CN102857138B - 压电电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电电机，包括压电体、运动件以及弹性连接件，所述压电体通过弹性连接件的弹性形变与运动件弹性相触，所述压电体包括导向盒以及置于导向盒内的压电作动单元；导向盒包括导向盒本体以及设置于导向盒本体的作动单元安装面，所述作动单元安装面与导向盒本体之间柔性连接；压电作动单元为轴对称结构，包括基体、驱动足以及压设在基体和驱动足之间的两组叠层压电堆，基体与作动单元安装面固定连接，而驱动足伸出导向盒内腔后与运动件相触；弹性连接件一端与导向盒本体固定，另一端则与基体相背于驱动足的端部相触；每组叠层压电堆均与相应的激励电源连接。因此，本发明具有推力大、制作成本低、寿命长、效率高的优点，同时具备断电自锁功能。

Description

压电电机

技术领域

本发明涉及一种压电电机，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

随着微/纳米技术的发展，众多工程技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密作动器，但是基于电磁感应原理的电磁电机在微型化、高功重比的发展方向上很难突破。随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷（PZT）材料的出现使得压电精密作动器的研究得到了广泛关注，并在精密作动领域显示出了广泛的应用前景。

压电陶瓷作为作动器的一个突出优势是自身刚度较大，具有较高的负载能力和较宽的频率响应，但是压电陶瓷的输出应变较小，不能满足现有应用的需求。针对这一矛盾，目前有两种解决方法：一是利用结构共振，就是利用压电陶瓷作为激励元件激发结构的共振，以达到放大压电陶瓷微应变的目的，这类技术方案主要是超声电机；二是采用叠层压电堆，就是将多层片状压电陶瓷叠放，在机械上串联，电学上并联，这样的好处是以较低的电压实现较大的结构应变，目前主要的技术方案是尺蠖式箝位步进压电电机。

尺蠖式箝位步进压电电机采用的是一种仿生型的工作原理，其动子由两个箝位单元和一个驱动单元组成，每个单元都是一个叠层压电堆，箝位单元和驱动单元垂直相连，三者组成“工”字形，其中“工”字的两横代表箝位单元，箝位单元可以沿横线方向伸长，一竖代表驱动单元，驱动单元可以沿竖线方向伸长，整个“工”字形动子由两个平行的固定导轨夹在中间，导轨的方向与“工”字形动子驱动单元伸长的方向平行。

尺蠖式箝位步进压电电机工作时序如下：

第一步，“工”字形动子下面的箝位单元伸长并锁紧平行导轨；

第二步，驱动单元伸长，这样“工”字形动子上面的箝位单元向上步进一段距离；

第三步，工字动子上面的箝位单元伸长锁紧平行导轨；

第四步，工字动子下面的箝位单元缩短松开平行导轨；

第五步，驱动单元缩短，这样“工”字形动子下面的箝位单元向上步进一段距离；至此“工”字形动子整体向上步进了一段距离，重复以上步骤，动子将实现连续步进。

由以上原理分析可以看出，尺蠖式箝位步进压电电机有以下四个技术难题：

第一，尺蠖式箝位步进压电电机能够实现步进的关键是要两个箝位单位能够交替锁紧平行导轨，而两个箝位单元在运动方向上相隔一段距离，这要求平行导轨的平行度要足够高，现有技术条件下，要实现较长距离的两个导轨具有较高的平行度很困难，需要较高的制作成本；

