CN105846714B - 一种步进压电驱动电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种步进压电驱动电机，包括压电振子、旋转轴、质量块、底座和复合悬臂，其中所述压电振子的两端分别固定连接在所述旋转轴和所述质量块上，所述复合悬臂为薄片型结构且由高摩擦弹性材料和低摩擦弹性材料层合构成，所述高摩擦弹性材料和所述低摩擦弹性材料的摩擦系数不同，所述质量块下表面垂直布置所述复合悬臂，所述高摩擦弹性材料和低摩擦弹性材料的层合面与所述压电陶瓷和弹性基板的粘接面平行；所述旋转轴和所述底座构成转动副，压电振子振动带动质量块振动，复合悬臂弯曲，结合复合悬臂采用两种摩擦系数的材料作用，电机定向旋转，本发明具有使用寿命长、结构简单的优点。
Description
技术领域
本发明属于压电驱动领域，具体涉及一种步进压电驱动电机。
背景技术
近年来，随着微纳米技术的迅猛发展，在光学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械制造、生物医学等技术领域的研究都迫切需要容差性强、结构简单的驱动器。随着科技的发展，人们研制出利用功能材料构成的新型电机来实现超精密驱动，近年来此研究已取得了一系列的成果，如记忆合金电机、压电效应电机、电致伸缩电机和磁致伸缩电机等。其中，由于压电材料(PZT)具有控制方便、功率密度大、位移分辨率高、频率响应好、不发热、无电磁干扰等优点，因此压电型精密驱动技术已成为国内外重点研究方向。然而，现有的压电电机存在加工精度要求较高、使用寿命短的问题，且零部件之间多为刚性配合，磨损后无法工作。
发明内容
为了解决现有电机寿命短、加工精度要求高的问题，提出了一种步进压电驱动电机，该电机由压电振子、旋转轴、质量块、底座和复合材料构成，通交流电后压电振子产生往复弯曲变形并带动质量块振动，复合悬臂产生弯曲变形，结合复合悬臂两种不同摩擦系数材料的作用，一个周期内，复合悬臂顺时针和逆时针转动时所受摩擦力不同，电机在复合悬臂受摩擦力小时转动的总角度大于受摩擦力大时转动的总角度，故在一个周期末，电机向复合悬臂受摩擦力小时的方向转动。本发明与现有压电电机相比，由于存在弹性结构，磨损后也能正常工作，具有寿命长、容差性强等优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种步进压电驱动电机，包括压电振子、旋转轴、质量、底座和复合悬臂，其中四个所述压电振子的一端分别固定连接在所述旋转轴上，每个所述压电振子的另一端固定连接有一个所述质量块；所述复合悬臂为薄片型结构且由高摩擦弹性材料和低摩擦弹性材料层合构成，所述高摩擦弹性材料和所述低摩擦弹性材料都为薄片型结构且尺寸相同，所述高摩擦弹性材料的摩擦系数大于所述低摩擦弹性材料的摩擦系数，每个所述质量块下表面垂直布置四个所述复合悬臂；所述压电振子由压电陶瓷和弹性基板粘接构成，所述压电陶瓷和弹性基板的粘接面与底座上表面垂直，所述高摩擦弹性材料和低摩擦弹性材料的层合面与所述压电陶瓷和弹性基板的粘接面平行，从上向下看，每个所述低摩擦弹性材料的外法线绕旋转轴呈逆时针；所述旋转轴和所述底座构成转动副。
所述压电振子和对应所述质量块的数量为L个，L大于等于1，每个所述质量块下表面的所述复合悬臂数量为M行N列个，M大于等于2，N大于等于2。
工作时，底座固定不动，利用质量块和旋转轴的重力使复合悬臂接触底座，压电振子作为动力源在交变电压的作用下发生往复弯曲变形，压电振子带动质量块运动，质量块下表面固定连接复合悬臂，复合悬臂产生弯曲变形。一个周期内，不同时间段复合悬臂的不同摩擦系数的材料接触底座时所受摩擦力不同。在一个周期末，质量块在复合悬臂受摩擦力小时运动的总位移大于受摩擦力大时的总位移，故质量块在一个周期末表现出朝向摩擦系数较小材料一侧做绕旋转轴的圆周运动，又因为质量块通过压电振子和旋转轴固定连接，故质量块带动旋转轴做旋转运动，电机通过旋转轴输出转矩。
