LT6867B - Piezoelectric rotary-sliding motion drive - Google Patents

Piezoelectric rotary-sliding motion drive Download PDF

Info

Publication number
LT6867B
LT6867B LT2020033A LT2020033A LT6867B LT 6867 B LT6867 B LT 6867B LT 2020033 A LT2020033 A LT 2020033A LT 2020033 A LT2020033 A LT 2020033A LT 6867 B LT6867 B LT 6867B
Authority
LT
Lithuania
Prior art keywords
plates
rotor
piezoelectric
actuator
bending
Prior art date
Application number
LT2020033A
Other languages
Lithuanian (lt)
Other versions
LT2020033A (en
Inventor
Dalius MAŽEIKA
MAŽEIKA Dalius
Andrius ČEPONIS
ČEPONIS Andrius
Original Assignee
Vilniaus Gedimino technikos universitetas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vilniaus Gedimino technikos universitetas filed Critical Vilniaus Gedimino technikos universitetas
Priority to LT2020033A priority Critical patent/LT6867B/en
Publication of LT2020033A publication Critical patent/LT2020033A/en
Publication of LT6867B publication Critical patent/LT6867B/en

Links

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

The invention discloses a flat piezoelectric drive which generates a rotational or sliding movement of a rotor along an axis. The piezoelectric drive consists of four rectangular metal plates (1) tightly connected by trapezoidal beams (18). Four piezoceramic plates (2), polarized in the thickness direction, are glued to the flat top and bottom surfaces of each metal plate. A circular hole (21) is made at the point of junction of the trapezoidal beams, and a double-sided rotor (6, 7) is spring-loaded against the upper and lower surfaces of the hole, or a high-stiffness rod (14) is mounted perpendicularly, by which a slider (13) moves. The beams (18) acts as waveguides by transmitting and transforming the bending oscillations of piezoelectric bimorph plates into the rotational or sliding motion of the rotor or slider, respectively. The rotary or sliding type of motion can be obtained by using different modes of bending oscillations of the actuator, which is excited by harmonic or asymmetric waveform electrical signals. Three excitation schemes can be used to excite the rotational movement, and one scheme can be used for the sliding movement. Changing the phases of the excitation signals results a reverse motion of rotor or slider. The piezoelectric drive can be adapted for mounting on a printed circuit board or can be integrated in mechatronics devices where the mounting volume of the motor is limited.

Description

IŠRADIMO SRITISFIELD OF THE INVENTION

Išradimas priskiriamas elektro-mechaninių, mechatroninių sistemų ir robototechnikos sritims. Tai įrenginys, skirtas kurti didelio tikslumo daugiafunkcines, mažų gabaritų sukamojo ir slenkamojo judesio pavaras, įskaitant ir reversines ir gali būti taikoma tiksliose pozicionavimo sistemose, tokiose kaip tokiose kaip optinių lęšių, filtrų pozicionavimo ar lazerio spindulio nukreipimo sistemose.The invention belongs to the fields of electro-mechanical, mechatronic systems and robotics. It is a device designed to develop high-precision multifunctional, compact rotary and sliding actuators, including reversible, and can be used in precision positioning systems such as optical lenses, filter positioning or laser beam guidance systems.

TECHNIKOS LYGISBACKGROUND OF THE INVENTION

Sparčiai vystantis precizinėms pozicionavimo ar optikos sistemoms, mechatronikos komponentai turi užtikrinti aukštą pozicionavimo tikslumą ir užimti vis mažesnį tūrį bendroje sistemos konstrukcijoje. Šiuolaikiniai elektronikos komponentų gabaritai lengvai mažinami, todėl didžiąją pavaros tūrio dalį sudaro elektromagnetiniai varikliai ir pavaros, kurios paprastai montuojamos atskirai nuo elektroninių valdymo sistemų dėl santykinai didelių pavaros gabaritų, skleidžiamo elektromagnetinio triukšmo ar konstrukcinių ypatumų. Viena iš mokslinių tyrimų krypčių yra siejama su naujo tipo mažo tūrio, daugiafunkcinių pjezoelektrinių pavarų kūrimu, kuriose išėjimo grandies sukamasis ir slenkamasis judesys yra sukuriamas ne elektromagnetinio lauko, o statoriaus aukšto dažnio mechaninių virpesių pagalba. Tai leidžia supaprastinti pavaros konstrukciją, sumažinti mechatroninių sistemų gabaritus, elektromagnetinį triukšmą, padidinti įrenginių funkcionalumą ir kurti integruotas mechatronines sistemas.With the rapid development of precision positioning or optical systems, mechatronic components must provide high positioning accuracy and take up less and less volume in the overall design of the system. Modern electronic components are easily reduced, so most of the drive volume consists of electromagnetic motors and drives, which are usually installed separately from electronic control systems due to relatively large drive dimensions, electromagnetic noise or design features. One of the research directions is related to the development of a new type of small-volume, multifunctional piezoelectric actuators, in which the rotational and sliding motion of the output circuit is generated not by the electromagnetic field, but by high-frequency mechanical vibrations of the stator. This simplifies the design of the drive, reduces the dimensions of mechatronic systems, increases electromagnetic noise, increases the functionality of the devices and creates integrated mechatronic systems.