第二，尺蠖式箝位步进压电电机的平行导轨是固定的，箝位单元两端的磨损将最终导致无法实现箝位，导致失效；

第三，叠层压电堆只能承受较小的拉力，但能承受较大的推力，因此，在驱动单元缩短时，叠层压电堆的做功能力就很小，这就降低动子的效率；

第四，在所有叠层压电堆都断电的情况下，箝位单元与平行导轨之间的锁紧力远小于箝位单元锁紧平行导轨的锁紧力，因此尺蠖式箝位步进压电电机几乎没有断电自锁的能力。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种压电电机，其具有推力大、制作成本低、寿命长、效率高的优点，同时具备断电自锁功能。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种压电电机，包括压电体、运动件以及弹性连接件，所述压电体通过弹性连接件的弹性形变与运动件弹性相接触，所述压电体包括导向盒以及置于导向盒内的压电作动单元；导向盒包括导向盒本体以及设置于导向盒本体的作动单元安装面，所述作动单元安装面与导向盒本体之间柔性连接；压电作动单元为轴对称结构，包括基体、驱动足以及压设在基体和驱动足之间的两组叠层压电堆，基体与作动单元安装面固定连接，而驱动足伸出导向盒内腔后与运动件相接触；弹性连接件一端与导向盒本体固定，另一端则与基体相背于驱动足的端部相接触；每组叠层压电堆均与相应的激励电源连接。

所述导向盒的盒面开设工字形贯穿割缝，该工字形贯穿割缝包括两条横向割缝以及连接在两条横向割缝之间的竖向割缝，每一条横向割缝的两端均设置柔性铰链，且竖向割缝相对于两条横向割缝的中心连线偏置；所述两条横向割缝、竖向割缝之间围成的区域为作动单元安装面。

所述横向割缝的两端通过以下方式设置柔性铰链：先将每一条横向割缝的两端均向外垂直地延伸以形成横向割缝竖向延伸段，使得横向割缝竖向延伸段端部相对于导向盒本体端面的间距小于横向割缝相对于导向盒本体端面的间距；然后将横向割缝竖向延伸段的端部设置成圆孔即可。

所述压电作动单元为两组，该两组压电作动单元并排布置，且两组压电作动单元的驱动足通过螺纹紧固件连接；所述导向盒的盒面对应于两组压电作动单元分别设置相应的作动单元安装面，每组压电作动单元的基体分别与相应的作动单元安装面固定。

所述的两组压电作动单元中，各组叠层压电堆的激励电源为相位上两两相差π/2的正弦电压信号。

所述压电作动单元呈等腰直角三角形设置；驱动足设置于该等腰直角三角形压电作动单元的顶角部位，而基体则设置于该等腰直角三角形压电作动单元的底面，且基体分别在等腰直角三角形压电作动单元的两底角部位向外延伸以分别对应地形成两安装部，两安装部之间设置悬臂横梁，且该悬臂横梁的悬臂端位于基体上设置的限位凸台上方；两组叠层压电堆对称地设置在等腰直角三角形压电作动单元的两侧腰，且两组叠层压电堆通过贯穿悬臂横梁的预紧螺杆组件压设在基体和驱动足之间。

所述弹性连接件为板簧，所述板簧的两端之间设置有柔性连接段，所述板簧的一端与导向盒本体固定，另一端则与预紧螺杆组件相接触。

所述预紧螺杆组件包括预紧螺杆以及与预紧螺杆螺纹配合的预紧螺母，该预紧螺杆的一端穿过悬臂横梁后与预紧螺母螺纹配合连接，另一端则穿过基体后与驱动足螺纹连接。

所述预紧螺杆上设置有限位凸缘，该限位凸缘靠近驱动足设置。

所述运动件为转子或者动子。

根据以上的技术方案，相应于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明所述驱动足始终由预紧设置的弹性连接件压紧在运动件上，因此，这种构造致使本发明所述压电电机具有断电自锁功能；

2、本发明将压电作动单元并排设置为两组，同时采用紧固件将两者的驱动足固定在一起，由此可知，本发明所述的一对驱动足在动子的运动方向上处于同一位置而且彼此靠近，通过对彼此叠层压电堆施加相应的激励电源，可以使得两驱动足在工作时交替差动，充分利用叠层压电堆抗压刚度大的优势，再加上驱动足依靠弹性连接件提供压电电机产生摩擦力所需的接触力，导致本发明不仅提高了压电电机的推力，还保证了该压电电机所提供推力的稳定性；

3、本发明将压电作动单元设置为两组，因此，通过对各叠层压电堆施加相应的激励电源，可以致使本发明分别工作在直动模式或者步进模式，这两种工作模式可以保证本发明所述压电电机同时具备大行程和高精度的优点；

