CN212367156U

CN212367156U - 一种压电尺蠖直线电机

Info

Publication number: CN212367156U
Application number: CN202020746004.5U
Authority: CN
Inventors: 应志奇
Original assignee: Ningbo Aux Electric Co Ltd; Ningbo Aux Intelligent Commercial Air Conditioning Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Aux Air Conditioning Co Ltd; Ningbo Aux Electric Co Ltd
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2030-05-08

Abstract

本实用新型提供了一种压电尺蠖直线电机，包括运动轴，所述运动轴安装在固定套筒、驱动单元、钳位单元和柔性端盖的中心孔中，所述固定套筒的两端设置有左右两个钳位单元和左右两个柔性端盖，两个驱动单元分别设置在所述固定套筒的左右空腔内。整个直线电机均由回转类零件构成，体积小；且电机整体未采用螺钉类连接零件，使电机更加紧凑，同时可以降低电机零部件的加工精度，而且因为压电尺蠖直线电机包括两个驱动单元，因此一个时间周期内可以实现两步位移。

Description

一种压电尺蠖直线电机

技术领域

本实用新型涉及于纳米定位技术领域，具体而言，涉及一种压电尺蠖直线电机。

背景技术

压电尺蠖直线电机是一种既能实现毫米及厘米级大行程、又能实现纳米级高分辨率的精密位移驱动器。它基于仿生学中的尺蠖爬行原理，将压电执行器的微小位移不断累加，从而成为连续的大行程位移。相对于电磁式直线电机，压电尺蠖直线电机具有无磁场、易于控制、不存在端部效应及推力波动等优点；相对于超声谐振式、惯性驱动式等压电直线电机，具有输出力大、功率密度大、定位稳定、无摩擦磨损等优点。因此，在某些需要大行程、高分辨率的精密定位领域，压电尺蠖直线电机更具有优势。

目前的压电尺蠖直线电机还存在以下不足：一个周期只能实现单步位移；定心导向结构不能使运动轴始终保持直线运动。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种压电尺蠖直线电机，包括运动轴，所述运动轴安装在固定套筒、驱动单元、钳位单元和柔性端盖的中心孔中，所述固定套筒的两端设置有左右两个钳位单元和左右两个柔性端盖，两个驱动单元分别设置在所述固定套筒的左右空腔内。

整个直线电机均由回转类零件构成，体积小；且电机整体未采用螺钉类连接零件，使电机更加紧凑，同时可以降低电机零部件的加工精度，而且因为压电尺蠖直线电机包括两个驱动单元，因此一个时间周期内可以实现两步位移。

进一步地，所述固定套筒包括环形壳体，固定挡板设置在环形壳体轴向长度的中间位置，所述固定挡板的中心设置有中心孔，用于使所述运动轴穿过；所述环形壳体内壁设置有内定位块，所述环形壳体的端面设置有外定位块。

进一步地，所述内定位块与所述驱动单元的第二定位凹槽相配合。

进一步地，所述外定位块与所述钳位单元的第一定位凹槽、所述柔性端盖的第三定位凹槽同时配合。

通过定位块和定位凹槽的配合，使得运动轴始终能够保持直线运动。

进一步地，所述驱动单元包括驱动用压电执行器、环形凸孔、第二定位凹槽、定位板；所述定位板的一侧设置有环形凸孔，所述驱动用压电执行器设置在所述环形凸孔内部；第二定位凹槽设置在所述定位板的圆周边缘。

进一步地，所述驱动用压电执行器为间隙套设于运动轴的管状件。

进一步地，所述钳位单元包含释放用压电执行器、刚性环，第一定位凹槽、钳位体、支撑体、杠杆放大结构；两个杠杆放大结构相对于运动轴中心对称，杠杆放大结构的一端与刚性环的内壁固定连接，一端为半圆结构，两个杠杆放大结构的半圆结构相对设置形成钳位体，用于对运动轴进行钳位及释放；两个支撑体与刚性环的内壁固定连接；支撑体与杠杆放大结构之间设置有释放用压电执行器；第一定位凹槽设置在刚性环的圆周边缘。

