CN104601037A - 惯性式双u型结构的直线压电电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性式双U型结构的直线压电电机及其控制方法，包括定子导向件、两个U型作动定子、压电陶瓷片以及动子，所述定子导向件的中部开设定子导向孔，U型作动定子的封闭端通过夹持力调节部件安装在定子导向件的侧部，而U型作动定子的两侧臂的外表面均粘接有压电陶瓷片，且U型作动定子的两侧臂的端部开设有弧形定子夹持槽；所述定子穿过动子导向孔设置，且动子通过两U型作动定子上所开设的弧形定子夹持槽夹持锁紧；所述U型作动定子侧臂上粘接的压电陶瓷片，均与相应的激励电源连接。因此，本发明具有结构简单、部件微小、运行稳定、定位精确、运动分辨率高、成本较低等优点。

Description

惯性式双U型结构的直线压电电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种惯性式直线压电电机，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

压电直线电机技术作为新兴的精密驱动技术，因其短小轻薄的外形特征和易于集成等突出优势得到了国内乃至全世界的广泛关注。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、响应快等优点。

惯性式电机是一种利用压电陶瓷的快速变形产生的惯性冲击来实现微位移的微型驱动机构，它具有很多优势如：运动范围大、分辨率能达到纳米级、结构简单、部件可被微小化、并能在步进运动的同时实现精确定位等。

利用压电元件动态特性的惯性冲击式驱动器在精密驱动领域已经发展为一项独特的驱动型式，得到了广泛的研究与应用。然而就目前的对惯性式压电直线电机研究技术还有一些不足，如：电机部件的微小化并未完全得到实现，定位精确的电机结构较为复杂，运动的分辨率不高，并且普遍采用作为驱动元件的压电叠堆抗拉力弱，结构限制不能连接质量较大的惯性块，驱动能力受到限制，制造成本较高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种惯性式的压电直线电机，其具有结构简单、部件微小、运行稳定、定位精确、运动分辨率高、成本较低等优点。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种惯性式双U型结构的直线压电电机，包括复合振动元件以及动子，所述动子呈圆柱形杆状设置，而复合振动元件包括定子导向件、对称地安装在定子导向件两侧的两个U型作动定子、压电陶瓷片，所述定子导向件的中部位置贯穿开设定子导向孔，U型作动定子的封闭端通过夹持力调节部件安装在定子导向件的侧部，而U型作动定子的两侧臂的外表面均粘接有压电陶瓷片，且U型作动定子的两侧臂的端部在对应于定子导向孔的位置处开设有弧形定子夹持槽，所述弧形定子夹持槽的弧面与动子外圆面相匹配；所述定子穿过动子导向孔设置，且动子通过两U型作动定子上所开设的弧形定子夹持槽夹持锁紧；所述U型作动定子侧臂上粘接的压电陶瓷片，均与相应的激励电源连接。

所述U型作动定子侧臂上粘接的压电陶瓷片，具有相同的极化方式与作动方向，且与相同的电压信号连接。

所述的电压信号为电压慢升快降的三角波信号；该三角波信号在0至                                               的一个周期内分为两个过程，其中0至为上升信号段，至为下降信号段，并且

所述U型作动定子的封闭端通过夹持力调节部件安装在定子导向件侧部所设置的凸起上。

所述夹持力调节部件为螺纹紧固部件。

所述螺纹紧固部件为连接螺钉；所述U型作动定子的封闭端在中部位置开设夹持孔，凸起对应于夹持孔开设螺纹孔，螺钉穿过夹持孔后螺纹配合连接在螺纹孔中。

所述弧形定子夹持槽为半圆形槽。

本发明的另一技术目的是提供一种上述惯性式双U型结构的直线压电电机的控制方法，包括以下步骤：分别将各压电陶瓷片与相同的电压慢升快降的三角波电压信号连接；当给作动定子上的四片压电陶瓷片施加慢升电信号时，将激励复合振动元件产生弯曲模态，并选择U型作动定子两侧臂的面外二阶弯振作为工作模态；当同时施加慢升电信号时，复合振动元件产生弯曲，且每个复合振动元件的侧臂的弯曲方向一致，同时复合振动元件的弧形定子夹持槽处的振幅最大，复合振动元件将锁住并抱紧动子，此时，由于摩擦力动子将会随着复合振动元件的向前弯曲而向前直线运动；而当慢升电信号施加到最大值时，瞬间转换为快降电信号，复合振动元件将快速从弯曲状态恢复至原来的平衡位置，此时，动子在自身惯性力的作用下，继续保持向前直线运动，直至克服了压电复合振子返回运动而产生的摩擦力；当快降电信号快速回复至0，下一个周期的慢升电信号又开始激励，重复上述的激励过程，动子始终保持向前的直线运动。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：

