桿上，并通過(guò)預(yù)壓力結(jié)構(gòu)壓緊動(dòng)子和直桿之間的連接，動(dòng)子可相對(duì)直桿作相對(duì)滑動(dòng)。

本案中，鈸式壓電作動(dòng)器可以理解為鈸式位移放大機(jī)構(gòu)，對(duì)壓電圓片通電，壓電圓片會(huì)在電壓的作用下產(chǎn)生平面內(nèi)收縮或擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，鈸式壓電作動(dòng)器可以將壓電圓片的面內(nèi)變形轉(zhuǎn)化為上下端面的更大軸向輸出位移，從而引起直桿的軸向運(yùn)動(dòng)。由以上結(jié)構(gòu)可以看出，在不對(duì)稱鋸齒波形電壓的激勵(lì)下，所述的直桿作快慢交替的往復(fù)軸向運(yùn)動(dòng)，在直桿作“快速”運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，若動(dòng)子自身的慣性力大于與直桿間的靜摩擦力，則動(dòng)子發(fā)生相對(duì)于直桿的滑動(dòng)，最終表現(xiàn)為動(dòng)子作正向或反向的直線運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的，所述直桿為圓柱形。

優(yōu)選的，所述預(yù)壓力結(jié)構(gòu)為橡膠圈，動(dòng)子的側(cè)壁上設(shè)置有延伸至中部通孔的缺口，橡膠圈套設(shè)在動(dòng)子外側(cè)，通過(guò)收縮緊動(dòng)子側(cè)壁上缺口的方式壓緊動(dòng)子和直桿之間的連接。

優(yōu)選的，所述壓電圓片由單片或兩片以上圓片型壓電材料疊裝而成(由于單片更薄，所需驅(qū)動(dòng)電壓更低)。

有益效果：本發(fā)明提供的基于鈸式壓電作動(dòng)器的慣性直線電機(jī)，由于鈸式壓電作動(dòng)器能放大壓電元件的變形，且具有較高的固有振動(dòng)頻率，賦予壓電慣性直線電機(jī)優(yōu)良的性能，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出力和速度大、驅(qū)動(dòng)電流小，響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn)；因此這種壓電慣性直線電機(jī)在微型運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、微型高精度定位平臺(tái)、光學(xué)精密儀器等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)立體示意圖；

圖2為本發(fā)明側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；