CN101071998B - 方波驱动惯性式直线型压电电机 - Google Patents

Abstract

一种方波驱动惯性式直线型压电电机，属于压电电机领域。它由定子组件、动子组件构成。定子组件由定子轴和位移放大器形复合压电换能器组成，定子轴与位移放大器形复合压电换能器连接在一起。环形动子夹持在定子轴上，通过橡胶圈的作用为定、动子间提供预压力。当方波驱动信号加在位移放大器形复合压电换能器上，定子轴产生往复不等速振动。当定子轴慢速向前运动时，环形动子因摩擦锁住而随之运动，当定子轴高速返回时，环形动子惯性力克服摩擦力产生相对运动，向前走一步。该种电机体积小、重量轻、精度高、响应快等特点，能实现沿定子轴的双向移动，可应用于精密机械设备及光学仪器设备的聚焦系统中。

Description

方波驱动惯性式直线型压电电机

技术领域：

本发明的方波驱动惯性式直线型压电电机，属压电电机领域。

背景技术：

压电微电机是在微特电机发展过程中出现的一种新型电机。它主要有三种类型：超声波型，蠕动型和惯性型。压电材料和电致伸缩压电材料作为固体致动器已经进行了大量的研究，但对于压电直线电机来说，其单单由压电陶瓷产生的应变不能够充分的满足其需求。1992年，Sugawara等人公布了命名为“弹珠式”的金属陶瓷复合压电致动器，能把压电陶瓷的径向位移转换成轴向位移并把位移放大(10倍左右)。美国宾州大学国际致动器和换能器中心的Aydin Dogan等人研制出了钹形致动器，由夹在二个截锥形金属帽盖之间的园柱形压电陶瓷元件组成，它产生的位移量是同样尺寸的陶瓷元件的40倍左右。弹珠式和钹形致动器在汽车工业上有很大应用潜力，可用作传感器和减振器元件，阀门的开关元件以及一些对致动器要求尺寸小、响应快的场合，Omron公司已成功地将其用于光扫描器、高密度记忆贮存驱动器等场合。上述的研究成果对于惯性压电电机来说是一个很好的启发。目前，对于方波驱动惯性式直线型压电电机，国内还没有这方面研制成功的报道。

发明内容：

本发明旨在研制一种具有体积小、重量轻、精度高、响应速度快的压电电机。

本发明利用压电晶体的逆压电效应和惯性位移原理，设计出一种方波驱动惯性式直线型压电电机，通过摩擦力的作用，以惯性位移的形式把运动传递出去。

本发明的方波驱动惯性式直线型压电电机，由定子组件和环形动子组件构成。其特征在于：所述的定子组件由一根定子轴和一个位移放大器形复合压电换能器组成，定子轴和位移放大器形复合压电换能器通过高强度粘合剂或螺纹连接的方式组合在一起，其中的位移放大器形复合压电换能器为一个位移放大器和层叠式压电陶瓷堆组成。所述的动子组件为一夹持在定子轴上带有环形凹槽缺口的环状动子，橡胶圈套在环形动子的环形凹槽内，以提供电机工作时所需的预压力。

位移放大器形复合压电换能器的作用是将层叠式压电陶瓷堆的径向应变放大，并将其累加到定子轴的轴向变形上，使其具有更大的位移输出。

当在位移放大器形复合压电换能器上加上方波激励信号后，激发出层叠式压电陶瓷堆伸缩变形，从而引起定子轴沿轴向方向往返速度不同的振动，当定子轴慢速向前运动时，环形动子因摩擦锁住而随之运动，当定子轴高速返回时，环形动子惯性力克服摩擦力而产生相对运动，向前走了一步，当加上反相的方波信号时，同理可以实现环形动子相反方向的运动。

方波驱动惯性式直线型压电电机除具有体积小、重量轻、精度和分辨率高、响应快，驱动电路简单的特点，可实现双向直线运动，从而可在精密机械设备以及光学仪器设备的聚焦系统中得到很广阔的应用。

附图说明：

图1是方波驱动惯性式直线型压电电机结构示意图。

图2是环形动子结构示意图。

图3是位移放大器形复合压电换能器结构示意图。

图4是位移放大器形复合压电换能器在电信号激励下变形示意图。其中图4(a)为复合压电换能器在图示电场方向所产生的收缩变形情况；图4(b)为复合压电换能器在没加电场情况下的初始状态；图4(c)为复合压电换能器在图示电场方向所产生的扩张变形情况。

图5是未加放电回路的驱动电路及层叠式压电陶瓷堆响应示意图。其中图5(a)为驱动电路示意图；图5(b)为输入方波信号占空比为50％时的层叠式压电陶瓷堆响应示意图；图5(c)为输入方波信号占空比为77％时的层叠式压电陶瓷堆响应示意图。