Žinoma pjezoelektrinė pavara, aprašyta patente CN101572505A (paskelbtame 2009 metais), kuri gali asinchroniškai sukurti sukamąjį ar slenkamąjį judesį, veikdama dvejuose skirtinguose režimuose. Kiekvienam veikimo režimui taikomi du skirtingi pavaros jungimo būdai. Pjezoelektrinę pavarą sudaro kvadratinė plokštelė su apvalia skyle centre, du pjezoelektriniai žiedai, pritvirtinti prie abiejų statoriaus pusių. Pjezoelektrinių žiedų elektrodai padalinti į keturias lygias dalis, o statoriaus apačioje yra keturios pleišto formos kontaktų zonos. Pavaros sukamasis judesys sukuriamas žadinant statoriuje bėgančios bangos tipo virpesius. Dėl trinties tarp statoriaus ir rotoriaus, sužadinti mechaniniai virpesiai sukuria rotoriaus sukamąjį judesį. Norint gauti slenkamąjį judesį, pavaros statoriuje žadinami stovinčios bangos tipo virpesiai, kurie perduodami į pleišto formos kontaktines zonas, kurios kontaktuodamos su išėjimo grandimi pastumia ją. Pjezoelektrinė pavara turi apribotą poslinkio diapazoną dėl slenkamajam judesiui gauti naudojamo veikimo principo, o sukamojo judesio dinaminės charakteristikos apribotos sąveikos tarp statoriaus ir rotoriaus ypatumais.A known piezoelectric actuator is described in CN101572505A (published in 2009) which is capable of asynchronously generating rotational or sliding motion in two different modes. There are two different gear connection methods for each operating mode. The piezoelectric drive consists of a square plate with a round hole in the center, two piezoelectric rings attached to both sides of the stator. The electrodes of the piezoelectric rings are divided into four equal parts, and there are four wedge-shaped contact zones at the bottom of the stator. The rotational motion of the drive is generated by excitation of the wave-type oscillations running in the stator. Due to the friction between the stator and the rotor, the excited mechanical vibrations create a rotational movement of the rotor. In order to obtain a sliding motion, stationary wave-type oscillations are excited in the drive stator, which are transmitted to wedge-shaped contact zones which, in contact with the output circuit, push it. The piezoelectric actuator has a limited range of displacement due to the principle of operation used to obtain the sliding motion, and the dynamic characteristics of the rotational motion are limited by the characteristics of the interaction between the stator and the rotor.

Patente CN104410324A (paskelbtame 2015 metais) aprašyta dviejų laisvės laipsnių pjezoelektrinė pavara, kurios vykdiklj sudaro bimorfinis žiedas su sriegiu centre. Pjezoelektrinių žiedų, pritvirtintų ant vykdiklio abiejų plokščių paviršių, išoriniai elektrodai padalinti į keturias lygias dalis. Vykdiklio centre įstatomas strypelis su išoriniu sriegiu, kuris kartu su vykdikliu sudaro srieginę pavarą. Vykdiklio žadinimui naudojamas keturių fazių elektrinių signalų generatorius, kurio gretimų įtampos signalų fazės skiriasi per π/2. Pavaros veikimo principas pagrįstas bėgančios bangos tipo virpesių žadinimu vykdiklio centre, kurie sukuria sukamuosius strypelio su sriegiu judesius. Dėka srieginio sujungimo tarp vykdiklio ir strypelio, gaunamas ir slenkamasis judesys. Slenkamojo judesio kryptis priklauso nuo bėgančios bangos sklidimo krypties. Pavara sukuria sinchronišką sukamąjį ir slenkamąjį judesį, kurio kryptį galima keisti keičiant žadinimo signalų fazių reikšmes per π. Dėl srieginio sujungimo tarp vykdiklio ir strypelio, slenkamasis ir sukamasis judesiai yra susiję tarpusavyje, kas apriboja tokios pavaros taikymo galimybes.U.S. Pat. The outer electrodes of the piezoelectric rings mounted on both surfaces of the actuator are divided into four equal parts. A rod with an external thread is inserted in the center of the actuator, which together with the actuator forms a threaded drive. A four-phase electrical signal generator is used to excite the actuator, the phases of adjacent voltage signals differ by π / 2. The principle of operation of the drive is based on the excitation of the traveling wave type oscillations in the center of the actuator, which create the rotational movements of the threaded rod. Thanks to the threaded connection between the actuator and the rod, a sliding movement is also obtained. The direction of the sliding motion depends on the direction of propagation of the traveling wave. The drive creates a synchronous rotational and sliding motion, the direction of which can be changed by changing the phase values of the excitation signals via π. Due to the threaded connection between the actuator and the rod, the sliding and rotating movements are interrelated, which limits the application of such a drive.

Patente JP2009219281A (paskelbtame 2009 metais) aprašytas dviejų laisvės laipsnių pjezoelektrinė pavara, kuri sukuria sukamąjį ir slenkamąjį išėjimo grandies judesį. Pavarą sudaro tuščiaviduris kubo arba aštuonkampio gretasienio formos vykdiklis su apvalia kiauryme centre. Ant vykdiklio išorinio paviršiaus pritvirtintos keturios arba daugiau pjezoelektrinės plokštelės, kurias paveikus elektriniais signalais, žadinami bėgančios arba stovinčios bangos tipo mechaniniai virpesiai. Išėjimo grandis - cilindras talpinamas vykdiklio centre esančioje skylėje. Vykdiklio skylėje sugeneruoti virpesiai perduodami išėjimo grandžiai, ko rezultate, sukuriamas slenkamasis arba sukamasis išėjimo grandies judesys. Judesio valdymui reikalingi šeši valdymo signalai, kurių dažniai ir fazės skiriasi. Dėl to sudėtingėja pavaros elektroninė valdymo konstrukcija. Taip pat prispaudimo jėga tarp vykdiklio ir išėjimo grandies negali būti reguliuojama dinamiškai, kas apriboja tokios pavaros dinamines charakteristikas.JP2009219281A (published 2009) describes a piezoelectric actuator with two degrees of freedom that produces rotational and sliding motion of the output circuit. The drive consists of a hollow cube or octagonal parallelepiped actuator with a round hole in the center. Four or more piezoelectric plates mounted on the outer surface of the actuator, which, when exposed to electrical signals, generate mechanical vibrations of the traveling or standing wave type. Output circuit - the cylinder is placed in a hole in the center of the actuator. The oscillations generated in the actuator hole are transmitted to the output circuit, resulting in a sliding or rotational motion of the output circuit. Motion control requires six control signals with different frequencies and phases. This complicates the electronic control design of the drive. Also, the clamping force between the actuator and the output circuit cannot be adjusted dynamically, which limits the dynamic characteristics of such a drive.