由于钳位单元采用杠杆放大结构，具有位移放大作用，可将释放用压电执行器沿轴向的位移放大为钳位单元沿钳位的位移，且输出位移稳定性好，这就使得钳位单元可非常容易地对运动进行释放或钳位，从而降低构成直线电机零部件的加工和装配精度。

进一步地，所述柔性端盖包括运动端盖和固定端盖，所述运动端盖和固定端盖通过柔性折叠梁连接，第三定位凹槽设置在运动端盖的圆周边缘；所述运动端盖和固定端盖中间设置有中心孔，用于使运动轴穿过；

进一步地，所述柔性折叠梁延圆周均匀分布。

柔性端盖实现定心运动，柔性折叠梁可以依靠弹性变形来带动电机的运动，且具有一定的定位导向作用，防止运动端盖在运动过程中发生偏斜，进而保证直线运动。

进一步地，所述固定端盖上设置有定位孔。

通过定位孔，可以将电机与其它零件连接。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实施例中的压电尺蠖直线电机的结构示意图；

图2为图1的分解示意图；

图3为本实施例中的固定套筒的结构示意图；

图4为本实施例中的固定套筒延中心线的剖视图；

图5为本实施例中的驱动单元的结构示意图；

图6为本实施例中的钳位单元的结构示意图一；

图7为本实施例中的钳位单元的结构示意图二；

图8为本实施例中的柔性端盖的结构示意图；

图9为本实施例中的运动轴的结构示意图；

图10a为右钳位单元的电压作用时序图；

图10b为左右驱动单元的电压作用时序图；

图10c为左钳位单元的电压作用时序图。

附图标记说明：

1-钳位单元；11-释放用压电执行器；12-刚性环；13-第一定位凹槽；14- 钳位体；15-支撑体；16-杠杆放大结构；2-驱动单元；21-驱动用压电执行器； 22-环形凸孔；23-第二定位凹槽；24-定位板；3-固定套筒；31-内定位块； 32-外定位块；33-固定挡板；34-环形壳体；4-柔性端盖；41-中心孔；42- 运动端盖；43-第三定位凹槽；44-柔性折叠梁；45-固定端盖；46-定位孔； 5-运动轴。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

如图1-2所示，一种压电尺蠖直线电机，包括运动轴5，运动轴5安装在固定套筒3、驱动单元2、钳位单元1和柔性端盖4的中心孔中，固定套筒的两端设置有左右两个钳位单元1和左右两个柔性端盖4，两个驱动单元2 分别设置在固定套筒3的左右空腔内。

如图3-4所示，固定套筒3包括环形壳体34，固定挡板33设置在环形壳体34轴向长度的中间位置，固定挡板33的中心设置有中心孔，用于使运动轴5穿过；环形壳体34内壁设置有内定位块31，环形壳体34的端面设置有外定位块32，内定位块31和外定位块32相对于固定挡板33对称，内定位块31和外定位块32延圆周均匀分布。

内定位块31主要是同驱动单元2的第二定位凹槽23相配合；外定位块 32主要是同钳位单元1的第一定位凹槽13与柔性端盖4的第三定位凹槽43 同时配合；固定挡板33主要是用来同驱动用压电执行器21相配合，用于支撑环形驱动用压电执行器21。

如图5所示，驱动单元2包括驱动用压电执行器21、环形凸孔22、第二定位凹槽23、定位板24；定位板24的一侧设置有环形凸孔22，驱动用压电执行器21设置在环形凸孔22内部，运动轴5穿设在定位板24、环形凸孔22 和驱动用压电执行器21的中心孔中；第二定位凹槽23设置在定位板24的圆周边缘，并延圆周均匀分布。

环形凸孔22用于对驱动用压电执行器21进行定位，并可实现对其进行预紧；第二定位凹槽23同固定套筒3的内定位块31相配合，保证在环形驱动用压电执行器21通电伸长时，驱动单元2也能保证直线运动，进而带动钳位单元1直线运动，最终带动运动轴5实现直线运动。

