一种步进式微型压电电机及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种步进式微型压电电机及其工作方法，电机包括定子、动子及底座，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；所述驱动足包括一组平行动子导轨布置的压电叠层和一组垂直于动子导轨布置的压电叠层，分别为定子驱动足提供平行于导轨方向和垂直于导轨方向的微幅振动，在一个运动周期内该驱动足在平行于导轨方向具有非对称位移输出特性；本发明专利技术步进式微型压电电机能够在较宽频域范围内分别容易实现纳米级和微米级的位移分辨率，同时兼具制作成本低、寿命长和断电自锁的优点。

Stepping type micro piezoelectric motor and working method thereof

The invention discloses a step type piezoelectric micro motor and its working methods, including motor stator, rotor and a base, wherein the rotor is connected to the base through the guide rail, the stator is arranged on the base and drive to the stator includes elastic pretightening mechanism, the pretightening force of elastic pretightening mechanism under the driving foot on the stator and rotor in the working cycle of the whole motor always maintain close contact; the driving foot includes a set of parallel moving guide arrangement of the piezoelectric stack and a set of moving guide rail arranged perpendicular to the piezoelectric stack, respectively stator drive foot provided parallel to the guide rail the direction and perpendicular to the direction of the guide rail vibration, in a motion cycle of the driving foot in the direction parallel to the guide rail has the output characteristics of asymmetric displacement; the invention step type piezoelectric micro motor can be respectively contained in a wide frequency range The utility model is easy to realize the nanometer and micron displacement resolution, and has the advantages of low manufacturing cost, long service life and self locking at the same time.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种步进式微型压电电机，属于压电精密致动