IŠRADIMO ESMĖSUMMARY OF THE INVENTION

Išradimo tikslas yra padidinti pjezoelektrinės pavaros dinamines charakteristikas, patikimumą, tikslumą bei praplėsti funkcines galimybes.The aim of the invention is to increase the dynamic characteristics, reliability, accuracy and expand the functionality of the piezoelectric drive.

Išradimo tikslas pasiekiamas tuo, kad pjezoelektrinėje pavaroje, susidedančioje iš plokščio tampraus lenkimo virpesių vykdiklio, kurį sudaro keturios bimorfinės pjezoelektrinės plokštelės, tampriai sujungtos trapecijos formos strypais j vientisą konstrukciją, ir žadinamo harmoniniu arba nesimetriniu elektriniu signalu, kontakto su rotoriumi zonoje, generuojami sukamieji virpesiai, kurie transformuojami į rotoriaus sukimąsi. Rotoriaus, o kartu ir veleno, sukimosi greitis bei pavaros dinaminės charakteristikos didinamos trapecinių strypų pagalba, kurie transformuoja bimorfinių plokštelių lenkimo virpesius į kontakto zonos sukamuosius judesius ir juos padidina, bei išpjovomis, išdėstytomis išilgai ir skersai plokštelių simetrijos ašių, kurios sumažina plokštelių standumą ir didina kontakto zonos virpesių amplitudes.The object of the invention is achieved in that a piezoelectric actuator consisting of a flat elastic bending oscillator consisting of four bimorph piezoelectric plates tightly connected by trapezoidal rods in a continuous structure and excited by a harmonic or asymmetric electric signal is excited which are transformed into rotor rotation. The rotational speed of the rotor, and thus the shaft, and the dynamic characteristics of the drive are increased by trapezoidal rods, which transform and increase the bending oscillations of the bimorph plates into contact zone rotations, and by notches vibrations amplitudes of the contact zone.

Siekiant padidinti rotoriaus sukimosi greitį, pjezoelektrinio vykdiklio pasyvusis sluoksnis gaminamas iš aukštos mechaninės kokybės standžios medžiagos, o strypų ilgis parenkamas kartotinis ketvirčiui strypo lenkimo virpesių bangos ilgio.To increase the rotor speed, the passive layer of the piezoelectric actuator is made of a high mechanical quality rigid material and the rod length is selected to be a quarter of the wavelength of the rod bending oscillations.

Pjezoelektrinės pavaros funkcinės galimybės praplečiamos ir jos patikimumas didinamas tuo, kad rotoriaus sukimasis gaunamas naudojant kelias skirtingas vykdiklio lenkimo virpesių formas ir dažnius, žadinant tuo pačiu keturių fazių harmoninių signalų, tarp kurių gretimų fazių skirtumas yra π/2, generatoriumi, tačiau skirtingomis žadinimo schemomis, kurios skiriasi tuo, kad bimorfinėje plokštelėje pjezoelektrinių elementų, išdėstytų eilėje arčiau centro, žadinimo signalo fazė perstumiama per π.The functionality of the piezoelectric actuator is extended and its reliability is enhanced by the rotor rotation using several different forms and frequencies of bending oscillations of the actuator, excited by the same generator of four-phase harmonic signals with π / 2 adjacent phases, but with different excitation schemes. which differ in that in the bimorph plate the phase of the excitation signal of the piezoelectric elements arranged in a row closer to the center is shifted by π.

Kai pjezoelektrinio bimorfinio vykdiklio elektrodai žadinami nesimetriniu elektriniu signalu, kurio dažnis artimas pjezoelektrinio vykdiklio lenkimo virpesių modai, tai rotorius yra sukamas žingsniniu režimu su neribota kampinio poslinkio eiga bei vieno mažiausio sugeneruoto žingsnio skyra.When the electrodes of a piezoelectric bimorph actuator are excited by an asymmetric electrical signal with a frequency close to the bending oscillation mode of the piezoelectric actuator, the rotor is rotated in stepless mode with unlimited angular displacement and one lowest generated step resolution.

Siekiant praplėsti pjezoelektrinės pavaros funkcines galimybes, vykdiklio centre statmenai vykdiklio plokštumai standžiai tvirtinamas didelio standumo strypas, ant kurio patalpinamas paspyruokliuotai prispaustas slankiklis, kuris juda išilgai strypo žingsniniu rėžimu, kai vykdiklio pjezoelektrinių elementų elektrodai sujungiami prie nesimetriniu signalų generatoriaus, kurio dažnis artimas plokštelių vienai iš lenkimo virpesių modų, taip, kad plokštelėse būtų sužadinami lenkimo statmenoje plokštumoje virpesiai.In order to extend the functionality of the piezoelectric drive, a high-stiffness rod is rigidly attached to the actuator center perpendicular to the plane of the actuator, on which a spring-loaded slider is placed. oscillation modes so that the oscillations in the perpendicular plane of bending are induced in the plates.

BRĖŽINIŲ APRAŠYMASDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Brėžinių paveikslai yra pateikti kaip nuoroda į galimą išradimo įgyvendinimą ir neturi riboti išradimo apimties. Nei vienas iš pateiktų brėžinių ir grafikų neturėtų būti laikomi ribojančiais, o tik kaip galimi išradimo įgyvendinimo pavyzdžiai.The drawings are provided as a reference to a possible embodiment of the invention and are not intended to limit the scope of the invention. None of the accompanying drawings and diagrams should be construed as limiting, but merely as exemplary embodiments of the invention.

Pav. 1 a,b Pjezoelektrinės pavaros, veikiančios sukimo režimu, principinė schema:Fig. 1 a, b Schematic diagram of piezoelectric drive:

(a) išskleistinis pjezoelektrinės pavaros, veikiančios sukimo režimu, vaizdas;(a) an exploded view of a rotary mode piezoelectric drive;

(b) pjezoelektrinės pavaros, dirbančios sukimo režimu, izometrinis vaizdas;(b) an isometric view of a piezoelectric drive;

Pav. 2 a,b Pjezoelektrinės pavaros, veikiančios slenkamuoju režimu, principinė schema:Fig. 2 a, b Schematic diagram of piezoelectric drive:

(a) išskleistinis pjezoelektrinės pavaros, veikiančios slenkamuoju režimu, vaizdas;(a) an exploded view of a piezoelectric actuator operating in a sliding mode;

(b) pjezoelektrinės pavaros, veikiančios slenkamuoju režimu, izometrinis vaizdas;(b) an isometric view of a piezoelectric actuator operating in a sliding mode;

Pav. 3 Pjezoelektrinių plokštelių poliarizacijos kryptys:Fig. 3 Directions of polarization of piezoelectric plates:

(a) - vaizdas iš viršaus;(a) - top view;

(b) - vaizdas iš apačios.(b) - bottom view.