1.        本发明所述的压电电机各部件结构简单，加工难度小，连接方便，可以实现批量生产；

2.        本发明的压电元件采用压电陶瓷，克服了普遍的作为惯性驱动元件的压电叠堆抗拉力弱，只能伸不能缩，不能连接较大质量块的缺点，在实现步进的同时精度也较高，成本较低；

3.        本发明的作动定子部分将传统压电电机中的定子部分与导向装置部分连接在了一起，大大增加了空间利用率，实现了电机整体的小型化。

4.        本发明在所有压电陶瓷上均施加了电压慢升快降的三角波电压信号，驱动方式较为简单，避免了复杂的驱动形式。

附图说明

图1是惯性式压电超声电机的整体结构示意图。

图2是所述压电电机的实现形式的定子运动件分解示意图。

图3是锯齿波信号示意图。

图4是惯性式压电超声电机的直线运动原理示意图。

其中：1、定子导向件，1.1、定子导向孔，1.2、凸起，2、动子，3、U型作动定子，3.1、夹持孔，3.2、定子夹持槽，4、压电陶瓷片，5、连接螺钉，6、作动方向；7、复合振动元件。

具体实施方式

以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1、图2所示，本发明所述的惯性式U型结构的直线压电电机，包括复合振动元件7以及动子2，所述动子2呈圆柱形杆状设置，而复合振动元件包括定子导向件1、对称地安装在定子导向件1两侧的两个U型作动定子3、压电陶瓷片4，所述定子导向件1，附图中为一块状构件，其中部位置贯穿开设定子导向孔1.1，U型作动定子的封闭端通过夹持力调节部件安装在定子导向件1的侧部，而U型作动定子的两侧臂的外表面均粘接有压电陶瓷片4，且U型作动定子3的两侧臂的端部在对应于定子导向孔1.1的位置处开设有弧形定子夹持槽3.2，所述弧形定子夹持槽3.2的弧面与动子2外圆面相匹配；所述定子穿过动子2导向孔设置，且动子2通过两U型作动定子3上所开设的弧形定子夹持槽3.2夹持锁紧；所述U型作动定子3侧臂上粘接的压电陶瓷片4，均与相应的激励电源连接。其中：

所述U型作动定子3侧臂上粘接的压电陶瓷片4，具有相同的极化方式与作动方向6，且与相同的电压信号连接；所述的电压信号为电压慢升快降的三角波信号；

所述U型作动定子3的封闭端通过夹持力调节部件安装在定子导向件1侧部所设置的凸起1.2上；所述夹持力调节部件为螺纹紧固部件；所述螺纹紧固部件为连接螺钉5；所述U型作动定子3的封闭端在中部位置开设夹持孔3.1，凸起1.2对应于夹持孔3.1开设螺纹孔，螺钉穿过夹持孔3.1后螺纹配合连接在螺纹孔中；所述弧形定子夹持槽3.2为半圆形槽。

由此可知，本发明所述惯性式双U型结构的直线压电电机具有如下优点：

1.        动子2为细圆柱杆状结构；

2.        复合振动元件中，结合了定子部分和导向部分；通过定子导向件1上所开设的定子导向孔1.1进行导向，通过定子部分中，U型作动定子3侧臂上的弧形定子夹持槽3.2（与动子2外形匹配）夹持锁紧；所述动子2的作动方向6由导向孔决定；

