CN101291122B - 采用双足驱动的直线压电驱动器 - Google Patents

Abstract

采用双足驱动的直线压电驱动器涉及一种直线压电驱动器技术领域，它由定子和激励元件组成，其特征在于：所述定子由两个圆板和一固定并垂直于所述圆板的中心杆组成，所述激励元件的形状与所述圆板相应，且与其粘贴为一体，所述定子和激励元件具有一共同的中心轴线；激励元件连电后，激发所述定子振动，形成跨步实现轴向直线运动。本发明制造工艺简单，适合工业化生产，与已有技术相比，易于微型化，驱动器的输出性能更为稳定，在光学调焦、精密驱动和微系统领域具广阔有应用前景。

Description

采用双足驱动的直线压电驱动器

技术领域

本发明涉及的是一种直线压电驱动器，特别是关于一种跨步式(交替式)直线运动的压电驱动器，属于精密机械和精密驱动领域。

背景技术

随着科学的发展，在光学调焦、精密驱动和微系统领域迫切需要微型直线驱动器。原有的电磁驱动器在微小尺度下效率急剧降低，并且结构复杂、制造难度大。而压电驱动器是一种利用压电陶瓷的逆压电效应的新型驱动器，通过结构设计将小幅度的振动转变为所需的输出力和机械运动，具有低速大转矩、动态响应快、无电磁干扰、定位精度高、功率密度大，结构简单且设计灵活等突出特点。直线式压电陶瓷驱动器不仅在精密定位系统，超小型驱动中有着广泛的应用，而且还开启了许多新概念的应用领域，如纳米技术，精密操纵器，微型机器人等。

如图1所示，是南京航空航天大学公开的一种直线型压电电机发明专利，它包括一个由定子轴和位移放大器形复合压电换能器组成的定子，一个动子组件构成。图中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为粘合剂。对位移放大器施加以方波信号，定子轴将随之产生往复不等速振动。环形动子由于惯性现象，可以在定子轴上形成向前的步进。该发明专利提出了一种有效的实现直线运动的压电驱动方案，有希望用于微机械，光学调焦领域。但该发明专利存在如下不足：1、定子的结构存在多个相对复杂的零件，加工成本高；2其结构不易薄型化，与集成电路工艺不兼容；3惯性驱动没有行波驱动平稳，有冲击颤动；4不易形成共振模态驱动。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单的直线压电驱动器。该直线压电驱动器含有定子和激励元件，其中：

所述定子由两个圆板和一个固定并垂直所述两个圆板中心处的中心杆组成，所述激励元件形状与所述圆板的形状相同，所述定子和激励元件具有共同的中心轴线，所述激励元件是两个压电陶瓷片，分别粘接在定子的两个圆板的外侧，每片压电陶瓷片表面的电极沿圆周方向被均匀的分为四个扇形区，都沿厚度方向极化，其中，每片压电陶瓷上两个相邻的扇形区的极化方向一致，并与另外两个区的方向相反，定子两个圆板外侧的压电陶瓷片在粘接到定子上时要保证两个压电陶瓷片的扇形区彼此互相对齐，且两个压电陶瓷片上每两个相对的扇形区的极化方向相同，表面电极都位于两个陶瓷片的外侧表面上，在沿电极表面的对角线方向的两对电极上，分别加上频率相同的但相位相差90°的正弦和余弦电压信号，以便在定子两个圆板产生B(1，1)模态下的弯曲形状。

所述压电陶瓷片为四个分立的扇形片子。

所述中心杆的两端向外延伸，两端分别固定在两根纵向放置的导杆上，所述导杆下端导槽内有一个能在所述定子驱动下，沿所述导槽作直线运动的导轨。

所述压电陶瓷片为四个分立的扇形片子。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明核心驱动部件数量少，结构简单，因此降低了制造成本。2本发明将定子设计成一圆板形，可以方便地与激励元件配合。3、本发明将压电陶瓷片设计为整体结构的圆环状或围成圆环状的扇形，因此与圆板粘贴容易，易于薄型化，与集成电路工艺兼容，适合批量生产。4、本发明中的中心杆放大了圆板的振动幅度，而驱动器的性能是与中心杆驱动端的振动幅度直接相关的，因此提高了驱动器的位移、速度等输出性能。5、本发明定子的结构为轴对称结构，可以产生理想的跨步振动，交替与导轨接触，因此提高了驱动器的输出稳定性。综上所述，本发明制造工艺简单，适合工业化生产，与已有技术相比，易于微型化，驱动器的输出性能更为稳定，在光学调焦、精密驱动和微系统领域具广阔有应用前景。

附图说明

图1是现有技术中的一种直线压电电机的结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的压电陶瓷片的分区极化和接线示意图。

