CN103825492A - 一种压电步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电步进电机，包括导向盒，运动件，基座，预压弹簧以及设置在导向盒之内的压电作动模块；压电作动模块由若干个双层的压电单元组成，通过施加不同的激励电源，可以实现多种工作模式，具有断电自锁功能；本发明精度高、稳定性好、寿命长、易于实现批量化生产，具有良好的社会效益。

Description

一种压电步进电机

技术领域

本发明涉及一种压电步进电机，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

压电陶瓷的逆压电效应可将电能转化为机械能，据此效应设计的作动器具有结构简单，电磁兼容性好和响应快等特点。

由于压电陶瓷的变形输出受激励电场和自身刚度的影响，为使用的方便和电激励的实用性，通常为类似平行板电容器的片状结构，其输出变形很小。为了将这微小的变形转化为运动物体的宏观运动，通常采用的技术有两种：一是将多片压电陶瓷堆叠，采用电路并联的方式制作成集成元件，也叫叠层压电陶瓷，该器件可在较小电压下输出较大的应变（通常为0.1%），该技术可被应用在行程在几十微米行程的精密微动机构中。二是利用结构的共振，使压电元件工作在高频共振状态，从而获得微米级位移输出，并通过摩擦耦合的方式将微米级振动转化为运动物体的单向宏观运动，常见的应用见于超声电机。

叠层压电陶瓷具有大推力的特点，为克服其行程的限制，出现了用叠层压电陶瓷作为动力源并采用交替箝位方式工作的压电步进电机，这类电机可以在输出推力的同时具有无限的行程，还能获得无限的闭环位置分辨率，由于采用静摩擦力耦合的方式输出步进运动，这种作动器要比采用滑动摩擦力耦合方式的超声电机拥有更大的推力。然而，现有技术有以下三个技术难题：

第一，实现交替箝位的两个箝位单元相互独立且二者间相距较远，这要求导向机构的平行度要足够高，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，现有导向机构之间的距离是固定的，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，在所有叠层压电陶瓷都断电的情况下，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

本发明的目的在于：提出一种压电步进电机，其具有推力大、大行程、寿命长、效率高的优点，同时具备断电自锁功能。

本发明是通过如下方法实现的：

    一种压电步进电机，所述压电步进电机包括压电体、运动件、预压弹簧以及上部和侧部基座，所述压电体通过预压弹簧变形产生的弹性回复力作用与运动件接触，所述压电体平行于其作动方向的一面与侧部基座刚性连接；

所述压电体包括导向盒以及置于导向盒内的压电作动模块，所述导向盒包括导向盒本体以及设置于导向盒本体外壳上的压电作动模块安装面，所述作动模块安装面与导向盒本体之间柔性连接，导向盒本体与侧部基座固定连接，所述压电作动模块由若干个轴对称的双层一体结构的压电单元组成；

所述压电单元基体、驱动足、柔性连接块、预紧机构、柔性连接块以及叠层压电陶瓷，所述叠层压电陶瓷和柔性连接块通过预紧机构压设在基体和驱动足之间，所述基体与压电作动模块安装面固定连接，所述驱动足包含一个凸起部，所述凸起部伸出导向盒体后与运动件相接触；

所述每层两组柔性连接块和叠层压电陶瓷的作动方向互相垂直，其中一组柔性连接块和叠层压电陶瓷的作动轴线垂直于驱动足与运动件的接触面；

所述预压弹簧设置于基体相背于驱动足凸起部的一端，所述导向盒垂直于接触面且垂直于压电单元安装面的一侧与侧部基座刚性连接。

作为本发明的进一步创新，所述导向盒的压电体的安装面以及其相对的一面开有工字型的贯穿割缝，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，所述竖向割缝垂直于压电体的凸起部和运动件的接触面，所述横向割缝的两端设置有柔性铰链，且竖向割缝相对于两条横向割缝的中心连线偏置；所述压电作动模块安装面为两条横向割缝、竖向割缝之间围成的区域；所述压电电机的压电体与运动件装配位置通过上述横向割缝和运动件运动方向确定，两者相互平行。

 作为本发明的进一步创新，所述横向割缝的两端均向外垂直地延伸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；在所述横向割缝竖向延伸段的端部设置有柔性铰链，所述柔性铰链为弧形柔性铰链或者直角柔性铰链。

作为本发明的进一步创新，所述柔性连接块设置于叠层压电陶瓷和基体之间，两组压电作动模块的驱动足与基体通过螺纹紧固件连接。

作所述压电单元为等腰直角三角形；所述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，所述凸起部设置于驱动足直角顶点的一条直角边上，该凸起部位于垂直于运动件运动方向的那组叠层压电陶瓷的作动轴线上并且与运动件相触，所述驱动足上下表面对称设有凹槽，所述凹槽内设有圆孔；所述预紧机构包括连接杆、弹性件、销钉和预紧螺母，所述连接杆的一端设有分叉结构，分叉结构上设置有与凹槽对应的圆孔，连接杆分叉结构插入驱动足上下表面凹槽，通过销钉插入圆孔固定；连接杆另一端为螺杆结构，所述基体的几何中心对称的设置有两个通孔，所述两个通孔的距离为一组叠层压电陶瓷的厚度，所述螺杆结构依次穿过通孔和弹性件，并由预紧螺母固定；所述两组叠层压电陶瓷对称地设置在等腰直角三角形压电单元的两侧腰部。