图6是增加放电回路的驱动电路及层叠式压电陶瓷堆响应示意图。其中图6(a)为驱动电路示意图；图6(b)为输入方波信号占空比为77％时的层叠式压电陶瓷堆响应示意图。

图7是方波驱动惯性式直线型压电电机工作原理示意图。

图8是矩形杆结构方波驱动惯性式直线型压电电机结构示意图。其中图(a)为d₃₁效应矩形杆结构方波驱动惯性式直线型压电电机结构示意图；图(b)为d₃₃效应矩形杆结构方波驱动惯性式直线型压电电机结构示意图；图(c)为矩形动子示意图。

图1、图2、图3中标号及符号名称：1为层叠式压电陶瓷堆，2为橡胶圈，3为环形动子，4为定子轴，5为位移放大器，6为高强度粘合剂；p为层叠式压电陶瓷堆极化方向。

图4中标号及符号名称：7为层叠式压电陶瓷堆收缩方向，8为层叠式压电陶瓷堆扩张方向；x、y为直角坐标，Δx为层叠式压电陶瓷堆在电场作用下沿x方向的变形量，Δy为整个位移放大器形复合压电换能器沿y方向的变形量；l为未加电情况下，层叠式压电陶瓷堆与位移放大器组成三角形内边的长度；δ为层叠式压电陶瓷堆与位移放大器组成三角形底角在未加电情况下的角度。

图5、图6中标号及符号名称：9为图5(a)驱动电路中占空比为50％的方波信号，10为在信号9的激励下层叠式压电陶瓷堆的响应，11为图5(a)驱动电路中占空比为77％的方波信号，12为在信号11的激励下层叠式压电陶瓷堆的响应，13为图6(a)中驱动电路中占空比为77％的方波信号，14为在信号13的激励下层叠式压电陶瓷堆的响应；u₀、u_c分别为电源信号的电压幅值和层叠式压电陶瓷堆响应的电压幅值，R₁、R₂、C分别代表电阻1、电阻2和层叠式压电陶瓷堆的等效电容，Q为大功率三极管。

图7中符号名称：d为电机动子的初始位置，Δd为电机动子每一步所前进的距离；(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为电机工作的各个状态。

图8中标号名称：15为矩形动子，16为定子，17为层叠式压电陶瓷堆，18为孔，19为顶块，20为预紧螺栓。

具体实施方式：

下面具体说明方波驱动惯性式直线型压电电机工作原理及具体实施方式。

本发明的方波驱动惯性式直线型压电电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应和惯性位移原理的新型动力输出装置。结合图1、图2、图3所示，该电机由定子组件和环形动子组成，其特征在于：所述的定子组件由图3所示的位移放大器形复合压电换能器和定子轴4两部分组成，其中位移放大器形复合压电换能器由一个位移放大器5和层叠式压电陶瓷堆1通过高强度粘结剂6粘合在一起组成；所述环形动子3套在定子轴4上，通过橡胶圈2的作用提供环形动子3和定子轴4之间的预压力；

图4为位移放大器形复合压电换能器在加电后，由层叠式压电陶瓷堆的径向变形装换为轴向变形的情况。所述的位移放大器形复合压电换能器具有振幅放大功能。位移放大器形复合压电换能器在没有加电的情况下如图4(b)所示，当在极化方向为p方向的层叠式压电陶瓷堆上加上如图4(a)所示的电源信号后，层叠式压电陶瓷堆产生7方向的收缩应变Δx，从而引起位移放大器形复合压电换能器向上的轴向应变Δy；当在极化方向为p方向的层叠式压电陶瓷堆上加上如图4(c)所示的电源信号后，层叠式压电陶瓷堆产生8方向的伸长应变Δx，从而引起位移放大器形复合压电换能器向下的轴向应变Δy；

依据图4(a)、图4(b)、图4(c)有下面关系：

               ${\left(\frac{l}{2}\right)}^2+{\left(\frac{l}{2}\tan \mathrm{\δ}\right)}^2={(\frac{l}{2}-\mathrm{\Δx})}^2+{(\frac{l}{2}\tan \mathrm{\δ}+\mathrm{\Δy})}^2$

略去2阶小量可得放大倍数：

                            $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\Δx}}\≈\frac{1}{\tan \mathrm{\δ}}$

