CN104967358A - 一种压电冲击式直线旋转马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了压电冲击式直线旋转马达，采用由压电驱动器、运动轴、耦合器、套筒、卡环、基座和导向轴套构成的共轴结构；压电驱动器左端固定于基座右侧，压电驱动器右端与耦合器左侧固定连接，耦合器右侧套有套筒和卡环，导向轴套安装于基座左侧，运动轴安装于马达内部，贯穿压电驱动器、耦合器、基座和导向轴套；通过控制压电扭转驱动器轴向运动或者扭转运动及耦合器右侧内圆面通过卡环对运动轴施加预压力，实现运动轴的直线运动或者旋转运动。本发明采用共轴设计，结构紧凑，适宜于微型化，可以实现运动轴的多自由度运动，有效提高其运行效率。

Description

一种压电冲击式直线旋转马达

技术领域

本发明涉及驱动器领域，具体是一种压电冲击式直线旋转马达。

背景技术

随着现代物理化学、环境能源、信息电子、生物医疗等领域科技从宏观向微观的迅猛发展，涉及在SEM、STM、AFM等系统的狭小空间内对微米、亚微米和纳米尺度上的物体进行特性测量、形状构造的场合越来越多，使得人们对具有纳米级定位精度、毫米级以上运动行程，且结构紧凑、运动灵活、响应迅速、性能稳定的微型化跨尺度精密定位操作技术有着迫切的需求。机械驱动机构作为精密定位操作系统中的主要功能部件，其表现对整个系统的性能指标有着决定性的影响。以压电陶瓷为基本功能材料的驱动机构具有多方面的优势，在精密驱动领域占据着统治性的地位。

目前，基于压电驱动机构的跨尺度精密定位操作技术主要有宏微混合式驱动、超声马达驱动、尺蠖式压电驱动、压电惯性驱动等方式，其中惯性驱动机构具有结构简单、控制方便、分辨率高、易于集成等突出优点，很早就用于AFM、STM等科学仪器中探头或样品的精密定位。压电惯性驱动机构具有丰富的结构设计和灵活的运动形式，利用压电堆、压电管、压电片等元件提供的纵向、剪切、弯曲等振动，可实现直线、旋转及多自由度的驱动。现有基于压电惯性驱动机构的多自由度精密定位操作系统大都采用多个分立的惯性驱动机构实现多自由度运动，即一个压电驱动机构控制一个自由度的运动，在整体结构尺寸的制约下，难以进一步提高运动自由度，总体运动自由度往往不超过三个。尤其在使用轴类结构的操作末端，本应具有更多运动自由度以适应精细操作的需求，而受到更苛刻的尺寸限制一般不具有运动自由度或仅有单个运动自由度，末端操控灵活性严重不足。利用单个压电元件或紧凑定子结构实现运动轴的多自由度运动，将有利于精密定位操作机构末端在有限的结构尺寸内实现更灵活的运动输出。

发明内容    本发明的目的是提供一种压电冲击式直线旋转马达，以解决现有技术多自由度压电轴类惯性驱动机构微型化过程中存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种压电冲击式直线旋转马达，其特征在于：包括有压电陶瓷圆管，压电陶瓷圆管左半部分外管壁上设置有呈圆柱面形的外电极，且外电极沿压电陶瓷圆管中心轴线方向分为左、右两段，压电陶瓷圆管左半部分内管壁上设置有呈圆柱面形的内电极，且内电极沿压电陶瓷圆管左端管口口壁延伸后与最左端的外电极连接，压电陶瓷圆管右半部分外管壁上设置有螺旋叉指电极，螺旋叉指电极分别与压电陶瓷圆管右半部分外管壁两端设置的呈圆柱面形的外电极连接，由压电陶瓷圆管、内外电极、螺旋叉指电极构成压电驱动器，压电陶瓷圆管左端管口上连接有基座，且基座压在最左端的外电极上，基座内左侧中心设置有导向轴套，压电陶瓷圆管右端管口上连接有耦合器，耦合器设置为右侧有阶梯的薄壁阶梯形套筒结构，且耦合器右侧阶梯上套装有套筒，以及压在套筒右侧的卡环，压电陶瓷圆管内还沿中心轴线方向安装有运动轴，运动轴左端穿过基座及基座中的导向轴套，运动轴右端穿过耦合器。