作为本发明的进一步创新，所述弹性件为板簧，所述板簧的中间间厚度厚于两边并设置有贯穿孔，所述弹性件两端与基体相触。

作为本发明的进一步创新，所述运动件为转子或者动子，取转子或者动子为参考物，所述凸起部与转子或者动子接触处面的切向方向为所述运动件的运动方向。

作为本发明的进一步创新，所述压电单元包含正反两层四组叠层压电陶瓷，所述作动轴线方向垂直于驱动足和运动件接触面的两组叠层压电陶瓷分别连接同频反相的方波电压信号，另外两组作动轴线平行于运动件运动方向布置的叠层压电陶瓷分别连接与上述方波电压信号同频的两路反相三角波电压，或者所述两层四组叠层压电陶瓷分别与四路两两相位差为π/2的电压信号连接。

有益效果：

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陶瓷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，充分利用叠层压电陶瓷抗压刚度大的优势，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，通过对各叠层压电陶瓷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是本发明所述压电步进电机各构成组件的结构分解图。

图2是本发明所述压电步进电机的剖视图。

图3 是本发明所述压电作动单元的零件分解图；其中：未显示重复零件。

图4是本发明所述直线压电步进电机的结构示意图的正视图。

图5是本发明所述直线压电步进电机的结构示意图的左视图。

图6是本发明所述旋转压电步进电机周向实施例的结构示意图。

图1至图6中：1-压电作动模块；2-导向盒；3-连接螺钉；4-预压弹簧；5-上部基座；6-运动件；7-柔性铰链；8-凸起部；9-贯穿割缝；10-压电单元；11-驱动足；12-连接杆；13-销钉；14-柔性连接块；15-叠层压电陶瓷；16-基体；17-预紧板簧；18-预紧螺母；19-侧部基座；61-转子运动件。

具体实施方式

下面结合附图做进一步的说明。

如图4所示，本发明所述压电步进电机，包括压电体、运动件6、预压弹簧4、上部基座5和侧部基座19，压电体在预压弹簧4弹性形变产生的弹性回复力作用下与运动件6弹性相触，即压电体的驱动足通过预压弹簧4所提供的弹力，始终压紧在运动件6上，所述运动件可以为图4所示的动子6，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3所示，包括导向盒2以及置于导向盒2内腔的压电作动模块1，所述压电模块的压电作动单元可以为一组，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至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9，附图中为长方体的顶面、底面分别开设工字形贯穿割缝9；该工字形贯穿割缝9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7，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压电体安装面。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7：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2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，用于容纳压电作动模块；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。

所述导向盒容纳腔顶面开设两个沉头孔，用于安装压电作动模块；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基座上；导向盒的右侧面横向开设两个螺纹孔，也用于将导向盒3安装到基座上。

所述压电作动单元，如图2至3所示，为轴对称双层一体结构，包括基体16、驱动足11、柔性连接块14、连接杆12、板簧17、预紧螺母18以及叠层压电陶瓷15，其中压电作动单元的每一层都有两组柔性连接块14与叠层压电陶瓷15通过连接杆12和板簧17被压设在基体16和一对驱动足11之间，基体16与压电作动模块安装面固定连接，而驱动足11伸出导向盒2内腔后与运动件6相触；预压弹簧4一端与上部基座5固定，另一端则与基体16相背于驱动足的端部相触；压电作动模块的每层两组叠层压电陶瓷15的作动轴线相互垂直，每层均有一组叠层压电陶瓷15的作动轴线垂直于驱动足11与运动件6接触面且另一组与运动件6运动方向平行。

本发明所述连接杆组件包括连接杆12以及与连接杆螺纹配合的预紧螺母18，连接杆12一端设有分叉结构，分叉结构上设有圆孔，另一端为螺杆；连接杆12分叉结构插入驱动足上下表面凹槽，并由销钉13固定；连接杆12另一端设置成螺杆结构，依次穿过基体上孔和板簧17中间的孔，并由预紧螺母18旋紧。

本发明所述驱动足11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11与两叠层压电陶瓷15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，其在贯穿孔两端的平面上开有用于安装连接杆12分叉结构的凹槽。

通过对叠层压电陶瓷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4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：控制压电作动单元上平行于运动体运动方向的任意一组叠层压电陶瓷的变形即可以推动动子6或转子61实现高分辨率的精确定位。

