CN101369786A - 步进式纳米直线电机 - Google Patents

Abstract

一种步进式纳米直线电机，其特征在于该电机由箝位机构、驱动机构、杠杆机构、预紧机构、机架、输出体和导轨组成。箝位机构是利用纵向压电陶瓷驱动器作为驱动元件，通过杠杆位移转换实现驱动机构与输出体脱离，箝位体钳紧输出体，产生箝位运动；驱动机构，在弹簧的预紧作用下，剪切压电陶瓷驱动器钳紧输出体，利用其剪切逆压电效应，实现驱动运动。通过重复的驱动运动和箝位运动，可以产生较大行程位移量。本发明具有控制简单、易加工，断电保持定位的特点，适用于大行程、纳米级精度、大负载、双向直线驱动的场合。

Description

步进式纳米直线电机

技术领域

本发明属于压电驱动器，具体涉及一种步进式纳米直线电机，适用于大行程、纳米级精度、双向直线驱动。

背景技术

在纳米技术的研究工作中，纳米级控制及定位被认为是纳米技术的核心之一，为纳米技术在各个领域的应用提供技术基础。纳米级微位移技术在光学工程、生物工程、超精密加工及测量等方面都有着广泛的应用。

压电陶瓷驱动器因其体积小(几立方毫米～几十立方毫米)、位移分辨率高(纳米级)、响应速度快(几十微秒)、输出力大、换能效率高等优点，是目前微位移技术中比较理想的驱动元件，但其行程只有数十微米，大大限制了其应用范围。

为了解决压电陶瓷驱动器小行程的问题，国内外学者先后提出了：基于柔性铰链的放大结构，但其放大倍数有限，放大行程约几十至上百微米；基于摩擦的冲击放大机构，理论上行程可以无限大，但其驱动力小；基于尺蠖结构的放大机构，存在去电不定位和控制复杂(需要3组控制信号和3组控制电源)的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提出一种步进式纳米直线电机，以获得较大的驱动力和较大的微位移行程。

本发明的技术解决方案如下：

一种步进式纳米直线电机，其特点在于：由箝位机构、驱动机构、杠杆机构、预紧机构、机架、输出体和导轨组成：

所述的箝位机构由纵向压电陶瓷驱动器和箝位体构成，所述的箝位体的一侧与所述的杠杆机构的一端铰接，所述的纵向压电陶瓷驱动器一端固接在所述的机架上，另一端顶在所述的箝位体的底面，所述的箝位体上端面的凸台对准所述的输出体以便箝位；所述的驱动机构由剪切压电陶瓷驱动器和转换体组成，所述的剪切压电陶瓷驱动器固接在所述的转换体的凹槽内，该剪切压电陶瓷驱动器的上端钳紧所述的输出体；所述的杠杆机构的一端接所述的箝位体，该杠杆机构的支点铰接在所述的机架上，该杠杆机构的另一端铰接在所述的转换体上；

所述的预紧机构的一端固定在所述的机架上，另一端顶靠在所述的转换体上；

所述的导轨由交叉滚柱导轨内导轨和外导轨构成；所述的输出体与所述的的内导轨用螺栓连接；所述的外导轨与所述的机架通过螺栓连接。所述的输出体在所述的导轨的限制下，只有一维平动自由度。

所述的预紧机构由弹簧和预紧螺钉构成，所述的弹簧的一端顶靠所述的转换体，该弹簧的另一端挤压所述的预紧螺钉，该预紧螺钉通过螺纹连接在所述的机架上。

所述的箝位机构可为两套，沿位移方向紧靠在所述的驱动机构的两端。

本发明的技术效果：

本发明利用杠杆位移变换原理，所述的驱动机构与箝位机构依次交替钳紧所述的输出体，循环地进行驱动运动和箝位运动，可以达到毫米量级行程。当断电时，由于预紧机构的作用，使箝位机构钳紧输出体，产生保持定位的摩擦力，实现断电定位功能。

本发明具有控制简单(只需要2组控制信号和2组控制电源)，易加工，断电保持定位的特点，适用于大行程、纳米级精度、大负载、双向直线驱动的场合。

附图说明

图1是本发明步进式纳米直线电机运动初始状态示意图

图2是本发明步进式纳米直线电机运动第一过程的状态示意图

图3是本发明步进式纳米直线电机运动第二过程的状态示意图

图4是本发明步进式纳米直线电机运动第三过程的状态示意图

图5是本发明步进式纳米直线电机另一实施例结构半剖主视图

图6是本发明步进式纳米直线电机另一实施例结构俯视图

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，见图1是本发明的步进式纳米直线电机运动初始状态示意图，由图可见，本发明步进式纳米直线电机由箝位机构1、驱动机构2、杠杆机构3、预紧机构4、机架5、输出体6和导轨7组成：