Pav. 4 a,b Pjezoelektrinės pavaros, veikiančios sukamuoju režimu, žadinimo schema, kai žadinama statmena plokštumai (angį, out - of - plane) lenkimo virpesių moda:Fig. 4 a, b Excitation scheme for a piezoelectric actuator operating in an out-of-plane bending oscillation mode:

(a) - vaizdas iš viršaus;(a) - top view;

(b) - vaizdas iš apačios.(b) - bottom view.

Pav. 5 a,b Pjezoelektrinės pavaros, veikiančios sukamuoju režimu, žadinimo schema, kai žadinama lenkimo virpesių moda plokštumoje (angį, in - plane) harmoniniu signalu:Fig. 5 a, b Excitation scheme for rotary piezoelectric actuators excited by a harmonic signal in an in-plane bending oscillation mode:

(a) - vaizdas iš viršaus;(a) - top view;

(b) - vaizdas iš apačios.(b) - bottom view.

Pav. 6 a,b Pjezoelektrinės pavaros, veikiančios sukamuoju režimu, žadinimo schema, kai žadinama lenkimo virpesių moda plokštumoje (angį, in - plane) nesimetriniu signalu:Fig. 6 a, b Excitation scheme for rotary piezoelectric actuators excited by an asymmetrical signal in an in-plane bending oscillation mode:

(a) - vaizdas iš viršaus;(a) - top view;

(b) - vaizdas iš apačios.(b) - bottom view.

Pav. 7 a,b Pjezoelektrinės pavaros, veikiančios slenkamuoju režimu, žadinimo schema:Fig. 7 a, b Excitation scheme for piezoelectric actuator:

(a) - vaizdas iš viršaus;(a) - top view;

(b) - vaizdas iš apačios.(b) - bottom view.

Pav. 8 a,b,c,d Pjezoelektrinio vykdiklio lenkimo virpesių modos, naudojamos rotoriaus sukamajam judesiui gauti:Fig. 8 a, b, c, d Piezoelectric actuator bending oscillation modes used for rotor rotation:

(a) - lenkimo virpesių moda plokštumoje (angį, in - plane), kai naudojama žadinimo schema, parodyta 5 pav.;(a) - in - plane bending oscillation mode, using the excitation scheme shown in Figure 5;

(b) - lenkimo virpesių moda statmenoje plokštumoje (angį, out - of - plane), kai plokštelė lenkiasi skersinės simetrijos ašies atžvilgiu ir naudojama žadinimo schema, parodyta 4 pav.;(b) - the mode of bending oscillations in the perpendicular plane (angle, when the plate bends with respect to the axis of transverse symmetry and the excitation scheme shown in Figure 4 is used);

(c) - lenkimo virpesių moda (angį, out - of - plane), kai plokštelė lenkiasi išilginės simetrijos ašies atžvilgiu ir naudojama žadinimo schema, parodyta 4 pav.(c) - out-of-plane mode of bending, when the plate is bent with respect to the longitudinal axis of symmetry and the excitation scheme shown in Figure 4 is used.

Pav. 9 Pjezoelektrinio vykdiklio lenkimo virpesių moda, naudojama slankiklio slenkamajam judesiui gauti. Naudojama žadinimo schema 7 pav.Fig. 9 Piezoelectric actuator bending oscillation mode used to obtain the sliding motion of a slider. Excitation scheme used Figure 7.

BRĖŽINIAI - pažymėtų objektų aprašymas vykdiklio tampri plokštelė su išpjovomis (pjezoelektrinio vykdiklio pagrindas, statorius);DRAWINGS - description of marked objects actuator elastic plate with notches (piezoelectric actuator base, stator);

pjezoelektrinės plokštelės;piezoelectric plates;

pavaros tvirtinimo korpusas (spausdintinė plokštė);drive mounting housing (printed circuit board);

vykdiklio tvirtinimo vieta;actuator mounting location;

rotoriaus prispaudimo spyruoklė ;rotor compression spring;

ašis su pusiau sferiniu rotoriumi;axis with hemispherical rotor;

pusiau sferinis rotorius;hemispherical rotor;

rotoriaus prispaudimo spyruoklės fiksatorius;rotor compression spring retainer;

prispaudimo spyruoklės fiksatoriaus įtvirtinimo varžtai;compression spring retainer mounting bolts;

kontakto zona tarp piezoelektrinio vykdiklio kiaurymės ir rotoriaus;the contact zone between the hole of the piezoelectric actuator and the rotor;

pjezoelektrinis vykdiklis;piezoelectric actuator;

hyperelastinis tuščiaviduris cilindras;hyperelastic hollow cylinder;

viena slankiklio pusė;one side of the slider;

didelio standumo strypas;high stiffness rod;

piezoelektrinės plokštelės poliarizacijos kryptis, nukreipta nuo plokštumos;the direction of polarization of the piezoelectric plate directed away from the plane;

keturių fazių harmoninių signalų generatorius;four-phase harmonic signal generator;

dviejų fazių nesimetrinių signalų generatorius;a two-phase asymmetric signal generator;

tamprus trapecinis strypas;elastic trapezoidal rod;

stačiakampės išpjovos, tamprių plokštelių išilginės simetrijos ašyse;rectangular notches in the axes of longitudinal symmetry of the elastic plates;

stačiakampės išpjovos, tamprių plokštelių skersinės simetrijos ašyse;rectangular notches in the axes of transverse symmetry of the elastic plates;

apskritimo formos kiaurymė vykdiklio centre stačiakampės išpjovos trapeciniuose strypuose tamprus tvirtinimo strypascircular hole in the center of the actuator in trapezoidal bars of rectangular notch elastic mounting bar

DETALUS IŠRADIMO APRAŠYMASDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Čia ir toliau sukamojo - slenkamojo judesio pjezoelektrinė pavara aprašoma su nuorodomis į brėžinius, tačiau techninis pjezoelektrinės pavaros įgyvendinimas nėra ribojamas pateiktu būdu. Galimos įvairios įgyvendinimo būdo modifikacijos ir tobulinimai.Hereinafter, the rotary-sliding motion piezoelectric drive is described with reference to the drawings, but the technical implementation of the piezoelectric drive is not limited as shown. Various modifications and improvements to the implementation method are possible.