所述的一种压电冲击式直线旋转马达，其特征在于：耦合器为薄壁阶梯形套筒结构，左侧内径与压电驱动器外径配合，右侧内径与运动轴外径配合，耦合器右侧沿着轴向开轴对称十字槽，降低径向刚度以便卡环施加预压力。

所述的一种压电冲击式直线旋转马达，其特征在于：压电陶瓷圆管两端端面和外侧面分别采用环氧树脂胶与基座和耦合器粘结，或采用过盈配合分别与基座和耦合器固定连接。

所述的一种压电冲击式直线旋转马达，其特征在于：耦合器材料为不锈钢，右侧内圆面表面作耐磨处理或喷涂耐磨材料，导向轴套材料为黄铜，内圆面表面作光滑处理或喷涂润滑材料。

本发明的工作原理如下所述：

压电驱动器的螺旋电极和内外电极分别受两路锯齿波电压独立驱动，压电驱动器的左端随基座固定安装，右端在螺旋电极或内外电极的电压驱动下分别产生扭转或轴向位移，卡簧提供耦合器与运动轴间的预压力。在压电驱动器的螺旋电极或内外电极上施加锯齿波电压，在锯齿波缓慢上升阶段，螺旋电极或内外电极的压电激励使得压电驱动器产生缓慢的轴向扭转变形或轴向伸缩变形，压电驱动器右端带动耦合器产生缓慢的旋转运动或直线运动，耦合器与运动轴间的静摩擦力带动运动轴跟随耦合器形成旋转位移或轴向位移；在锯齿波快速下降阶段，螺旋电极或内外电极的压电激励使得压电驱动器快速恢复变形，压电驱动器右端带动耦合器快速回到初始位置，耦合器与运动轴之间的摩擦力无法提供运动轴跟随运动的加速度，在惯性冲击作用下产生耦合器与运动轴耦合面之间的相对滑动，从而在一个工作周期内实现运动轴旋转或直线的步进运动。

本发明旨在研制一种能够通过单个压电圆管定子结构实现微纳定位操作系统末端运动轴直线－旋转运动的惯性驱动机构。合理利用压电圆管内外和螺旋复合电极结构产生的轴向和扭转位移，构造微型惯性驱动机构实现运动轴直线和旋转运动，满足微型精密定位操作系统末端轴类结构对直线和旋转驱动的需求，解决现有多自由度压电轴类惯性驱动机构微型化过程中存在的问题。

与已有技术相比本发明的优点在于：

本发明压电冲击式直线－旋转马达，在单个压电陶瓷圆管上布置内外电极和螺旋叉指电极的复合结构，通过单个压电陶瓷圆管定子结构实现微纳定位操作系统末端运动轴的直线－旋转运动；采用共轴设计，结构简单，有利于压电轴类惯性驱动机构的微型化。

附图说明

图1为本发明的轴侧示意图。

图2为本发明的轴向剖面示意图。

    图3为本发明压电驱动器的轴向剖面示意图。

图4为本发明的右视示意图。

具体实施方式

如图1-图4所示，一种压电冲击式直线旋转马达，包括有压电陶瓷圆管1，压电陶瓷圆管1左半部分外管壁上设置有呈圆柱面形的外电极8-2，且外电极8-2沿压电陶瓷圆管1中心轴线方向分为左、右两段，压电陶瓷圆管1左半部分内管壁上设置有呈圆柱面形的内电极8-1，且内电极8-1沿压电陶瓷圆管1左端管口口壁延伸后与最左端的外电极8-2连接，压电陶瓷圆管1右半部分外管壁上设置有螺旋叉指电极9，螺旋叉指电极9分别与压电陶瓷圆管1右半部分外管壁两端设置的呈圆柱面形的外电极连接，由压电陶瓷圆管1、内外电极8、螺旋叉指电极9构成压电驱动器，压电陶瓷圆管1左端管口上连接有基座6，且基座6压在最左端的外电极上8-2，基座6内左侧中心设置有导向轴套7，压电陶瓷圆管1右端管口上连接有耦合器3，耦合器3设置为右侧有阶梯的薄壁阶梯形套筒结构，且耦合器3右侧阶梯上套装有套筒4，以及压在套筒4右侧的卡环5，压电陶瓷圆管1内还沿中心轴线方向安装有运动轴2，运动轴2左端穿过基座6及基座6中的导向轴套7，运动轴2右端穿过耦合器3。