钹形结构放大位移的放大倍数取决于角度δ，若δ＝1°，则β＝57.29；若δ＝0.5°，则β＝114.59。

层叠式压电陶瓷堆作为负载，其容性负载特性比较突出，可以等效为图5(a)所示的电容C。层叠式压电陶瓷堆的变形大小和变形速度对应于其上的电压信号的大小和变化速度。

图5为未加放电回路驱动电路及层叠式压电陶瓷堆响应示意图。图5(a)为驱动电路示意图；当在图5(a)的驱动电路上输入如图5(b)所示占空比为50％的方波信号9时，层叠式压电陶瓷堆响应如10所示，从图中可以看出，电容放电时间不但和充电时间相当，而且电容放电没有恢复到初始状态即又开始进入充电状态，虽然可以通过调整图5(a)中电阻R₁的值来缩短时间常数，但从图中可以看出电容的放电速度相对图6(b)来说要大的多；当在图5(a)的驱动电路上输入如图5(c)所示占空比为77％方波信号11时，层叠式压电陶瓷堆响应如12所示，可以看出，电容充电时间变长，但电容放电的速度没有增加，且同样存在电容放电没有恢复到初始状态即又开始进入到充电状态的情况。

为改善上述情况，本发明设计了如图6(a)所示的增加放电回路的驱动电路示意图。在图5(a)驱动电路的基础上，增加了一个放电回路，通过一个与激励信号反向的控制信号来控制放电回路的通断，由此使得电容充电回路的时间常数大于放电回路的时间常数，从而使得层叠式压电陶瓷堆充电时间常数大，充电时间变长且充电速度减小；层叠式压电陶瓷堆放电时间常数变小，放电时间变短，放电的速度得到很大提高。图6(b)为输入占空比为77％方波信号13时，层叠式压电陶瓷堆响应如14所示。可以看出，层叠式压电陶瓷堆的充电阶段，电压上升比较平缓，速度较低；层叠式压电陶瓷堆的放电阶段，电压下降的速度比较快。非常有利于本发明方波驱动惯性式直线型压电电机的工作。

图7为电机工作原理示意图。当以图6(a)所示电路为驱动电路，输入占空比为77％方波信号13时，层叠式压电陶瓷堆响应如14所示。如图7所示，环形动子的初始位置为(a)，当层叠式压电陶瓷堆的响应由(a)缓慢变化到(b)时，定子轴4和环形动子3一起平稳的向上移动了Δd，当层叠式压电陶瓷堆的响应由(b)突然快速的下降到(c)时，定子轴4快速的向下移动，而环形动子3的惯性力克服摩擦力的作用，没有跟随定子轴4向下移动，为此，环形动子3向上移动了一步。如此周而复始，实现了环形动子3沿定子轴向上的连续运动。同理，当激励信号13沿着时间轴t镜像，环形动子3可实现沿定子轴向下的连续运行。

图8(a)、图8(b)、图8(c)所示的是一种基于单片压电陶瓷d31效应或d33效应的矩形杆结构方波驱动惯性式直线型压电电机。其特点是：所述定子组件包括压电陶瓷17和定子16，两者通过定子16下端孔18中的螺栓将压电陶瓷17和定子16压紧在一起；所述的动子组件为矩形动子15夹持在定子16上，并通过置于矩形动子15孔内的顶块19和预紧螺栓20的作用提供定子16和矩形动子15之间的预压力。其工作原理类似于前面所述的工作原理。

设计原则：

1、位移放大器形复合压电换能器中，应合理设计角度δ的大小，它直接影响了换能器轴向应变的大小。

2、环形动子和定子轴之间的接触面应尽可能的光滑，同时，两者之间预压力的大小应根据定子轴和环形动子所选材料的不同适当调整。

3、直接采用方波信号驱动电机，从而大大简化了电机的驱动电路，要注意放电回路的控制信号应尽量作到和激励信号同步，以便更好的缩短层叠式压电陶瓷堆放电时间，提高其放电速度，以免造成由于层叠式压电陶瓷堆放电速度降低而使得电机动子步距减小，甚至造成电机不能工作。

Claims (1)

1.一种方波驱动惯性式直线型压电电机，由定子组件和动子组件构成，所述的定子组件由位移放大器形复合压电换能器和定子轴(4)两部分组成，其中位移放大器形复合压电换能器由一个位移放大器(5)和一个层叠式压电陶瓷堆(1)连接在一起构成，并装在定子轴(4)下端；所述动子组件有环形动子(3)和套在环形动子(3)中间环形凹槽内的橡胶圈(2)所组成，其中环形动子(3)夹持在定子轴(4)上，通过橡胶圈(2)的作用提供环形动子(3)和定子轴(4)之间的预压力，其特征在于，所述位移放大器形复合压电换能器在电信号激励下，具有振幅放大功能，其放大倍数为： $\mathrm{\β}\≈\frac{1}{\tan \mathrm{\δ}},$ 其中，δ为层叠式压电陶瓷堆与位移放大器组成三角形底角在未加电情况下的角度，其值在0.5°～1°之间。

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