如图6-7所示，钳位单元1包含释放用压电执行器11、刚性环12，第一定位凹槽13、钳位体14、支撑体15、杠杆放大结构16；两个杠杆放大结构 16相对于运动轴5中心对称，杠杆放大结构16的一端与刚性环12的内壁固定连接，一端为半圆结构，两个杠杆放大结构16的半圆结构相对设置形成钳位体14，用于对运动轴5进行钳位及释放；两个支撑体15与刚性环12的内壁固定连接；支撑体15与杠杆放大结构16之间设置有释放用压电执行器11；第一定位凹槽13设置在刚性环12的圆周边缘，并延圆周均匀分布。

在释放用压电执行器11断电状态下，运动轴5将被钳位体14夹紧而不能输出位移，直线电机实现自锁(即断电钳位)，当释放用压电执行器11通电伸长时，杠杆放大结构16被释放用压电执行器11撑开，从而使钳位体14 的两个半圆结构撑开，从而释放运动轴5。

杠杆放大结构16不仅能实现钳位单元1输出位移的放大功能，同时也能保证输出位移的平稳性；而第一定位凹槽13同固定套筒3的外定位块32相配合，从而保证钳位单元1的直线运动。

如图8所示，柔性端盖4包括运动端盖42和固定端盖45，运动端盖42 和固定端盖45通过柔性折叠梁44连接，柔性折叠梁44延圆周均匀分布；第三定位凹槽43设置在运动端盖42的圆周边缘，并延圆周均匀分布；运动端盖42和固定端盖45中间设置有中心孔41，用于使运动轴5穿过；固定端盖 45上设置有定位孔46，用于与其它结构连接。

第三定位凹槽43同固定套筒3的外定位块32相配合，保证运动端盖42 能够保持直线运动；柔性折叠梁44可以通过变形实现运动端盖42的直线运动；固定端盖45主要是为了支撑电机机体。

驱动用压电执行器21为环形压电执行器，压电执行器由多层压电材料叠堆组成，通电之后向两侧同时伸长，但是由于固定套筒3的中间有带中心孔的固定挡板33，相当于压电执行器的一端被约束住了，所以压电执行器的全部伸长都将向另外一端，即无固定挡板一端，因此体现为单侧伸长。

当驱动用压电执行器21通电伸长时，驱动单元2以及钳位单元1会发生运动，进而带动柔性端盖4的运动端盖42运动，而由于柔性端盖4的固定端盖45已经被固定住，所以柔性折叠梁44会发生弹性变形，当驱动用压电执行器21断电后，柔性折叠梁44会恢复原状，进而使运动端盖42复位，驱动单元2以及钳位单元1也会复位。

本实用新型的工作原理如下：

通过固定端盖其上的4个定位孔将电机固定，在一个运动周期T内运动轴向左直线运动的实现过程如下：

步骤S1、在驱动用压电执行器断电，以及左释放用压电执行器断电即运动轴左侧被钳位的情况下，给右钳位单元的释放用压电执行器通电(电压作用时序如图10a)，从而使运动轴右侧处于释放状态；

步骤S2、给左、右驱动用压电执行器同时通电(电压作用时序如图10b)，右驱动单元向右空直线运动，左驱动单元向左直线运动，带动左钳位单元向左直线运动，进而带动运动轴向左直线运动；

步骤S3、给右钳位单元的释放用压电执行器断电(电压作用时序如图10a)，从而使运动轴右侧处于钳位状态；

步骤S4、给左钳位单元的释放用压电执行器通电(电压作用时序如图 10c)，从而使运动轴左侧处于释放状态；

步骤S5、给左、右驱动用压电执行器同时断电(电压作用时序如图10b)，故该左、右驱动单元复位直线运动，于是左驱动单元向右空直线运动，右驱动单元带动右钳位单元向左直线运动，进而再带动运动轴向左直线运动；