4、本发明所述压电体（定子）工作时的箝位力由预紧设置的弹性连接件提供，因此，即便驱动足因长期使用而致使磨损后，压电电机也能正常工作，故而本发明能够极大地提高压电电机的使用寿命；

5、本发明所述压电电机结构紧凑，刚度较大，可在较宽的频带运行，这利于作动系统的速度速度控制；

6、本发明所述压电电机中的导向盒及作动单元都可以采用线切割的方法一次加工出来，易于实现批量化生产。

附图说明

图1是本发明所述压电电机（不带运动件）的立体结构示意图。

图2是本发明所述压电电机（不带运动件）各构成组件的结构分解图。

图3（b）是图1的右视图；图3（a）是图3（b）的A-A剖视图。

图4 （b）是本发明所述作动单元的俯视图；图4（a）是图4（b）的B-B剖视图。

图5是本发明所述直线压电电机的结构示意图；其中：图5（a）为正视图，图5（b）为图5（a）的左视图。

图6是本发明所述旋转压电电机的结构示意图；其中：图6（a）为正视图，图6（b）为图6（a）的左视图。

图1至图6中：1-第一组压电作动单元；2-第二组压电作动单元；3-导向盒；4-预压板簧；5-动子；6-转子；11-第一组叠层压电堆；12-第二组叠层压电堆；13-驱动足；14-预紧螺杆；15-预紧螺母；16-基体；21、22、23、31、32-螺钉；33-预紧螺钉。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图5、图6所示，本发明所述压电电机，包括压电体、弹性连接件以及运动件，压电体通过弹性连接件的弹性形变与运动件弹性相接触，即压电体的驱动足通过弹性连接件所提供的弹力，始终压紧在运动件上，所述运动件可以为图5所示的动子，此时本发明所述压电电机为直线压电电机；也可以为图6所示的转子，此时本发明所述压电电机为旋转压电电机。

本发明所述的压电体，如图1至4所示，包括导向盒以及置于导向盒内腔的压电作动单元，所述压电作动单位可以为一组，此时，构成本发明所述压电电机只能工作在直动模式；也可以为两组，此时，该两组压电作动单元并排设置，通过施加适合的激励电源，可以使得构成本发明的压电电机工作在步进模式，其中：

所述导向盒，如图1-3所示，其外形为一长方体结构，该长方体形状的导向盒在其一组相对的盒面分别开设工字形贯穿割缝，附图中为长方体的顶面、底面分别开设工字形贯穿割缝；该工字形贯穿割缝包括两条横向割缝以及连接在两条横向割缝之间的竖向割缝，每一条横向割缝的两端均设置柔性铰链，该柔性铰链的设置可允许固定在导向盒装配面上的作动单元在沿横向割缝方向上微动的同时受到较小的阻力，且竖向割缝相对于两条横向割缝的中心连线偏置，附图中，竖向割缝偏向于导向盒的右侧面设置；所述两条横向割缝、竖向割缝之间围成的区域为作动单元安装面。本发明中，所述横向割缝的两端通过以下方式设置柔性铰链：先将每一条横向割缝的两端均向外垂直地延伸以形成横向割缝竖向延伸段，使得该条横向割缝竖向延伸段端部相对于导向盒本体相邻端面的间距小于横向割缝相对于导向盒本体端面的间距，据图可知，对于上方的横向割缝，其两端与左侧、右侧的间距小于其横向割缝竖向延伸段端部与背面的间距，而对于下方的横向割缝，其两端与左侧、右侧的间距小于其横向割缝竖向延伸段端部与正面的间距；然后将横向割缝竖向延伸段的端部设置成圆孔即可。

所述导向盒在正面、背面开设贯穿的长方体容纳腔，用于容纳压电作动单元；该长方体容纳腔位于导向盒顶面、背面的正中，左右两侧介于竖向割缝和横向割缝的端部圆孔之间。

所述导向盒在每一个作动单元安装面上均开设两个沉头孔，分别用于安装两个压电作动单元；导向盒在竖向割缝的右侧纵向开设两个沉头贯穿孔，用于将导向盒安装到电机支架上；导向盒的右侧面横向开设两个螺纹孔，用于安装弹性连接件；导向盒的背面开设一个螺纹孔，用于安装使得弹性连接件发生变形的调节螺钉。