Detalus pavaros aprašymas. Sukamojo - slenkamojo judesio pjezoelektrinę pavarą (Pav.1) sudaro pjezoelektrinis vykdiklis (11), sudarytas iš keturių tamprių plokštelių (1), sujungtų tarpusavyje 90° kampu tampriais trapecijos formos strypais (18) į vientisą konstrukciją ir plonų pjezoelektrinių plokštelių (2), kurios poliarizuotos storio kryptimi ir priklijuotos prie tamprių plokštelių (1) viršutinio ir apatinio plokščio paviršiaus taip, kad viršutiniame ir apatiniame paviršiuose esančių pjezoelektrinių plokštelių (2) poliarizacijos kryptys (15) būtų priešingos (Pav.3). Siekiant sumažinti pjezoelektrinio vykdiklio (11) standumą ir padidinti kontakto zonos (10) virpesių amplitudes, kiekvienoje tamprioje plokštelėje (1), išilgai jos išilginės ir skersinės simetrijos ašies, suformuotos stačiakampio formos išpjovos (19, 20). Taip pat papildomai yra padarytos stačiakampės išpjovos (22) tampriuose trapeciniuose strypuose (18).Detailed drive description. The rotary-sliding piezoelectric actuator (Fig. 1) consists of a piezoelectric actuator (11) consisting of four resilient plates (1) connected by an elongated trapezoidal rod (18) at an angle of 90 ° to a single structure and thin piezoelectric plates which are polarized in the thickness direction and adhered to the upper and lower flat surfaces of the elastic plates (1) so that the polarization directions (15) of the piezoelectric plates (2) on the upper and lower surfaces are opposite (Fig.3). In order to reduce the stiffness of the piezoelectric actuator (11) and increase the oscillation amplitudes of the contact zone (10), a rectangular notch (19, 20) is formed in each elastic plate (1) along its longitudinal and transverse axis of symmetry. Additional rectangular cutouts (22) are also made in the elastic trapezoidal rods (18).

Vykdiklio (11) centre suformuota apvali kiaurymė (21), kurioje talpinamas didesnio nei kiaurymė (17) skersmens pirmasis pusiau sferinis rotorius (7) ir ašis su standžiai įtvirtintu tokio pat dydžio antruoju pusiau sferiniu rotoriumi (6). Abiejų rotorių (6) ir (7) sferiniai (ar kūginiai) paviršiai slystamai kontaktuoja su vykdiklio apvalios kiaurymės (21) briaunomis, tuo būdu sudarydami kontakto zoną (10) tarp vykdiklio ir rotoriaus. Pirmasis rotorius (7) ir ašis su antruoju rotoriumi (6) surenkami į vieną sistemą ir prispaudžiami prie kiaurymės (21) briaunų spyruokle (5), užmauta ant ašies (6) ir užfiksuota fiksatoriumi (8), kurio padėtis ant ašies užfiksuojama fiksatoriaus tvirtinimo varžtais (9), kurie tampriai prispaudžiami prie ašies ir dėl trinties jėgos tarp ašies ir varžto užfiksuoja fiksatoriaus (8) padėtį ant ašies. Rotoriaus pusių (6) ir (7) prispaudimo jėga gali būti keičiama, keičiant prispaudimo spyruoklės (5) fiksatoriaus (8) padėtį ant ašies. Pjezoelektrinė pavara standžiai tvirtinama korpuse (3) tam skirtose tvirtinimo vietose (4) per trumpus tvirtinimo strypelius (23), kurių ilgis parenkamas taip, kad izoliuotų virpesių sklidimą į korpusą.A round hole (21) is formed in the center of the actuator (11) to accommodate a first hemispherical rotor (7) having a diameter larger than the hole (17) and an axle with a rigidly mounted second hemispherical rotor (6) of the same size. The spherical (or conical) surfaces of both rotors (6) and (7) slip into contact with the edges of the round hole (21) of the actuator, thereby forming a contact area (10) between the actuator and the rotor. The first rotor (7) and the axle with the second rotor (6) are assembled in one system and pressed against the hole (21) by an edge spring (5) mounted on the axle (6) and locked by a lock (8), the position of which on the shaft is fixed by the fastener with bolts (9) which are pressed firmly against the axle and, due to the frictional force between the axle and the bolt, lock the position of the lock (8) on the axle. The clamping force of the rotor sides (6) and (7) can be varied by changing the position of the clamp spring (8) on the shaft. The piezoelectric actuator is rigidly mounted in the housing (3) at the appropriate mounting points (4) via short mounting rods (23), the length of which is chosen to isolate the propagation of vibrations into the housing.

Vykdiklio dalys (1, 18) gali būti gaminamos iš vientisos tamprios medžiagos, pavyzdžiui, plieno arba bronzos. Siekiant gauti maksimalias kontaktinės zonos (10) virpesių amplitudes ir padidinti pjezoelektrinės pavaros efektyvumą bei rotoriaus (6, 7) sukimosi greitį, gali būti keičiami išpjovų (19, 20, 22) ilgiai ir pločiai, o strypų (18) ilgis parenkamas kartotinis ketvirčiui strypo lenkimo virpesių bangos ilgio.The actuator parts (1, 18) can be made of a solid elastic material such as steel or bronze. In order to obtain the maximum oscillation amplitudes of the contact zone (10) and to increase the efficiency of the piezoelectric drive and the rotational speed of the rotor (6, 7), the lengths and widths of the notches (19, 20, 22) can be changed and the length of the rods (18) bending oscillation wavelength.