步骤S6、给左钳位单元的释放用压电执行器断电(电压作用时序如图 10c)，从而使运动轴左侧处于钳位状态；

一个压电时序周期T内直线电机可以实现两步运动，重复步骤S1-步骤 S6，运动轴便可连续向左直线运动；改变释放用压电执行器、驱动用压电执行器的通电顺序，便可使运动轴连续向右直线运动。

上述的压电尺蠖直线电机具备以下有益效果：

1)整个直线电机均由回转类零件构成，体积小；且电机整体未采用螺钉类连接零件，使电机更加紧凑，同时可以降低电机零部件的加工精度；

2)由于钳位机构采用杠杆放大结构，具有位移放大作用，可将释放用压电执行器沿轴向的位移放大为钳位机构沿钳位的位移，且输出位移稳定性好，这就使得钳位机构可非常容易地对运动进行释放或钳位，从而降低构成直线电机零部件的加工和装配精度；

3)一个压电时序周期内直线电机可以实现两步运动；

4)当不给释放用压电执行器通电时，运动轴将被钳位机构夹紧而不能输出位移，直线电机实现自锁(即断电钳位)。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，包括运动轴(5)，所述运动轴(5)安装在固定套筒(3)、驱动单元(2)、钳位单元(1)和柔性端盖(4)的中心孔中，所述固定套筒(3)的两端设置有左右两个钳位单元(1)和左右两个柔性端盖(4)，两个驱动单元(2)分别设置在所述固定套筒(3)的左右空腔内。

2.根据权利要求1所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述固定套筒(3)包括环形壳体(34)，固定挡板(33)设置在环形壳体(34)轴向长度的中间位置，所述固定挡板(33)的中心设置有中心孔，用于使所述运动轴(5)穿过；所述环形壳体(34)内壁设置有内定位块(31)，所述环形壳体(34)的端面设置有外定位块(32)。

3.根据权利要求2所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述内定位块(31)与所述驱动单元(2)的第二定位凹槽(23)相配合。

4.根据权利要求2所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述外定位块(32)与所述钳位单元(1)的第一定位凹槽(13)、所述柔性端盖(4)的第三定位凹槽(43)同时配合。

5.根据权利要求1所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述驱动单元(2)包括驱动用压电执行器(21)、环形凸孔(22)、第二定位凹槽(23)、定位板(24)；所述定位板(24)的一侧设置有环形凸孔(22)，所述驱动用压电执行器(21)设置在所述环形凸孔(22)内部；第二定位凹槽(23)设置在所述定位板(24)的圆周边缘。

6.根据权利要求5所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述驱动用压电执行器(21)为间隙套设于运动轴(5)的管状件。

7.根据权利要求1所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述钳位单元(1)包含释放用压电执行器(11)、刚性环(12)，第一定位凹槽(13)、钳位体(14)、支撑体(15)、杠杆放大结构(16)；两个杠杆放大结构(16)相对于运动轴(5)中心对称，杠杆放大结构(16)的一端与刚性环(12)的内壁固定连接，一端为半圆结构，两个杠杆放大结构(16)的半圆结构相对设置形成钳位体(14)，用于对运动轴(5)进行钳位及释放；两个支撑体(15)与刚性环(12)的内壁固定连接；支撑体(15)与杠杆放大结构(16) 之间设置有释放用压电执行器(11)；第一定位凹槽(13)设置在刚性环(12)的圆周边缘。

8.根据权利要求1所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述柔性端盖(4)包括运动端盖(42)和固定端盖(45)，所述运动端盖(42)和固定端盖(45)通过柔性折叠梁(44)连接，第三定位凹槽(43)设置在运动端盖(42)的圆周边缘；所述运动端盖(42)和固定端盖(45)中间设置有中心孔(41)，用于使运动轴(5)穿过。

9.根据权利要求8所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述柔性折叠梁(44)延圆周均匀分布。

10.根据权利要求8所述的一种压电尺蠖直线电机，其特征在于，所述固定端盖(45)上设置有定位孔(46)。