耦合器3为薄壁阶梯形套筒结构，左侧内径与压电驱动器外径配合，右侧内径与运动轴2外径配合，耦合器3右侧沿着轴向开轴对称十字槽，降低径向刚度以便卡环5施加预压力。

压电陶瓷圆管1两端端面和外侧面分别采用环氧树脂胶与基座6和耦合器3粘结，或采用过盈配合分别与基座6和耦合器3固定连接。

耦合器3材料为不锈钢，右侧内圆面表面作耐磨处理或喷涂耐磨材料，导向轴套7材料为黄铜，内圆面表面作光滑处理或喷涂润滑材料。

本发明由共轴的压电驱动器、运动轴2、耦合器3、套筒4、卡环5、基座6和导向轴套7组成。压电驱动器由压电陶瓷圆管1、左侧内外电极8和右侧螺旋叉指电极9构成，压电驱动器左端固定于基座6右侧，压电驱动器右端与耦合器3左侧固定连接，耦合器3右侧套有套筒4和卡环5，导向轴套7安装于基座6左侧内部，运动轴2安装于马达内部贯穿压电驱动器、耦合器3、基座6和导向轴套7，耦合器3右侧内圆面通过卡环5对运动轴2施加预压力，导向轴套7内圆面限制运动轴2径向摆动。

压电驱动器利用压电陶瓷圆管1左侧的内外电极8结构产生轴向位移，驱动运动轴直线运动；压电驱动器利用压电陶瓷圆管右侧的螺旋叉指电极9结构产生扭转位移，驱动运动轴2旋转运动；内外电极8和螺旋叉指电极9连接公共的地端，内外电极8和螺旋电极9分别受两路锯齿波电压独立驱动。

Claims (4)

1.一种压电冲击式直线旋转马达，其特征在于：包括有压电陶瓷圆管，压电陶瓷圆管左半部分外管壁上设置有呈圆柱面形的外电极，且外电极沿压电陶瓷圆管中心轴线方向分为左、右两段，压电陶瓷圆管左半部分内管壁上设置有呈圆柱面形的内电极，且内电极沿压电陶瓷圆管左端管口口壁延伸后与最左端的外电极连接，压电陶瓷圆管右半部分外管壁上设置有螺旋叉指电极，螺旋叉指电极分别与压电陶瓷圆管右半部分外管壁两端设置的呈圆柱面形的外电极连接，由压电陶瓷圆管、内外电极、螺旋叉指电极构成压电驱动器，压电陶瓷圆管左端管口上连接有基座，且基座压在最左端的外电极上，基座内左侧中心设置有导向轴套，压电陶瓷圆管右端管口上连接有耦合器，耦合器设置为右侧有阶梯的薄壁阶梯形套筒结构，且耦合器右侧阶梯上套装有套筒，以及压在套筒右侧的卡环，压电陶瓷圆管内还沿中心轴线方向安装有运动轴，运动轴左端穿过基座及基座中的导向轴套，运动轴右端穿过耦合器。

2.根据权利要求1所述的一种压电冲击式直线旋转马达，其特征在于：耦合器为薄壁阶梯形套筒结构，左侧内径与压电驱动器外径配合，右侧内径与运动轴外径配合，耦合器右侧沿着轴向开轴对称十字槽，降低径向刚度以便卡环施加预压力。

3.根据权利要求1所述的一种压电冲击式直线旋转马达，其特征在于：压电陶瓷圆管两端端面和外侧面分别采用环氧树脂胶与基座和耦合器粘结，或采用过盈配合分别与基座和耦合器固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种压电冲击式直线旋转马达，其特征在于：耦合器材料为不锈钢，右侧内圆面表面作耐磨处理或喷涂耐磨材料，导向轴套材料为黄铜，内圆面表面作光滑处理或喷涂润滑材料。