Siekiant praplėsti pjezoelektrinės pavaros funkcines galimybes (Pav. 2), pjezoelektrinio vykdiklio (11) centre kiaurymės (21) vietoje statmenai vykdiklio plokštumai standžiai tvirtinamas didelio standumo strypas (14), ant kurio slystamai patalpinamas slankiklis, susidedantis iš dviejų vienodų perpjautų pusiau cilindrų (13), kurie prispaudžiami prie strypo (14) cilindriniu vamzdeliu (12), pagamintu iš hyperelastinės medžiagos. Slankiklis (13) gali judėti išilgai standaus strypo (14) žingsniniu rėžimu, kai vykdiklio pjezoelektrinių plokštelių (2) elektrodai sujungiami prie nesimetrinių signalų generatoriaus (17), kurio generuojamo signalo dažnis artimas plokštelių (1) vienai iš lenkimo virpesių modų, taip, kad plokštelėse būtų sužadinami lenkimo statmenoje plokštumoje virpesiai (Pav.9).In order to extend the functionality of the piezoelectric actuator (Fig. 2), a high-stiffness rod (14) is rigidly fixed in the center of the piezoelectric actuator (11) at a hole perpendicular to the plane of the actuator, on which a slider consisting of two equally cut halves 13 ), which are pressed against the rod (14) by a cylindrical tube (12) made of hyperelastic material. The slider (13) can move along the rigid rod (14) in step mode when the electrodes of the actuator piezoelectric plates (2) are connected to an asymmetric signal generator (17) whose signal frequency is close to one of the bending oscillation modes of the plates (1) so that the plates would generate oscillations in a bending perpendicular plane (Fig.9).

Pavaros veikimo aprašymas. Aprašytoje pavaroje galimi keturi veikimo režimai (variantai). Trys rėžimai naudojami rotoriaus sukamojo judesio gavimu ir vienas variantas slankiklio slenkamojo judesiui išilgai standaus strypo gauti.Description of drive operation. There are four operating modes (variants) in the described drive. Three modes are used to obtain the rotational movement of the rotor and one option to obtain the sliding movement of the slider along the rigid rod.

veikimo variantas. Pirmą veikimo variantą iliustruoja Pav. 1, 5, 8a. Padavus į pjezoelektrinių elementų (2), suskirstytų į keturias grupes, elektrodus keturių fazių harmoninį elektrinį signalą, kurio fazių skirtumas π/2 (Pav.5), o dažnis lygus vykdiklio plokštelių vienai iš lenkimo plokštumoje virpesių formai (Pav. 8a), vykdiklyje sužadinami plokštelių (1) mechaniniai lenkimo plokštumoje virpesiai, kurie tamprių strypų (18) pagalba transformuojami į sukamuosius kiaurymės (21) judesius vykdiklio plokštumoje, kurie toliau perduodami dvipusiam rotoriui (6, 7). Sukamasis rotoriaus (6, 7) judesys formuojamas dėl trinties jėgos tarp rotoriaus paviršiaus ir vykdiklio (11) kontakto, kurio žiedinio paviršiaus visi taškai juda elipsinėmis trajektorijomis vykdiklio plokštumoje. Rotoriaus (6, 7) sukimosi kryptis keičiama į priešingą, kai į vykdiklio dviejų priešingų tamprių plokštelių (1) pjezoelektrinių elementų (2) elektrodus paduodamus elektrinius signalus, sukeičiame vietomis. Šis pjezoelektrinės pavaros veikimo variantas leidžia pasiekti didelį rotoriaus sukimosi greitį.operating variant. The first operating variant is illustrated in Figs. 1, 5, 8a. After applying to the electrodes of the piezoelectric elements (2), divided into four groups, a four-phase harmonic electrical signal with a phase difference π / 2 (Fig.5) and a frequency equal to one of the oscillations of the bending plane in the actuator (Fig. 8a) mechanical vibrations in the bending plane of the plates (1) are induced, which are transformed by means of elastic rods (18) into rotational movements of the hole (21) in the actuator plane, which are further transmitted to the double-sided rotor (6, 7). The rotational movement of the rotor (6, 7) is formed by the frictional force between the contact of the rotor surface and the actuator (11), all points of the annular surface of which move in elliptical trajectories in the plane of the actuator. The direction of rotation of the rotor (6, 7) is reversed when the electrical signals supplied to the electrodes of the piezoelectric elements (2) of the two opposite elastic plates (1) of the actuator are reversed. This variant of the piezoelectric drive allows a high rotor speed to be achieved.

veikimo variantas. Antrą veikimo variantą iliustruoja Pav. 1, 4, 8b, 8c. Padavus į pjezoelektrinių elementų (2), suskirstytų j keturias grupes, elektrodus keturių fazių harmoninį elektrinį signalą, kurio fazių skirtumas π/2 (Pav.4), o dažnis lygus vykdiklio plokštelių vienai iš lenkimo statmenoje plokštumoje virpesių formai (Pav. 8b, 8c), vykdiklyje sužadinami plokštelių (1) mechaniniai lenkimo statmenoje plokštumoje virpesiai, kurie tamprių strypų (18) pagalba transformuojami į erdvinius elipsinius vykdiklio kontaktinės zonos (10) taškų judesius, kurie kontaktuodami su rotoriumi dėl trinties jėgos suka rotorių (6, 7) apie vertikalią ašį. Rotoriaus (6, 7) sukimosi kryptis keičiama į priešingą, kai į vykdiklio dviejų priešingų tamprių plokštelių (1) pjezoelektrinių elementų (2) elektrodus paduodamus elektrinius signalus, sukeičiame vietomis. Šis pjezoelektrinės pavaros veikimo variantas leidžia pasiekti didelį rotoriaus sukimosi greitį ir momentą.operating variant. The second operating variant is illustrated in Figs. 1, 4, 8b, 8c. After applying to the electrodes of the piezoelectric elements (2), divided into four groups, a four-phase harmonic electrical signal with a phase difference π / 2 (Fig.4) and a frequency equal to the oscillation shape of one of the actuator plates in a bending perpendicular plane (Fig. 8b, 8c). ), the actuator induces mechanical oscillations of the plates (1) in a bending perpendicular plane, which are transformed into spatial elliptical movements of the points of the actuator contact zone (10) by means of elastic rods (18) which rotate the rotor (6, 7) about vertical. axis. The direction of rotation of the rotor (6, 7) is reversed when the electrical signals supplied to the electrodes of the piezoelectric elements (2) of the two opposite elastic plates (1) of the actuator are reversed. This version of the piezoelectric drive allows high rotor speed and torque to be achieved.