所述压电作动单元，如图2-4所示，呈轴对称结构，附图中呈倒置的等腰直角三角形设置，包括基体、驱动足以及压设在基体和驱动足之间的两组叠层压电堆，驱动足设置于该等腰直角三角形压电作动单元的顶角部位，而基体则设置于该等腰直角三角形压电作动单元的底面，且基体分别在等腰直角三角形压电作动单元的两底角部位向外延伸以分别对应地形成两安装部，以将基体固定安装到导向盒上所设置的作动单元安装面，两安装部之间设置悬臂横梁，即悬臂横梁的一端与其中一个安装部固定，另一端则活动设置，活动端即为悬臂端，通过割缝隔开悬臂横梁悬臂端与另一个安装部之间的连接，且该悬臂横梁的悬臂端位于基体上设置的限位凸台上方；两组叠层压电堆对称地设置在等腰直角三角形压电作动单元的两侧腰，且两组叠层压电堆通过贯穿悬臂横梁的预紧螺杆组件压设在基体和驱动足之间，为便于预紧螺杆组件的安装，本发明在悬臂横梁上设置凸台，以增加预紧螺杆组件与悬臂横梁之间的连接面积；叠层压电堆呈正方形棱柱状，该叠层压电堆的两端面分别与基体和驱动足紧贴。由此可知，本实用新型所述基体占据了该倒置的等腰直角三角形的上半部分，且基体与两叠层压电堆的接触面相互垂直，同时基体与两叠层压电堆的接触面通过平面柔性铰链设置于基体上，该平面柔性铰链的设置可保证叠层压电堆与基体接触的表面受力均匀。

本发明所述预紧螺杆组件包括预紧螺杆以及与预紧螺杆螺纹配合的预紧螺母，该预紧螺杆的一端穿过悬臂横梁后与预紧螺母螺纹配合连接，另一端则穿过基体后与驱动足螺纹连接。为限制预紧螺杆与驱动足之间的安装，本发明在所述预紧螺杆上设置有限位凸缘，该限位凸缘靠近驱动足设置。使用时，预紧螺杆与驱动足上螺纹孔旋紧至该限位凸缘即可。

本发明所述驱动足整体外形为一轴对称五边形，其中心开有贯穿孔，通过紧固件将两组压电作动单元连接，驱动足与两叠层压电堆紧贴的接触面相互垂直，且关于对称轴对称，其中心的贯穿孔的圆心通过对称轴，其在垂直于对称轴的平面上沿对称轴开有用于安装预紧螺杆的螺纹孔，该螺纹孔一端止于中心贯穿孔的内表面。

所述弹性连接件，为预压板簧，该预压板簧的一端通过螺钉31、32固定安装在导向盒的右侧，另一端则压紧在预紧螺栓上端，且预压板簧设置有柔性连接段，该柔性连接段呈C型，所述C型柔性连接段远离板簧固定端的端部通过预紧螺钉固定安装在导向盒的背面，因此，通过调节预紧螺钉33，以实现预压板簧与预紧螺栓之间的预紧力调节。

通过对叠层压电堆施加不同频率的激励电源，可以使得本发明处于不同的工作模式。

如图5和图6所示，该压电电机可以根据需要实现两种工作模式：

第一种、直动模式：控制压电作动单元1或2中的一组叠层压电堆的变形即可以推动动子5或转子6实现高分辨率的精确定位；

第二种、步进模式：用四路两两相位差π/2的正弦电压信号分别激励四组叠层压电堆，此时四组叠层压电堆将交替周期性伸缩，这时两作动单元驱动足顶端面上点的运动轨迹为圆，在一个作动周期T内，电机的动作时序如下：