所述的箝位机构1由纵向压电陶瓷驱动器1-2和箝位体1-1构成，所述的箝位体1-1的一侧与所述的杠杆机构3的一端铰接，所述的纵向压电陶瓷驱动器1-2一端固接在所述的机架5上，另一端顶在所述的箝位体1-1的底面，所述的箝位体1-1上端面的凸台对准所述的输出体6以便箝位；

所述的驱动机构2由剪切压电陶瓷驱动器2-2和转换体2-1组成，所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2固接在所述的转换体2-1的凹槽中，该剪切压电陶瓷驱动器2-2钳紧所述的输出体6；

所述的杠杆机构3的一端接所述的箝位体1-1，该杠杆机构3的支点铰接在所述的机架5上，该杠杆机构3的另一端铰接在所述的转换体2-1上；

所述的预紧机构4的一端固定在所述的机架5上，另一端顶靠在所述的转换体2-1上；

所述的导轨7由交叉滚柱导轨的内导轨和外导轨构成；所述的输出体6与所述的内导轨用螺栓连接；所述的外导轨与所述的机架5通过螺栓连接。

所述的预紧机构4由弹簧4-1和预紧螺钉4-2构成，所述的弹簧4-1的一端顶压所述的转换体2-1，该弹簧4-1另一端挤压所述的预紧螺钉4-2，该预紧螺钉4-2通过螺纹连接在所述的机架5上。

本发明步进式纳米直线电机在未通电状态下，如图1所示，箝位机构1与输出体6相互脱离，不产生相互作用；驱动机构2在预紧机构4的作用下，所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2钳紧输出体6，产生保持定位的摩擦力；

见图2，图2是本发明的步进式纳米直线电机运动第一过程的状态示意图，对所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2施加正向电压，产生剪切形变，依靠所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2与所述的输出体6间的摩擦力，推动所述的输出体6在导轨7的限制下，产生A方向输出位移d(d为nm量级)，完成驱动运动；

图3是本发明的步进式纳米直线电机运动第二过程的状态示意图，此时对纵向压电陶瓷驱动器1-2施加正向电压，产生伸长运动，推动箝位体1-1产生竖直向上位移，经过杠杆3的位移转换，所述的驱动机构2产生竖直向下的位移，所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2脱离所述的输出体6，压缩所述的预紧机构4；同时，所述的箝位体1-1与所述的输出体6接触，钳紧输出体6，产生相应的摩擦保持力。对所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2施加反向电压，产生反向剪切最大位移，完成箝位运动。

图4是本发明的步进式纳米直线电机运动第三过程的状态示意图，减小施加在所述的纵向压电陶瓷驱动器1-2上的电压，产生收缩运动，则驱动机构2在预紧机构4的作用下，推动所述的驱动机构2钳紧所述的输出体6，即剪切压电陶瓷驱动器2-2钳紧输出体6，箝位体1-1脱离输出体6。这样，完成了一个驱动周期。

依次循环上述运动的第一过程，第二过程和第三过程，可产生毫米量级的位移输出。

如要进行反方向运动，则只需要在上述运动第一过程中对所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2施加负向电压，在上述运动第二过程中对剪切压电陶瓷驱动器2-2施加正向电压即可。

请参阅图5，图5是本发明的步进式纳米直线电机另一实施例的结构半剖主视图，是一种具有两套箝位机构的步进式纳米直线电机，两套箝位机构沿所述的驱动机构的位移方向紧靠在所述的驱动机构两端。结构机架是在整块铝合金材料(7075-T6)上，通过线切割加工出来的；整体结构是关于中心轴对称的，可以平衡热变形以及消除结构原理误差。结构上的铰链是通过柔性铰链8来实现的；第一箝位机构由连杆1-3、箝位体1-1、纵向压电陶瓷驱动器1-2构成和第二箝位机构由连杆1-6、箝位体1-4、纵向压电陶瓷驱动器1-5组成；连杆1-3一端铰接在机架5上，另一端铰接在箝位体1-1上；纵向压电陶瓷驱动器1-2外形尺寸，大于机架5和箝位体1-1之间尺寸，形成过盈尺寸配合，将其镶嵌到机架5与箝位体1-1之间；第二连杆1-6一端铰接在机架5上，另一端铰接在第二箝位体1-4上；纵向压电陶瓷驱动器1-5外形尺寸，大于机架5和箝位体1-4之间尺寸，形成过盈尺寸配合，将其镶嵌到所述的机架5与所述的第二箝位体1-4之间，箝位体1-1和箝位体1-4的上端面均为凸台。

所述的驱动机构由剪切压电陶瓷驱动器2-2、连杆2-3、连杆2-4、连杆2-5、连杆2-6和转换体2-1组成；所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2用胶结工艺固接在所述的转换体2-1的凹槽内；连杆2-3，连杆2-4，连杆2-5和连杆2-6的一端铰接在机架5上，另一端铰接在转换体2-1上，组成复合平行四杆导向机构。