veikimo variantas. Trečią veikimo variantą iliustruoja Pav. 1, 6, 8a. Periodiniai nesimetriniai sukamieji kiaurymės (21) kontaktinės zonos virpesiai gaunami padavus iš signalų generatoriaus (17) j pjezoelektrinių elementų (2), suskirstytų į dvi grupes, elektrodus nesimetrinį dviejų priešingų fazių signalą (Pav. 6), kurio dažnis f artimas vykdiklio plokštelių lyginei lenkimo plokštumoje virpesių formai. Kadangi vykdiklis (11) slystamai ir paspyruokliuotai sujungtas su rotoriumi (6, 7) spyruokle (5), tai rotorius, nesimetrinių sukamųjų virpesių veikiamas, kryptingai sukasi žingsniniu režimu su neribota kampinio poslinkio eiga bei vieno mažiausio sugeneruoto žingsnio skyra. Rotoriaus (6, 7) sukimosi kryptis keičiama, sukeičiant nesimetrinio signalo fazes vietomis. Panaudojus šį veikimo variantą, gaunama aukšta rotoriaus sukamojo judesio skyra.operating variant. The third operating variant is illustrated in Figs. 1, 6, 8a. Periodic asymmetrical rotational oscillations in the contact zone of the hole (21) are obtained by applying from the signal generator (17) the electrodes of the piezoelectric elements (2) divided into two groups an asymmetric two opposite phase signal (Fig. 6) with a frequency f close to the even bending of the actuator plates. in the plane of the oscillation form. Since the actuator (11) is slidably and sprungly connected to the rotor (6, 7) by a spring (5), the rotor rotates in a directional step mode with unlimited angular travel and a resolution of one of the smallest generated steps. The direction of rotation of the rotor (6, 7) is changed by reversing the phases of the asymmetric signal. This operating variant results in a high rotor rotation resolution.

veikimo variantas. Ketvirtą veikimo variantą iliustruoja Pav. 2, 7, 9. Šis veikimo variantas leidžia panaudojus tą patį pjezoelektrinį vykdiklį (11) ir papildomai jo centre standžiai pritvirtinus didelio standumo strypą (14) su slankikliu (13), gauti slankiklio slenkamąjį judesį strypo (14) atžvilgiu. Pjezoelektrinių elementų (2) suskirstytų į dvi grupes, elektrodus padavus nesimetrinį dviejų fazių signalą (Pav. 7), kurio dažnis f artimas tamprios plokštelės (1) lenkimo statmenoje plokštumoje virpesių modai (Pav. 9.), o fazių skirtumas yra lygus π, didelio standumo strype (14) sužadinami nesimetriniai išilginiai virpesiai, kurie sukelia periodinius žingsninius slankiklio slenkamuosius judesius išilgai strypo (14) su vieno mažiausio sugeneruoto žingsnio skyra. Slankiklio (13) judesio kryptis keičiama, sukeičiant nesimetrinio signalo fazes vietomis. Panaudojus šį veikimo variantą, gaunama aukšta slankiklio (13) slenkamojo sukamojo judesio skyra.operating variant. The fourth operating variant is illustrated in Figs. 2, 7, 9. The piezoelectric elements (2) are divided into two groups by applying an asymmetric two-phase signal (Fig. 7) to the electrodes, the frequency f of which is close to the oscillation mode in the bending plane of the elastic plate (1) (Fig. 9) and the phase difference is π, asymmetric longitudinal oscillations are generated in the high stiffness rod (14), which cause periodic stepwise sliding movements of the slider along the rod (14) with a resolution of one of the smallest generated steps. The direction of movement of the slider (13) is changed by reversing the phases of the asymmetric signal. Using this variant of operation, a high resolution of the sliding rotational movement of the slider (13) is obtained.

Claims (6)