在0-T/2，作动单元1与动子5或转子6接触并推动动子5或转子6运动，作动单元2与动子5或转子6分离；

在T/2-T，作动单元2与动子5或转子6接触并推动动子5或转子6运动，作动单元1与动子5或转子6分离；

按上述时序重复，压电电机将推动动子5或转子6连续单向运动。

结构设计原则：

一对驱动足的高度务必平齐以保证它们能够同时接触动子或转子；装配后一对驱动足与动子或转子的接触力应尽量相同，基体上部横梁的抗弯刚度设计以能够为叠层压电堆提供合适的预紧力作为依据。

Claims (10)

1.一种压电电机，其特征在于，包括压电体、运动件以及弹性连接件，压电体通过弹性连接件的弹性形变与运动件弹性相接触；所述压电体包括导向盒以及置于导向盒内的压电作动单元；导向盒包括导向盒本体以及设置于导向盒本体的作动单元安装面，所述作动单元安装面与导向盒本体之间柔性连接；压电作动单元为轴对称结构，包括基体、驱动足以及压设在基体和驱动足之间的两组叠层压电堆，基体与作动单元安装面固定连接，而驱动足伸出导向盒内腔后与运动件相接触；弹性连接件一端与导向盒本体固定，另一端则与基体相背于驱动足的端部相接触；每组叠层压电堆均与相应的激励电源连接。

2.根据权利要求1所述压电电机，其特征在于，所述导向盒的盒面开设工字形贯穿割缝，该工字形贯穿割缝包括两条横向割缝以及连接在两条横向割缝之间的竖向割缝，每一条横向割缝的两端均设置柔性铰链，且竖向割缝相对于两条横向割缝的中心连线偏置；所述两条横向割缝、竖向割缝之间围成的区域为作动单元安装面。

3.根据权利要求2所述压电电机，其特征在于，所述横向割缝的两端通过以下方式设置柔性铰链：先将每一条横向割缝的两端均向外垂直地延伸以形成横向割缝竖向延伸段，使得横向割缝竖向延伸段端部相对于导向盒本体端面的间距小于横向割缝相对于导向盒本体端面的间距；然后将横向割缝竖向延伸段的端部设置成圆孔即可。

4.根据权利要求1或2所述压电电机，其特征在于，所述压电作动单元为两组，该两组压电作动单元并排布置，且两组压电作动单元的驱动足通过螺纹紧固件连接；所述导向盒的盒面对应于两组压电作动单元分别设置相应的作动单元安装面，每组压电作动单元的基体分别与相应的作动单元安装面固定。

5.根据权利要求4所述压电电机，其特征在于，所述的两组压电作动单元中，各组叠层压电堆的激励电源为相位上两两相差π/2的正弦电压信号。

6.根据权利要求1所述压电电机，其特征在于，所述压电作动单元呈等腰直角三角形设置；驱动足设置于该等腰直角三角形压电作动单元的顶角部位，而基体则设置于该等腰直角三角形压电作动单元的底面，且基体分别在等腰直角三角形压电作动单元的两底角部位向外延伸以分别对应地形成两安装部，两安装部之间设置悬臂横梁，且该悬臂横梁的悬臂端位于基体上设置的限位凸台上方；两组叠层压电堆对称地设置在等腰直角三角形压电作动单元的两侧腰，且两组叠层压电堆通过贯穿悬臂横梁的预紧螺杆组件压设在基体和驱动足之间。

7.根据权利要求6所述压电电机，其特征在于，所述弹性连接件为板簧，所述板簧的两端之间设置有柔性连接段，所述板簧的一端与导向盒本体固定，另一端则与预紧螺杆组件相接触。

8.根据权利要求6所述压电电机，其特征在于，所述预紧螺杆组件包括预紧螺杆以及与预紧螺杆的螺纹配合的预紧螺母，该预紧螺杆的一端穿过悬臂横梁后与预紧螺母的螺纹配合连接，另一端则穿过基体后与驱动足螺纹连接。

9.根据权利要求8所述压电电机，其特征在于，所述预紧螺杆上设置有限位凸缘，该限位凸缘靠近驱动足设置。

10.根据权利要求1所述压电电机，其特征在于，所述压电电机为直线压电电机或者旋转压电电机。