在一个周期内，零到四分之一周期时，压电振子弯曲，质量块受到压电振子沿圆周切向向左的作用力并向左运动，复合悬臂弯曲，摩擦系数较大的高摩擦弹性材料接触底座，质量块第一次绕旋转轴顺时针转动，四分之一周期末时电机的状态如图3中的上侧图虚线所示，实线为一个周期开始时位置；四分之一到四分之三周期时，质量块受到压电振子沿圆周切向向右的作用力并向右运动，摩擦系数较小的低摩擦弹性材料接触底座，质量块第一次绕旋转轴逆时针转动，四分之三周期末时电机的状态如图3中的中间图虚线所示，实线为一个周期开始时位置；四分之三到一个周期时，质量块受到压电振子沿圆周切向向左的作用力并向左运动，摩擦系数较大的高摩擦弹性材料接触底座，质量块第二次绕旋转轴顺时针转动，一个周期末时电机的状态如图3中的下侧图虚线所示，实线为一个周期开始时位置，由于高摩擦弹性材料的摩擦系数大于低摩擦弹性材料，故高摩擦弹性材料产生的摩擦力大于低摩擦弹性材料产生的摩擦力，质量块第一次绕旋转轴顺时针转动和第二次绕旋转轴顺时针转动时的摩擦力大于第一次绕旋转轴逆时针转动时的摩擦力，故质量块第一次绕旋转轴顺时针和第二次绕旋转轴顺时针转动时的总位移小于第一次绕旋转轴逆时针转动时的总位移，质量块绕旋转轴逆时针转动，质量块通过压电振子和旋转轴固定连接，质量块带动旋转轴运动，旋转轴逆时针转动，电机逆时针转动。
附图说明
图1是本发明一种步进压电驱动电机的装配图。
图2是本发明中复合悬臂的结构示意图。
图3是本发明的局部运动示意图。
具体实施方式
参照图1和图2，包括压电振子1、旋转轴2、质量块3和底座4，其特征在于还包括复合悬臂5，其中四个所述压电振子1的一端分别固定连接在所述旋转轴2上，每个所述压电振子1的另一端固定连接有一个所述质量块3；所述复合悬臂5为薄片型结构且由高摩擦弹性材料51和低摩擦弹性材料52层合构成，所述高摩擦弹性材料51和所述低摩擦弹性材料52都为薄片型结构且尺寸相同，所述高摩擦弹性材料51的摩擦系数大于所述低摩擦弹性材料52的摩擦系数，每个所述质量块3下表面垂直布置四个所述复合悬臂5；所述压电振子1由压电陶瓷11和弹性基板12粘接构成，所述压电陶瓷11和弹性基板12的粘接面与底座4上表面垂直，所述高摩擦弹性材料51和低摩擦弹性材料52的层合面与所述压电陶瓷11和弹性基板12的粘接面平行，从上向下看，每个所述低摩擦弹性材料52的外法线绕旋转轴2呈逆时针；所述旋转轴2和所述底座4构成转动副。
工作时，底座4固定不动，压电振子1作为动力源在交变电压的作用下发生往复弯曲变形，压电振子1带动质量块3运动，质量块3下表面固定连接复合悬臂5，复合悬臂5产生弯曲变形。一个周期内，不同时间段复合悬臂5的不同摩擦系数的材料接触底座时所受摩擦力不同。在一个周期末，质量块3在复合悬臂5受摩擦力小时运动的总位移大于受摩擦力大时的总位移，故质量块3在一个周期末表现出朝向摩擦系数较小材料一侧做绕旋转轴的圆周运动，又因为质量块3通过压电振子1和旋转轴2固定连接，故质量块3带动旋转轴2做旋转运动，电机通过旋转轴2输出转矩。
Claims (2)
1.一种步进压电驱动电机，包括压电振子(1)、旋转轴(2)、质量块(3)和底座(4)，其特征在于还包括复合悬臂(5)，其中：
四个所述压电振子(1)的一端分别固定连接在所述旋转轴(2)上，每个所述压电振子(1)的另一端固定连接有一个所述质量块(3)；所述复合悬臂(5)为薄片型结构且由高摩擦弹性材料(51)和低摩擦弹性材料(52)层合构成，所述高摩擦弹性材料(51)和所述低摩擦弹性材料(52)都为薄片型结构且尺寸相同，所述高摩擦弹性材料(51)的摩擦系数大于所述低摩擦弹性材料(52)的摩擦系数，每个所述质量块(3)下表面垂直布置四个所述复合悬臂(5)；所述压电振子(1)由压电陶瓷(11)和弹性基板(12)粘接构成，所述压电陶瓷(11)和弹性基板(12)的粘接面与底座(4)上表面垂直，所述高摩擦弹性材料(51)和低摩擦弹性材料(52)的层合面与所述压电陶瓷(11)和弹性基板(12)的粘接面平行，从上向下看，每个所述低摩擦弹性材料(52)的外法线绕旋转轴(2)呈逆时针；所述旋转轴(2)和所述底座(4)构成转动副。
2.根据权利要求1所述的一种步进压电驱动电机，其特征在于：所述压电振子(1)和对应所述质量块(3)的数量为L个，L大于等于1，每个所述质量块(3)下表面的所述复合悬臂(5)数量为M行N列个，M大于等于2，N大于等于2。
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