CN107733280A - 一种结构一体化式压电尺蠖直线电机 - Google Patents

Abstract

一种结构一体化式压电尺蠖直线电机，包括左箝位机构、右箝位机构、驱动机构和输出轴，驱动机构位于左钳位机构和右箝位机构之间，左箝位机构和右箝位机构分别具有各自的第一箝位体、第二箝位体和箝位驱动组件；驱动机构包含左刚性部、右刚性部、中间刚性部、预紧弹性部、柔性薄板、驱动用压电执行器；预紧弹性部和中间刚性部之间设有装夹驱动用压电执行器的装夹位；输出轴一次贯穿左刚性部、驱动用压电执行器和右刚性部，左刚性部和中间刚性部之间设有预紧驱动用压电执行器的预紧螺钉，左箝位机构设有用于插入驱动用压电执行器预紧螺钉的空位。本发明具有箝位机构与驱动机构集成为一体、压电执行器仅受到压力作用、可断电箝位的优点。

Description

一种结构一体化式压电尺蠖直线电机

技术领域

本发明属于微/纳米定位技术领域，涉及微/纳米定位系统中的微位移驱动器，特别涉及一种结构一体化式压电尺蠖直线电机。

背景技术

近年来，随着信息技术、精密测试技术的迅速发展，对具有微结构表面的大型光学器件（如微透镜阵列、微反射镜阵列、光栅）的需求不断增加。这些光学器件表面微结构的单元尺寸一般都在微米量级，而整个微结构表面尺寸却达到毫米或厘米量级。要想得到这些大型光学器件，不管是对其加而言，还是对其加工后表面形貌的测量而言，都需要大行程、高分辨率的精密定位系统，而作为这种精密定位系统的驱动器也必须具有大行程、高分辨率。

压电尺蠖直线电机便是一种具有大行程、高分辨率的精密驱动器，它是基于尺蠖运动原理，将压电执行器的单步微小位移进行累积，来实现大行程、高分辨率的。相对于直线电机、直线电机同压电执行器相结合方式、磁致伸缩式直线电机、电致伸缩式直线电机、静电式直线电机等大行程、高分辨率驱动器，压电尺蠖直线电机具有体积小、位移分辨率高、输出力大、响应速度快、不发热等优点；而相对于超声谐振式、惯性式等其他压电直线电机，尺蠖运动式压电直线电机克服了超声谐振式输出力小、效率与运动精度低以及惯性式输出力小、定位不稳定的缺点，具有输出力大、功率密度大、定位稳定等优点。

但目前的压电尺蠖直线电机还存在以下不足：1) 结构为分体式，即先分别设计、制作出箝位机构、驱动机构，然后再将它们装配成一体，由于箝位机构的箝位位移或释放位移大都由压电执行器来提供，而压电执行器的输出位移往往很小，所以为使箝位机构能够可靠地箝位与释放，就要求箝位机构各零部件要有非常高的加工及装配精度；并且，压电执行器输出位移较小还会使箝位机构不能充分箝位或释放，若不能充分箝位，就会使得箝位机构的箝位力较小，电机运动稳定性降低，而若不能充分释放，就会产生严重的摩擦磨损，降低电机的寿命；分体式结构还会使箝位机构与驱动机构之间的接触刚度降低，阻尼增大，进而使电机的固有频率降低，动态响应特性变差。2) 压电执行器在预紧及工作过程中除受到压力作用（压电执行器在预紧及工作过程中仅允许受压力作用）外，还受到剪力、弯矩、扭矩作用，而这三种作用均会降低压电执行器的使用寿命。3) 电机不能自锁（即不能断电箝位），就是电机在不工作时，输出轴不能被箝位机构夹紧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将箝位机构与驱动机构集成为一体、压电执行器仅受到压力作用、可断电箝位的结构一体化式压电尺蠖直线电机。