3.        作动定子为2个，压电陶瓷片4为四片，对称分布；

4.        调节连接螺钉5，以实现弧形定子夹持槽3.2对动子2的夹持力调整；即通过调节连接螺钉5来控制复合振动元件与动子2接触的夹持力；

5.        复合振动元件在同频、同向、同型的三角波激励信号作用下驱动圆杆的直线运动。

6.        为了激励复合振动元件的弧形槽处的振幅最大，本发明选取U型作动定子3两侧臂的面外二阶弯振作为工作模态。

图3、图4为作动定子与动子2运动的示意图，图3为一种常用的驱动电信号。所述四片压电陶瓷片4的极化方式与作动方向6相同，且其连接有相同的电压信号，即电压慢升快降的三角波信号（图3）；该三角波信号在0至的一个周期内分为两个过程，其中0至为上升信号段，至为下降信号段，并且 当所述压电陶瓷片4施加电压慢升的信号时，压电陶瓷片4产生二阶弯振，带动作动定子两侧矩形面的弯曲变形，并在定子夹持槽3.2处产生最大位移，带动所述作动定子缓慢沿作动方向6运动（如图4），并通过定子夹持槽3.2同时带动所述动子2运动件沿作动方向6运动；当所述压电陶瓷片4施加电压快降的信号时，陶瓷片两端电压迅速恢复零电压，压电陶瓷片4迅速恢复初始形状，陶瓷带动所述作动定子快速回复初始形状，此时所述动子2运动件由于惯性来不及沿作动方向6的反方向回复，使作动定子与动子2之间产生滑动，动子2相对定子初始位移向作动方向6方向前进一小段距离，从而实现了动子2运动件沿作动方向6的直线运动。因此只要激励信号不发生幅值、相位的变化，圆杆将一直向前直线运动。当施加负向信号时，圆杆将做相反方向的直线运动。与慢升电信号相比，两个信号激励下的圆杆的运动速度是不等的。采用对称的两个作动定子的四个侧边矩形边上的四个弧形槽保证了对动子2圆柱杆的夹持。因此，达到两对复合振动元件在同频、同向、同型的三角波激励信号作用下驱动圆杆的直线运动。

通过四组复合振动元件的共同作用，圆杆的运动速度、输出力矩以及运动精度都得到了大大的提升，能满足微型作动情况下的高速度、高精度和大力矩的需求。同时，对于复合激励信号要求的方波信号或者其他类型的激励信号都可以作为激励信号来驱动圆杆实现双向的直线运动。

Claims (7)

1.一种惯性式双U型结构的直线压电电机，包括复合振动元件以及动子，其特征在于，所述动子呈圆柱形杆状设置，而复合振动元件包括定子导向件、对称地安装在定子导向件两侧的两个U型作动定子、压电陶瓷片，所述定子导向件的中部位置贯穿开设定子导向孔，U型作动定子的封闭端通过夹持力调节部件安装在定子导向件的侧部，而U型作动定子的两侧臂的外表面均粘接有压电陶瓷片，且U型作动定子的两侧臂的端部在对应于定子导向孔的位置处开设有弧形定子夹持槽，所述弧形定子夹持槽的弧面与动子外圆面相匹配；所述定子穿过动子导向孔设置，且动子通过两U型作动定子上所开设的弧形定子夹持槽夹持锁紧；所述U型作动定子侧臂上粘接的压电陶瓷片，均与相应的激励电源连接。

2.根据权利要求1所述惯性式双U型结构的直线压电电机，其特征在于，所述U型作动定子侧臂上粘接的压电陶瓷片，具有相同的极化方式与作动方向，且与相同的电压信号连接。

3.根据权利要求1所述惯性式双U型结构的直线压电电机，其特征在于，所述的电压信号为电压慢升快降的三角波信号，该三角波信号在0至                                                的一个周期内分为两个过程，其中0至为上升信号段，至为下降信号段，并且 。

根据权利要求1或2所述惯性式双U型结构的直线压电电机，其特征在于，所述U型作动定子的封闭端通过夹持力调节部件安装在定子导向件侧部所设置的凸起上。

4.根据权利要求4所述惯性式双U型结构的直线压电电机，其特征在于，所述夹持力调节部件为螺纹紧固部件。

5.根据权利要求5所述惯性式双U型结构的直线压电电机，其特征在于，所述螺纹紧固部件为连接螺钉；所述U型作动定子的封闭端在中部位置开设夹持孔，凸起对应于夹持孔开设螺纹孔，螺钉穿过夹持孔后螺纹配合连接在螺纹孔中。

6.根据权利要求4所述惯性式双U型结构的直线压电电机，其特征在于，所述弧形定子夹持槽为半圆形槽。

7.一种权利要求2所述惯性式双U型结构的直线压电电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：分别将各压电陶瓷片与相同的电压慢升快降的三角波电压信号连接；当给作动定子上的四片压电陶瓷片施加慢升电信号时，将激励复合振动元件产生弯曲模态，并选择U型作动定子两侧臂的面外二阶弯振作为工作模态；当同时施加慢升电信号时，复合振动元件产生弯曲，且每个复合振动元件的侧臂的弯曲方向一致，同时复合振动元件的弧形定子夹持槽处的振幅最大，复合振动元件将锁住并抱紧动子，此时，由于摩擦力动子将会随着复合振动元件的向前弯曲而向前直线运动；而当慢升电信号施加到最大值时，瞬间转换为快降电信号，复合振动元件将快速从弯曲状态恢复至原来的平衡位置，此时，动子在自身惯性力的作用下，继续保持向前直线运动，直至克服了压电复合振子返回运动而产生的摩擦力；当快降电信号快速回复至0，下一个周期的慢升电信号又开始激励，重复上述的激励过程，动子始终保持向前的直线运动。