第二种、步进模式：给作动轴线方向垂直于驱动足与运动件接触面的两组叠层压电陶瓷分别连接同频反相的方波电压信号，另两组作动轴线平行于运动件运动方向布置的叠层压电陶瓷分别连接与上述方波电压信号同频的两路反相三角波电压，或者四组叠层压电陶瓷分别与四路两两相位差为π/2的电压信号连接，此时四组叠层压电陶瓷将交替周期性伸缩，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6或转子61接触并推动动子6或转子61运动，压电作动单元下驱动足与动子6或转子61分离；

在T/2-T，压电作动单元下驱动足与动子6或转子61接触并推动动子6或转子61运动，压电作动单元上驱动足与动子6或转子61分离；

按上述时序重复，压电电机将推动动子6或转子61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，板簧的抗弯刚度设计以能够为叠层压电陶瓷提供合适的预紧力作为依据。

Claims (8)

1.一种压电步进电机，其特征在于，所述压电电机包括压电体、运动件、预压弹簧以及上部和侧部基座，所述压电体通过预压弹簧变形产生的弹性回复力作用与运动件接触，所述压电体平行于其作动方向的一面与侧部基座刚性连接；

所述压电体包括导向盒以及置于导向盒内的压电作动模块，所述导向盒包括导向盒本体以及设置于导向盒本体外壳上的压电作动模块安装面，所述作动模块安装面与导向盒本体之间柔性连接，导向盒本体与侧部基座固定连接，所述压电作动模块由若干个轴对称的双层一体结构的压电单元组成；

所述压电单元包括基体、驱动足、柔性连接块、预紧机构、柔性连接块以及叠层压电陶瓷，所述叠层压电陶瓷和柔性连接块通过预紧机构压设在基体和驱动足之间，所述基体与压电作动模块安装面固定连接，所述驱动足包含一个凸起部，所述凸起部伸出导向盒体后与运动件相接触；

所述每层两组柔性连接块和叠层压电陶瓷的作动方向互相垂直，其中一组柔性连接块和叠层压电陶瓷的作动轴线垂直于驱动足与运动件的接触面；

所述预压弹簧设置于基体相背于驱动足凸起部的一端，所述导向盒垂直于接触面且垂直于压电单元安装面的一侧与侧部基座刚性连接。

2.如权利要求1所述的压电步进电机，其特征在于，所述导向盒的压电体的安装面以及其相对的一面开有工字型的贯穿割缝，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，所述竖向割缝垂直于压电体的凸起部和运动件的接触面，所述横向割缝的两端设置有柔性铰链，且竖向割缝相对于两条横向割缝的中心连线偏置；所述压电作动模块安装面为两条横向割缝、竖向割缝之间围成的区域；所述压电电机的压电体与运动件装配位置通过上述横向割缝和运动件运动方向确定，两者相互平行。

3.如权利要求2所述的压电步进电机，其特征在于，所述横向割缝的两端均向外垂直地延伸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；

在所述横向割缝竖向延伸段的端部设置有柔性铰链，所述柔性铰链为弧形柔性铰链或者直角柔性铰链。

4.如权利要求1所述的压电步进电机，其特征在于，所述柔性连接块设置于叠层压电陶瓷和基体之间，两组压电作动模块的驱动足与基体通过螺纹紧固件连接。

5.如权利要求1所述的压电步进电机，其特征在于，所述压电单元为等腰直角三角形；所述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，所述凸起部设置于驱动足直角顶点的一条直角边上，该凸起部位于垂直于运动件运动方向的那组叠层压电陶瓷的作动轴线上并且与运动件相触，所述驱动足上下表面对称设有凹槽，所述凹槽内设有圆孔；所述预紧机构包括连接杆、弹性件、销钉和预紧螺母，所述连接杆的一端设有分叉结构，分叉结构上设置有与凹槽对应的圆孔，连接杆分叉结构插入驱动足上下表面凹槽，通过销钉插入圆孔固定；连接杆另一端为螺杆结构，所述基体的几何中心对称的设置有两个通孔，所述两个通孔的距离为一组叠层压电陶瓷的厚度，所述螺杆结构依次穿过通孔和弹性件，并由预紧螺母固定；所述两组叠层压电陶瓷对称地设置在等腰直角三角形压电单元的两侧腰部。

6.如要求5所述压电步进电机，其特征在于，所述弹性件为板簧，所述板簧的中间间厚度厚于两边并设置有贯穿孔，所述弹性件两端与基体相触。

7.如权利要求1所述压电步进电机，其特征在于，所述运动件为转子或者动子，取转子或者动子为参考物，所述凸起部与转子或者动子接触处面的切向方向为所述运动件的运动方向。

8.如权利要求1或5所述的压电步进电机，其特征在于，所述压电单元包含正反两层四组叠层压电陶瓷，所述作动轴线方向垂直于驱动足和运动件接触面的两组叠层压电陶瓷分别连接同频反相的方波电压信号，另外两组作动轴线平行于运动件运动方向布置的叠层压电陶瓷分别连接与上述方波电压信号同频的两路反相三角波电压，或者所述两层四组叠层压电陶瓷分别与四路两两相位差为π/2的电压信号连接。

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