一种结构一体化式压电尺蠖直线电机，包括左箝位机构、右箝位机构、驱动机构和输出轴，驱动机构位于左箝位机构和右箝位机构之间，左箝位机构和右箝位机构分别具有各自的第一箝位体、第二箝位体和使第一箝位体和第二箝位体相向或反向运动的箝位驱动组件，输出轴装夹在第一箝位体和第二箝位体之间；驱动机构包含与左箝位机构一体的左刚性部，与右箝位机构一体的右刚性部，通过柔性薄板与右刚性部连接的中间刚性部，连接左刚性部与中间刚性部的预紧弹性部，连接右刚性部与中间刚性部的柔性薄板，驱动用压电执行器和驱动用压电执行器预紧螺钉；预紧弹性部和中间刚性部之间有装夹驱动用压电执行器的装夹位；输出轴一次贯穿左刚性部、驱动用压电执行器和右刚性部，左刚性部和中间刚性部之间设有预紧驱动用压电执行器的预紧螺钉，左箝位机构设有用于插入驱动用压电执行器预紧螺钉的空位。左箝位机构、右箝位机构和驱动机构组成机体，机体为一体化结构。

在安装驱动用压电执行器时，先将驱动用压电执行器放入装夹位，从左箝位机构的空位将预紧螺钉插入左刚性部的螺纹孔，驱动用压电执行器一端抵住左刚性部、另一端抵住柔性薄板与右刚性部的连接端，当左箝位机构释放输出轴而右箝位机构夹紧输出轴时，驱动用压电执行器的左端被左刚性部限制而向右输出位移，驱动用压电执行器向右伸长，推动柔性薄板向右摆动，同时驱动用压电执行器带着输出轴向右输出位移。

进一步，第一箝位体和第二箝位体分别由各自的刚性部分和柔性薄板组成，刚性部与柔性薄板的一端连为一体，两个柔性薄板在内，两个刚性部分在外，两个柔性薄板之间有间隙；柔性薄板的另一端与驱动机构连为一体。柔性薄板的另一端与驱动机构连为一体指的是左箝位机构的柔性薄板与驱动机构的左刚性部连为一体，右箝位机构的柔性薄板与驱动机构的右刚性部连为一体。柔性薄板的存在增强了机体沿轴向的刚性。箝位驱动组件使第一箝位体和第二箝位体相向运动时，第一箝位体和第二箝位体夹紧输出轴；箝位驱动组件使第一箝位体和第二箝位体反向运动时，第一箝位体和第二箝位体松开输出轴。

进一步，每个箝位体具有一个箝位驱动组件，两个箝位驱动组件对称设置，箝位驱动组件由放大单元、释放用压电执行器和释放用压电执行器预紧螺钉组成，释放用压电执行器沿高度方向输出位移，两个箝位体沿宽度方向输出位移。以从左到右作为直线电机的长度方向，以从上到下作为直线电机的高度方向，以左箝位机构或右箝位机构的前端向后端作为直线电机的宽度方向。

进一步，放大单元包含上刚性部，下刚性部，外刚性部，连接上刚性部与外刚性部的柔性薄板组，连接外刚性部和下刚性部的柔性薄板组，连接上刚性部与对应箝位体的柔性薄板组，和连接下刚性部与对应箝位体的柔性薄板组；上刚性部和下刚性部分别设有限制释放用压电执行器转动的定位组件，上刚性部与释放用压电执行器之间有垫块，外刚性部和箝位体位置关于箝位用压电执行器轴线对称，外刚性部和箝位体位于上、下刚性部之外；上刚性部设有插入释放用压电执行器预紧螺钉的螺纹孔。垫块受到释放用压电执行器预紧螺钉的作用时，仅沿直线位移，从而使释放用压电执行器避免受到扭矩作用，而仅受到沿其轴线方向的压力作用。

进一步，上刚性部和下刚性部分别具有限制释放用压电执行器转动的定位组件。

进一步，释放用压电执行器的安装位作为插入预紧螺钉的空位。安装时，先从释放用压电执行器的安装位将预紧螺钉装入，将驱动用压电执行器预紧，再将释放用压电执行器装夹在上刚性部和下刚性部之间。