Pjezoelektrinė sukamojo – slenkamojo judesio pavara, apimanti - statorių iš keturių tamprių plokštelių (1), sujungtų tarpusavyje 90° kampu, o sujungimo centre suformuota apskritimo formos kiaurymė (21) su kontakto zona ir joje slystamai prispaustą dvipusį pusiau sferinį ar kūginį rotorių (6, 7) su spyruokline prispaudimo sistema (5, 8, 9) - prie plokštelių (1) plokščios dalies viršutinio ir apatinio paviršiaus priklijuotus pjezoelektrinius žadinimo elementus (2) - b e s i s k i r i a n t i tuo, kad tamprių plokštelių sujungimui naudojami keturi tamprūs trapecinės formos strypai (18), kurių vienas galas sujungtas su plokštelėmis (1), o kitu galu visi strypai sujungti tarpusavyje ir atlieka tamprių plokštelių (1) virpesių bangolaidžių funkciją transformuojant plokštelių lenkimo virpesius į rotorių (6, 7) sukamuosius judesius.A piezoelectric rotary-sliding actuator comprising a stator of four resilient plates (1) connected to each other at an angle of 90 ° and a circular hole (21) formed in the center of the connection with a contact zone and a rotating half-spherical half-spherical 7) with a spring clamping system (5, 8, 9) - piezoelectric excitation elements (2) glued to the upper and lower surface of the flat part of the plates (1) - characterized in that four elastic trapezoidal rods (18) are used to connect the elastic plates, in which one end is connected to the plates (1) and at the other end all the rods are connected to each other and perform the function of oscillating waveguides of the elastic plates (1) by transforming the bending oscillations of the plates into rotational movements of rotors (6, 7). Pavara pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad tamprių strypų (18) ilgis parenkamas kartotinis ketvirčiui strypo lenkimo virpesių bangos ilgio, o strypų lenkimo virpesių dažnis sutaptų su tamprių plokštelių lenkimo dažniu.The drive according to claim 1, characterized in that the length of the elastic rods (18) is selected to be a quarter of the wavelength of the bending oscillations of the rod, and the frequency of the bending oscillations of the rods coincides with the bending frequency of the elastic plates. Pavara pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad rotoriaus (6, 7) sukimui žadinti naudojamas keturių fazių elektrinis signalas su fazinėmis dedamosiomis tarp kurių skirtumas π/2, o dažnis lygus tamprios plokštelės (1) lenkimo formos plokštumoje arba lenkimo formos statmenoje vykdikliui (11) plokštumoje rezonansiniam dažniui, o rotoriaus (6, 7) sukimo kryptis keičiama pakeitus dviejų signalų, kurių fazių skirtumas π, fazes per π.Drive according to Claim 1, characterized in that a four-phase electrical signal with a phase difference of π / 2 is used to excite the rotation of the rotor (6, 7) and the frequency is equal to the bending plane of the resilient plate (1) or the bending perpendicular to the actuator (11). ) in the plane for the resonant frequency, and the direction of rotation of the rotor (6, 7) is changed by changing the phases of two signals with a phase difference π through π. Pavara pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad rotoriaus (6, 7) sukimą žadinti naudojami nesimetriniai signalai, paduodami į pjezoelektrinių elementų (2) elektrodus, kurių dažnis parenkamas artimas vienai iš plokštelių (1) lenkimo plokštumoje virpesių modai, taip, kad vykdiklyje būtų sužadinami lenkimo virpesiai.The drive according to claim 1, characterized in that asymmetric signals are applied to excite the rotation of the rotor (6, 7) to the electrodes of the piezoelectric elements (2), the frequency of which is selected close to one of the oscillation modes in the bending plane of the plates (1). bending oscillations are induced. Pavara pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad pjezoelektrinio vykdiklio (11) centre kiaurymės (21) vietoje statmenai vykdiklio plokštumai standžiai pritvirtinamas didelio standumo strypas (14) su slystamai prispaustu slankikliu (13) taip, kad slankiklis galėtų judėti išilgai strypo (14).Drive according to Claim 1, characterized in that a high-stiffness rod (14) with a slidably pressed slider (13) is fixed rigidly in the center of the hole (21) in the center of the piezoelectric actuator (11) so that the slider can move longitudinally. Pavara pagal 5 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad slankiklio judesiai išilgai strypo (14), yra gaunami generatoriaus (17) nesimetriniais signalais, paduodamais į pjezoelektrinių elementų (2) elektrodus, kurių dažnis parenkamas artimas plokštelių (1) vienai iš lenkimo statmenoje plokštumoje virpesių modai, taip, kad vykdiklyje (11) būtų sužadinami lenkimo virpesiai.The drive according to claim 5, characterized in that the movements of the slider along the rod (14) are obtained by asymmetric signals of the generator (17) applied to the electrodes of the piezoelectric elements (2) at a frequency close to one of the oscillations , so as to generate bending oscillations in the actuator (11).
LT2020033A 2020-09-09 2020-09-09 Piezoelectric rotary-sliding motion drive LT6867B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2020033A LT6867B (en) 2020-09-09 2020-09-09 Piezoelectric rotary-sliding motion drive

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2020033A LT6867B (en) 2020-09-09 2020-09-09 Piezoelectric rotary-sliding motion drive

Publications (2)

Publication Number Publication Date
LT2020033A LT2020033A (en) 2021-09-10
LT6867B true LT6867B (en) 2021-11-25

Family

ID=77614521

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LT2020033A LT6867B (en) 2020-09-09 2020-09-09 Piezoelectric rotary-sliding motion drive

Country Status (1)

Country Link
LT (1) LT6867B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
LT2020033A (en) 2021-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4912351A (en) Piezoelectric motor
US5136200A (en) Ultransonic motor
US5191688A (en) Method for producing a superior longitudinal vibrator
CN102177597B (en) Semi-resonant driving systems and methods thereof
US5073739A (en) Vibration-coupling type ultrasonic actuator and method for operating the same
JP2506170B2 (en) XY stage
KR930009211A (en) Ultrasonic motor
US11114954B2 (en) Ultrasonic motor having generators formed of cooperating and spaced apart first and second sub-generators
LT6867B (en) Piezoelectric rotary-sliding motion drive
KR101225008B1 (en) Piezoelectric vibrator of ultrasonic motor
EP3910401B1 (en) Optical beam intensity control system with piezoelectric actuator
CN112217415A (en) A frame-type three-degree-of-freedom piezoelectric resonance self-actuating mechanism and its excitation method
EP4531264A1 (en) High power piezoelectric motor and drive
CN102904480A (en) Sandwich type square frame ultrasonic motor vibrator
JP4901597B2 (en) Vibration type actuator
JPS62259485A (en) Piezoelectric driving apparatus
JPH06284754A (en) Vibrating motor
KR20240089136A (en) Mounting device for piezo motor elements
LT6807B (en) Piezoelectric rotary motion drive and mounting method thereof
JP2008312309A (en) Vibration type actuator
LT7113B (en) PIEZOELECTRIC TRANSDUCER FOR HIGH POWER SLIDING MOVEMENT ACTUATORS
LT6842B (en) Piezoelectric rotory-sliding motion drive
JPH04145880A (en) Ultrasonic motor
LT7104B (en) Inertial four-degree-of-freedom piezoelectric actuator
Mazeika et al. 2DOF LINEAR-ROTARY TYPE ULTRASONIC MOTOR

Legal Events

Date Code Title Description
BB1A Patent application published

Effective date: 20210910

FG9A Patent granted

Effective date: 20211125

MM9A Lapsed patents

Effective date: 20220909