图4是本发明的实施例2的解析图。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种直线压电驱动器，它由定子、激励元件组成，其特征在于：所述定子由两个对称的圆板71，72和一个连在中间的棒状中心杆8组成，所述激励元件91，92的形状与所述两个圆板相应，且分别与圆板粘贴为一体，所述定子和激励元件具有一共同的中心轴线，驱动器平放在固定不动的水平面或可以滑动的相应导轨上；激励元件连电后，激发所述定子振动，推动所述驱动器在水平面相对于中心杆进行垂直轴向的直线运动，或驱动器固定不动，推动相应导轨运动。

所述定子的中心杆8为一段固定在所述圆板中心的圆管，所述圆管可为实心或空心。

所述圆管的两端分别连接第一圆板71和第二圆板72的中心。

所述激励元件91，92为粘贴在所述定子两个圆板外侧的两片压电陶瓷片。压电陶瓷片91是粘接在第一圆板71外侧，压电陶瓷片92是粘接在第二圆板72外侧。

所述压电陶瓷片91，92表面电极均匀分为相互绝缘的四个扇区，沿着厚度方向极化，其中两个相邻分区的极化方向一致并与另两个分区的极化方向相反，且两侧的两片激励元件中相对的分区极化方向一致。

所述的定子圆板71，72有两个空间正交的含有一个节径和一个节圆的振动模态，这就是驱动器的工作模态。

所述中心杆8放大振动位移，参与摆动和弯曲变形，提供所需振动模态。

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细地描述。

实施例1：

如图2所示，本发明包括一定子、以及两个作为激励元件91，92的圆环形的压电陶瓷片。如图1所示，定子由两个圆板71，72和一中心杆8组成，本实施例的中心杆8是一圆管，圆管的两端固定在两个圆板的中心，并垂直于圆板。压电陶瓷片91，92分别从外侧与定子的圆板71，72粘贴为一体。压电陶瓷片、组成定子的圆板和圆管具有共同的中心轴线。定子圆板存在有两个空间正交的含有一个节径和一个节圆的面外弯曲振动模态，振动模态的频率小于25kHz，定义该模态为B(1，1)模态，由该模态可形成跨步式振动，在一个振动周期内，定子的两个圆板会先后与水平面接触，继而形成驱动器的跨步式直线进给运动。

如图3所示，每片压电陶瓷片的表面电极均匀分为四个分区，极化方向为‘+，+，-，-，两片陶瓷粘接到定子两个圆板外侧时保证四个分区要相互对齐，且极化方向同向。分区I和IV接入电压信号Vx，分区II和III接入电压信号Vy；电压信号Vx和Vy是B(1，1)模态对应的频率下相位差为90度的正弦信号和余弦信号。此时定子圆板中产生B(1，1)模态下的弯曲行波，定子的圆管4放大了圆板的振动幅度，并使定子的两个对称的圆板会整体出现一上一下的振动，圆板的运动轨迹类似于摇头运动，在一个振动周期内，定子的两个圆板会先后与水平面接触，继而形成驱动器的跨步式直线进给运动。

实施例2：

如图4所示，将定子中心杆41向外延伸，将其两端与导轨42固定，保证驱动器固定不动，使其推动导轨向前滑动。

上述实施例1，2中，激励元件除采用压电陶瓷材料外，还可以采用磁致伸缩材料、电致伸缩材料、人工肌肉、形状记忆合金等。

Claims (4)

1.采用双足驱动的直线压电驱动器，其特征在于含有定子和激励元件，其中：

所述定子由两个圆板和一个固定并垂直所述两个圆板中心处的中心杆组成，所述激励元件形状与所述圆板的形状相同，所述定子和激励元件具有共同的中心轴线，所述激励元件是两个压电陶瓷片，分别粘接在定子的两个圆板的外侧，每片压电陶瓷片表面的电极沿圆周方向被均匀的分为四个扇形区，都沿厚度方向极化，其中，每片压电陶瓷上两个相邻的扇形区的极化方向一致，并与另外两个扇形区的方向相反，定子两个圆板外侧的压电陶瓷片在粘接到定子上时要保证两个压电陶瓷片的扇形区彼此互相对齐，且两个压电陶瓷片上每两个相对的扇形区的极化方向相同，表面电极都位于两个陶瓷片的外侧表面上，在沿电极表面的对角线方向的两对电极上，分别加上频率相同的但相位相差90°的正弦和余弦电压信号，以便在定子两个圆板产生B(1，1)模态下的弯曲形状。

2.根据权利要求1所述的采用双足驱动的直线压电驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷片为四个分立的扇形片。

3.根据权利要求1所述的采用双足驱动的直线压电驱动器，其特征在于，所述中心杆的两端向外延伸，两端分别固定在两根纵向放置的导杆上，所述导杆下端导槽内有一个能在所述定子驱动下，沿所述导槽作直线运动的导轨。

4.根据权利要求1所述的采用双足驱动的直线压电驱动器，其特征在于，所述中心杆为一个圆柱。

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