进一步，连接上刚性部与外刚性部的柔性薄板组和连接上刚性部与对应箝位体的柔性薄板组对称，连接外刚性部和下刚性部的柔性薄板组和连接下刚性部与对应箝位体的柔性薄板组对称，每个柔性薄板组由一个柔性薄板组成或者由多个平行的柔性薄板组成。

进一步，预紧弹性部由内侧柔性折叠梁和外侧柔性折叠梁组成，内侧柔性折叠梁连接左刚性部的内端和中间刚性部的内端，外侧柔性折叠梁连接左刚性部的外端和中间刚性部的外端。以靠近输出轴为内。

与现有压电尺蠖直线电机相比，本发明的优点是：

1) 由于机体为一体化式结构，故电机整体结构简单、紧凑，免去了将箝位机构与驱动机构结合为一体的装配、调节过程，箝位机构与驱动机构之间无摩擦、无间隙，从而阻尼小、接触刚度高，有助于提高电机的性能。

2) 箝位机构为桥式放大机构，可降低对箝位机构各零部件以及输出轴加工及装配精度的要求，同时还可使输出轴被充分箝位与释放，从而既可使输出轴驱动力足够大，运动稳定，又可避免产生摩擦、磨损，提高电机的寿命。

3) 压电执行器在预紧及工作过程中仅受到沿其轴线方向的压力作用，而不受到拉力、剪力、弯矩、扭矩的作用，从而可很好地提高压电执行器的使用寿命。

4) 当不给释放用压电执行器通电时，输出轴将被箝位机构夹紧而不能输出位移，电机实现自锁（即断电箝位）。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的装配图，其中(a)是主视图（即(b)的A-A剖视图），(b)是俯视图，(c)是左视图（即(b)的B-B剖视图、C-C剖视图），(d)是(b)的D-D剖视图，(e)是(b)的E-E剖视图、F-F剖视图。

图3为本发明的运动原理图，其中(a)为左箝位机构通电释放，(b)为驱动机构通电伸长，(c)为左箝位机构断电箝位，(d)为右箝位机构通电释放，(e)为驱动机构断电复原，(f)为右箝位机构断电箝位。

具体实施方式

本发明通过箝位机构、驱动机构的交替动作来实现输出轴的高分辨率、大行程的连续直线运动，下面给出其具体实施方式。

一种结构一体化式压电尺蠖直线电机，如图1所示，包括由左箝位机构1A、右箝位机构1C和驱动机构1B构成的机体、释放用压电执行器2、驱动用压电执行器3、预紧垫块4、预紧螺钉5、沉头预紧螺钉6、输出轴7；机体为一体化结构，其中的左箝位机构1A和右箝位机构1C对称且结构相同，驱动机构1B位于左箝位机构1A和右箝位机构1C之间。

左箝位机构1A和右箝位机构1C用来对输出轴进行箝位及释放。如图2(c)所示，左箝位机构包括箝位单元1A-1、1A-2，其中的每个箝位单元包括上刚性部1 A -1-1（1 A -2-1）、下刚性部1 A -1-2（1 A -2-2）、外刚性部1 A -1-3（1 A -2-3）、平行柔性薄板1 A -1-4（1 A -2-4）、箝位体1 A -1-5（1 A -2-5）、柔性薄板1 A -1-6（1 A -2-6）（这两个柔性薄板如图2(b)所示）；右箝位机构包括箝位单元1C-1、1C-2，其中的每个箝位单元包括上刚性部1C -1-1（1 C -2-1）、下刚性部1 C -1-2（1 C -2-2）、外刚性部1 C -1-3（1 C -2-3）、平行柔性薄板1 C -1-4（1 C -2-4）、箝位体1 C -1-5（1 C -2-5）、柔性薄板1 C -1-6（1 C -2-6）（这两个柔性薄板如图2(b)所示）；每个箝位单元为一个桥式放大机构。