所述的杠杆机构3由杠杆3-1和杠杆3-2组成；杠杆3-1的支点铰接在机架5上，其一端铰接在箝位体1-1上，另一端铰接在转换体2-1上；杠杆3-2的支点铰接在机架5上，其一端铰接在箝位体1-4上，另一端铰接在转换体2-1上。预紧机构由弹簧4-1、预紧螺钉4-2和弹簧4-3、预紧螺钉4-4组成；弹簧4-1一端顶压转换体2-1，一端挤压预紧螺钉4-2；预紧螺钉4-2通过螺纹连接在机架5上，弹簧4-3一端顶压转换体2-1，一端挤压预紧螺钉4-4；所述的预紧螺钉4-4通过螺纹连接在机架5上，通过调节预紧螺钉4-2和预紧螺钉4-4，调整剪切压电陶瓷驱动器2-2与输出体6间的正压力，从而可调节保持定位的摩擦力。导轨7安装固定在机架5上，限制输出体6只具有一维平动自由度。

当剪切压电陶瓷驱动器2-2钳紧输出体6时，对所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2施加正电压，所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2发生剪切形变，所述的输出体6输出一维平动位移，产生驱动运动。当纵向压电陶瓷驱动器1-2和纵向压电陶瓷驱动器1-5同时施加正电压控制信号时，箝位体1-1在连杆1-3和杠杆3-1的导向作用及所述的纵向压电陶瓷驱动器1-2的推动下，产生竖直向上运动；对称的箝位体1-4在连杆1-6和杠杆3-2的导向作用及纵向压电陶瓷驱动器1-5推动下，产生竖直向上运动；所述的箝位体1-1和箝位体1-4上端面两凸台同时钳紧输出体6；所述的转换体2-1在上述复合平行四杆导向机构和杠杆3-1和3-2的共同作用下，产生竖直向下运动，带动所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2脱离所述的输出体6，同时改变施加在所述的剪切压电陶瓷驱动器2-2上的电场方向，产生箝位运动。

控制两组电压驱动信号(驱动运动信号和箝位运动信号)，在杠杆机构作用下，进行驱动运动和箝位运动的循环，可以达到毫米量级的行程。

见图6，是本发明的步进式纳米直线电机实施例的结构俯视图，所述的导轨7由交叉滚柱导轨内导轨7-2和7-4和外导轨7-1和7-3构成；所述的输出体6与所述的交叉滚柱导轨的内导轨7-2和7-4用螺栓连接；所述的交叉滚柱导轨的外导轨7-1和7-3与所述的机架5通过螺栓连接。则所述的输出体6，在所述的导轨7的限制下只具有一维平动自由度。

本发明提出的电机速度为：

v＝2d×f，

其中：2d为电机的步距，f为电机驱动频率。

本发明电机的输出力取决于箝位机构与输出体6以及驱动机构与输出体6间的正压力及摩擦系数。

本发明适用于大行程、低速度、高精度定位的场合。

Claims (3)

1.一种步进式纳米直线电机，其特征在于：由箝位机构(1)、驱动机构(2)、杠杆机构(3)、预紧机构(4)、机架(5)、输出体(6)和导轨(7)组成：

所述的箝位机构(1)由纵向压电陶瓷驱动器(1-2)和箝位体(1-1)构成，所述的箝位体(1-1)的一侧与所述的杠杆机构(3)的一端铰接，所述的纵向压电陶瓷驱动器(1-2)一端固接在所述的机架(5)上，另一端顶在所述的箝位体(1-1)的底面，所述的箝位体(1-1)上端面的凸台对准所述的输出体(6)以便箝位；

所述的驱动机构(2)由剪切压电陶瓷驱动器(2-2)和转换体(2-1)组成，所述的剪切压电陶瓷驱动器(2-2)固接在所述的转换体(2-1)的凹槽中，该剪切压电陶瓷驱动器(2-2)钳紧所述的输出体(6)；

所述的杠杆机构(3)的一端接所述的箝位体(1-1)，该杠杆机构(3)的支点铰接在所述的机架(5)上，该杠杆机构(3)的另一端铰接在所述的转换体(2-1)上；

所述的预紧机构(4)的一端固定在所述的机架(5)上，另一端顶压在所述的转换体(2-1)上；

所述的导轨(7)由交叉滚柱导轨的内导轨和外导轨构成；所述的输出体(6)与所述的内导轨用螺栓连接；所述的外导轨与所述的机架(5)通过螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的步进式纳米直线电机，其特征在于：所述的预紧机构(4)由弹簧(4-1)和预紧螺钉(4-2)构成，所述的弹簧(4-1)的一端顶压所述的转换体(2-1)，该弹簧(4-1)的另一端挤压所述的预紧螺钉(4-2)，该预紧螺钉(4-2)通过螺纹连接在所述的机架(5)上。

3.根据权利要求1或2所述的步进式纳米直线电机，其特征在于：所述的箝位机构(1)为两套并紧靠在所述的驱动机构(2)的位移方向的两端。

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