如图2(c)所示，上刚性部上有螺纹孔、两个大突起，下刚性部上有两个小突起，两个大突起与两个小突起对位，两个大突起形成上刚性部的定位组件，两个小突起形成下刚性部的定位组件；螺纹孔用来同预紧螺钉相结合，对释放用压电执行器进行预紧。上刚性部的两个大突起构成释放用压电执行器的定位组件，用来对预紧垫块与释放用压电执行器上端左右定位。下刚性部的两个小突起构成定位组件，用来对释放用压电执行器下端左右定位。这两组定位组件可使释放用压电执行器的轴线同预紧螺钉的轴线重合。当预紧垫块在预紧螺钉作用下对释放用压电执行器进行预紧时，两个大突起与两个小突起可阻止释放用压电执行器转动，使释放用压电执行器仅受到沿其轴线方向的压力作用。外刚性部（以图2(b)所示外刚性部1A-1-3为例）与驱动机构的刚性部分相连接，如图2(c)所示，当释放用压电执行器在电压作用下伸长时，外刚性部固定不动，从而使释放用压电执行器沿轴向的输出位移全部转化为箝位体沿箝位方向的释放位移。

如图2(c)所示，本实施例中四个柔性薄板组同上刚性部、下刚性部、外刚性部、箝位体构成桥式放大单元，每个柔性薄板组由两个平行的柔性薄板形成。桥式放大单元可将释放用压电执行器沿其轴线方向的输出位移放大为箝位体沿箝位方向的释放位移，而平行柔性薄板还可使释放用压电执行器沿其轴线方向的位移以及箝位体沿箝位方向的位移均为平动位移，这种平动位移可使箝位体可靠地对输出轴进行箝位。

如图2(c)所示，箝位体与输出轴接触的表面为圆柱面，当释放用压电执行器不受电压作用时，两箝位体上的内圆柱面通过过盈配合抱紧输出轴，使输出轴箝位；当两释放用压电执行器受到电压作用伸长时，每个箝位机构中两箝位单元中的上、下刚性部将分别向上、下侧运动，由于两箝位单元中的外刚性部固定不定，故两箝位单元中的箝位体将向背离输出轴的方向运动，实现对输出轴的释放。

柔性薄板（以图2(b)所示外刚性部1A-1-6为例）一端与箝位体相连接，另一端与驱动机构相连接，它既可使箝位体较好地产生释放位移，又可使箝位单元在输出轴运动方向上具有较高的刚度。

驱动机构用来使输出轴输出直线位移。如图2(b)所示，驱动机构包括左刚性部1B-1、右刚性部1B-2、两个中间刚性部1B-3与1B-4、两个内侧柔性折叠梁1B-5与1B-6、两个外侧柔性折叠梁1B-7与1B-8、两个柔性薄板1B-9与1B-10，两个内侧柔性折叠梁1B-5、1B-6和两个外侧柔性折叠梁1B-7、1B-8构成预紧弹性部；左刚性部上有两个垂直沉头孔、两个水平沉头孔，每个中间刚性部上各有一个水平螺纹通孔，它们用来同预紧螺钉6相结合，进而在两个预紧螺钉6作用下，对驱动用压电执行器进行预紧；预紧螺钉6为沉头螺钉。如图2(d)所示，左刚性部、右刚性部上各有一个水平通孔，它们用来通过输出轴。如图2(b)、2(e)所示，每个中间刚性部的内侧面及每个内侧柔性折叠梁的内侧面各有一个局部圆柱面式突起，这四个局部圆柱面式突起用来对驱动用压电执行器进行周向定位，以避免驱动用压电执行器在装配过程中脱落；如图2(a)所示，左刚性部上的两个垂直沉头孔（图中未给出）用来通过沉头螺钉，进而将电机固定于支撑Z（如图中双点划线所示）上。

如图2(b)所示，内侧柔性折叠梁1B-5和1B-6作为内侧弹性部、两外侧柔性折叠梁1B-7和1B-8作为外侧弹性部，内侧弹性部和外侧弹性部设置于左刚性部1B-1和中间刚性部1B-3之间，当预紧螺钉6旋入对应的中间刚性部上的水平螺纹通孔时，两内侧柔性折叠梁、两外侧柔性折叠梁以及两柔性薄板将发生压缩弹性变形，将右刚性部拉向左刚性部，两刚性部压紧驱动用压电执行器，实现对驱动用压电执行器的预紧。中间刚性部和右刚性部由柔性薄板连接，该柔性薄板一端与中间刚性部一体、另一端与右刚性部一体，该柔性薄板除用来对驱动用压电执行器进行预紧外，当驱动用压电执行器在电压作用下伸长时，它们发生弹性变形，使驱动机构输出位移，从而带动输出轴向右输出位移。

本领域的技术人员应当知晓，左、右是相对方向，并非绝对的位置定义。并且，将本实施例中，驱动用压电执行器抵住右刚性部，而将预紧弹性部设置于右刚性部和中间刚性部之间，中间刚性部与左刚性部通过柔性薄板连接，从而实现输出轴向左输出位移也是本领域的技术人员能够知晓的替换方式。

在将驱动机构中左刚性部通过其上的两个沉头螺钉孔约束住的情况下，本发明的压电尺蠖直线电机的运动过程如下：

1) 如图3(a)所示，在驱动用压电执行器断电即驱动机构不输出位移，以及两个右释放用压电执行器断电即输出轴右侧被箝位的情况下，给两个左释放用压电执行器通电，两个左箝位单元中的上、下刚性部便要分别向上、下侧运动，由于两个左箝位单元中的外刚性部被刚性连接于驱动机构中的左刚性部上，二者之间无相对运动，故两个左箝位单元中的箝位体便要向背离输出轴外圆柱面的方向运动，从而使输出轴左侧处于释放状态；

2) 如图3(b)所示，在两个左释放用压电执行器通电即输出轴左侧被释放，以及两个右释放用压电执行器断电即输出轴右侧被箝位的情况下，给驱动用压电执行器通电，由于驱动套筒中的左刚性部被约束住，故该执行器便要沿输出轴方向向右伸长，推动驱动机构向右运动，进而由右箝位机构带动输出轴向右输出一步位移；

3) 如图3(c)所示，在驱动用压电执行器通电即驱动机构推动右箝位机构进而带动输出轴输出位移，以及两个右释放用压电执行器断电即输出轴右侧被箝位的情况下，给两个左释放用压电执行器断电，这两个执行器便要沿输出轴方向复原，于是两个左箝位单元中的上、下刚性部在平行柔性薄板弹性恢复力的作用下便要恢复到原始位置，从而使两个左箝位单元中的箝位体在柔性薄板弹性恢复力的作用下恢复到原始位置，进而使输出轴左侧处于箝位状态；

4) 如图3(d)所示，在驱动用压电执行器通电即驱动机构推动右箝位机构进而带动输出轴输出位移，以及两个左释放用压电执行器断电即输出轴左侧被箝位的情况下，给两个右释放用压电执行器通电，两个右箝位单元中的上、下刚性部便要分别向上、下侧运动，由于两个右箝位单元中的外刚性部被刚性连接于驱动机构中的右刚性部上，二者之间无相对运动，故两个右箝位单元中的箝位体便要向背离输出轴外圆柱面的方向运动，从而使输出轴右侧处于释放状态；

5) 如图3(e)所示，在两个左释放用压电执行器断电即输出轴左侧被箝位，以及两个右释放用压电执行器通电即输出轴左侧被释放的情况下，给驱动用压电执行器断电，它便要沿输出轴方向向左恢复到原始位置，于是在驱动套筒中两个柔性薄板弹性恢复力的作用下，驱动机构便要带动右箝位机构沿输出轴方向向左恢复到原始位置；

6) 如图3(f)所示，在两个左释放用压电执行器断电即输出轴左侧被箝位，以及驱动机构及右箝位机构恢复到原始位置的情况下，给两个右释放用压电执行器断电，这两个执行器便要沿输出轴方向复原，于是两个右箝位单元中的上、下刚性部在平行柔性薄板弹性恢复力的作用下便要恢复到原始位置，从而使两个右箝位单元中的箝位体在柔性薄板弹性恢复力的作用下恢复到原始位置，进而使输出轴右侧处于箝位状态；

重复1)~6)，输出轴便连续向左输出直线位移；改变释放用压电执行器、驱动用压电执行器的通电顺序，便可使输出轴连续向右输出直线位移。

本说明书中所描述的具体实施实例仅仅是对本发明思想作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的思想或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种结构一体化式压电尺蠖直线电机，包括左箝位机构、右箝位机构、驱动机构和输出轴，驱动机构位于左钳位机构和右箝位机构之间，其特征在于：左箝位机构和右箝位机构分别具有各自的第一箝位体、第二箝位体和使第一箝位体和第二箝位体相向或反向运动的箝位驱动组件，输出轴装夹在第一箝位体和第二箝位体之间；驱动机构包含与左箝位机构一体的左刚性部，与右箝位机构一体的右刚性部，通过柔性薄板与右刚性部连接的中间刚性部，连接左刚性部与中间刚性部的预紧弹性部，连接右刚性部与中间刚性部的柔性薄板，驱动用压电执行器和驱动用压电执行器预紧螺钉；预紧弹性部和中间刚性部之间有装夹驱动用压电执行器的装夹位；输出轴一次贯穿左刚性部、驱动用压电执行器和右刚性部，左刚性部和中间刚性部之间设有预紧驱动用压电执行器的预紧螺钉，左箝位机构设有用于插入驱动用压电执行器预紧螺钉的空位。

2.如权利要求1所述的结构一体化式压电尺蠖直线电机，其特征在于：第一箝位体和第二箝位体分别由各自的刚性部分和柔性薄板组成，刚性部与柔性薄板的一端连为一体，两个柔性薄板在内，两个刚性部分在外，两个柔性薄板之间有间隙；柔性薄板的另一端与驱动机构连为一体；箝位驱动组件使第一箝位体和第二箝位体相向运动时，第一箝位体和第二箝位体夹紧固定输出轴；箝位驱动组件使第一箝位体和第二箝位体反向运动时，第一箝位体和第二箝位体松开输出轴。

3.如权利要求2所述的结构一体化式压电尺蠖直线电机，其特征在于：每个箝位体具有一个箝位驱动组件，两个箝位驱动组件对称设置，箝位驱动组件由放大单元和释放用压电执行器组成，释放用压电执行器沿高度方向输出位移，两个钳位体沿宽度方向输出位移。

4.如权利要求3所述的结构一体化式压电尺蠖直线电机，其特征在于：放大单元包含上刚性部，下刚性部，外刚性部，连接上刚性部与外刚性部的柔性薄板组，连接外刚性部和下刚性部的柔性薄板组，连接上刚性部与对应箝位体的柔性薄板组，和连接下刚性部与对应箝位体的柔性薄板组；上刚性部和下刚性部分别设有限制释放用压电执行器转动的定位组件，上刚性部与释放用压电执行器之间有垫块，外刚性部和箝位体位置关于箝位用压电执行器轴线对称，外刚性部和箝位体位于上、下刚性部之外。

5.如权利要求4所述的结构一体化式压电尺蠖直线电机，其特征在于：释放用压电执行器的安装位作为插入驱动用压电执行器预紧螺钉的空位。

6.如权利要求5所述的结构一体化式压电尺蠖直线电机，其特征在于：连接上刚性部与外刚性部的柔性薄板组和连接上刚性部与对应箝位体的柔性薄板组对称，连接外刚性部和下刚性部的柔性薄板组和连接下刚性部与对应箝位体的柔性薄板组对称，每个柔性薄板组的由一个柔性薄板组成或者由多个平行的柔性薄板组成。

7.如权利要求6所述的结构一体化式压电尺蠖直线电机，其特征在于：预紧弹性部由内侧柔性折叠梁和外侧柔性折叠梁组成，内侧柔性折叠梁连接左刚性部的内端和中间刚性部的内端，外侧柔性折叠梁连接左刚性部的外端和中间刚性部的外端。