技术介绍
随着微/纳米技术的发展，众多工程
的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密作动器。但由于传统电磁电机需要减速装置，在微型化、高功重比的发展方向上很难突破。随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷(PZT)材料的出现使得压电精密作动器的研究得到了广泛关注，并在精密作动领域显示出了广泛的应用前景。直线步进式微型压电电机主要包括共振型超声电机和非共振型步进电机。共振型超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的共振，并将弹性体的微变形通过摩擦耦合转换成转子或动子的宏观运动。由于超声电机在共振状态下运行，致使其性能受环境影响较大，同时对定子的加工精度要求较高。非共振型步进电机是利用压电叠层的精确位移输出特性，结合惯性冲击原理或者尺蠖原理，能够实现运动件连续、精密的步进运动。与共振式步进式微型压电电机相比，非共振状态具有较宽的工作频带，对周围环境的抗干扰性强；且对电机定子的尺寸和加工精度要求不太高，易于保证电机运行的平稳性。但是惯性冲击型和尺蠖原理非共振直线电机对驱动控制信号要求较为苛刻、驱动力很小。现有的非共振摩擦驱动原理型直线电机在保证大行程的同时，并没有很好地解决高分辨率的难题，目前该类型电机的分辨率通常为微米级。现有的非共振摩擦驱动型电机两压电叠层的位移输出具有耦合性，电机定子驱动足在垂直于导轨方向和平行于导轨方向的位移输出特性往往与两个压电叠层都相关，因此不容易独立控制电机定子在两个方向的位移输出性能。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提出一种步进式微型压电电机，能够在较宽频域范围内分别容易实现纳米级和微米级的位移分辨率，同时兼具制作成本低、寿命长和断电自锁的优点。为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下具体的技术方案：一种步进式微型压电电机，所述电机包括定子、动子及底座，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定板、一组平行动子导轨布置的横向压电叠层和一组垂直于动子导轨布置的纵向压电叠层，所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的一侧通过横向压电叠层与纵向振动框连接、另一侧通过预紧弹簧与纵向振动框连接；所述固定板平行设置在所述纵向振动框的下方，固定板和纵向振动框之间通过所述纵向压电叠层连接。所述弹性预紧机构包括：支座以及两片预压板簧，其中，支座与底座固定连接，支座上设有沿垂直导轨方向布置的通槽，驱动足设置在所述通槽内，支座上位于通槽的上、下两端分别设有一片所述预压板簧，在上、下两片预压板簧的弹力下，定子上的驱动足和动子保持紧密接触。每片所述预压板簧包括：环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接，环形框架上设有与支座固定连接的圆孔，方板上设有与驱动足固定连接的通孔。所述支座上位于通槽的两侧分别设有与底座相固定以及导向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下两端分别设有用于与两片预压板簧固定连接的螺纹孔。所述横向振动块在垂直导轨方向上通过两个平行布置的悬臂柔性梁与纵向振动框连接。所述横向压电叠层和纵向振动框之间设有平行于导轨方向安装的导向块，在纵向振动框的外部设置有用于调节所述横向压电叠层与纵向振动框之间松紧度的预紧螺栓。所述导向块在垂直导轨方向上通过柔性铰链与纵向振动框柔性连接，所述固定板与纵向振动框之间位于所述纵向压电叠层的两侧对称布置有预紧弹簧，垂直于导轨布置的纵向压电叠层通过预紧弹簧结构的预变形与纵向振动框压紧连接。所述的步进式微型压电电机的工作方法，用非对称的周期信号分别激励平行于导轨方向布置的横向压电叠层和垂直于导轨方向布置的纵向压电叠层，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，上述非对称的位移输出使得在驱动阶段和回程阶段，电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。包括正向差动摩擦驱动过程和反向差动摩擦驱动过程：其中，在一个作动周期T内，电机的动作时序如下：正向差动摩擦驱动过程：驱动阶段，在0～大于1/2T，用非对称周期信号激励纵向压电叠层，纵向压电叠层的激励电压为最大值，纵向压电叠层迅速伸长，电机定子和动子之间的接触正压力最大；同时用三角波信号激励横向压电叠层，此时三角波处于升坡阶段，因此位于横向振动块一侧的横向压电叠层缓慢持续伸长，并通过定子和动子接触面的摩擦力带动动子向右运动，产生的位移为Δx1；回程阶段：在剩余的小于1/2T～T，纵向压电叠层的激励电压为最小值，相对于驱动阶段大幅下降，纵向压电叠层迅速收缩直至初始状态，此时电机定子和动子之间的接触正压力最小；同时用三角波信号激励横向压电叠层，此时三角波信号处于降坡阶段，因此横向压电叠层快速持续收缩，由于定子和动子间存在初始正压力，所以在摩擦的作用下定子带动动子向左运动，产生位移为Δx2；综上，虽然横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，并且，驱动阶段定子和动子的接触时间更长，所以Δx1>Δx2，从而动子在整体上实现向右的差动位移Δx；反向差动摩擦驱动过程：反过来，如果在驱动阶段，纵向压电叠层的激励电压为最小值，在回程阶段，纵向压电叠层的激励电压为最大值，并且驱动阶段时间小于回程阶段时间，其他条件不变，则能够实现整个运动周期内动子沿反向有一差动位移Δx。本专利技术一种步进式微型压电电机及其工作方法相对于现有超声电机而言，具有的有益效果是：本专利技术定子上的所述驱动足包括一组横向布置的压电叠层和一组纵向布置的压电叠层，分别为定子驱动足提供平行于导轨方向和垂直于导轨方向的微幅振动，该驱动足在平行于导轨方向具有非对称结构和非对称位移输出特性；所述驱动足采用了横向振动块和纵向振动框结构，这能够保证平行于导轨方向的位移输出与垂直于导轨方向的位移输出具有解耦特性，有利于独立控制两个方向的压电元件的位移输出；本专利技术用周期信号激励平行于导轨方向的横向压电叠层，用非对称的周期信号激励垂直于导轨方向的纵向压电叠层，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，上述非对称的位移输出特性使得在推程阶段和回程阶段电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。由于该电机在0～1KHz频率范围内具有明显不同的差动摩擦特性，所以当驱动频率从低频到高频变化时，该类电机的定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。因此，本专利技术相对于超声电机而言，具有非共振、宽频域的特点，能够在较宽频域范围内分别容易实现纳米级和微米级的位移分辨率，同时兼具制作成本低、寿命长和断电自锁的优点。附图说明图1是本专利技术所述的步进式微型压电电机立体结构示意图；图2是本专利技术所述的步进式微型压电电机定子结构示意图；图3是本专利技术所述的步进式微型压电电机定子驱动足结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步进式微型压电电机，所述电机包括定子、动子及底座，其特征在于，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定板、一组平行动子导轨布置的横向压电叠层和一组垂直于动子导轨布置的纵向压电叠层，所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的一侧通过横向压电叠层与纵向振动框连接、另一侧通过预紧弹簧与纵向振动框连接；所述固定板平行设置在所述纵向振动框的下方，固定板和纵向振动框之间通过所述纵向压电叠层连接；在一个运动周期内，通过非对称的周期信号激励所述横向压电叠层和所述纵向压电叠层，实现驱动足在平行于导轨方向上非对称的位移输出。

【技术特征摘要】
1.一种步进式微型压电电机，所述电机包括定子、动子及底座，其特征在于，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定板、一组平行动子导轨布置的横向压电叠层和一组垂直于动子导轨布置的纵向压电叠层，所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的一侧通过横向压电叠层与纵向振动框连接、另一侧通过预紧弹簧与纵向振动框连接；所述固定板平行设置在所述纵向振动框的下方，固定板和纵向振动框之间通过所述纵向压电叠层连接；在一个运动周期内，通过非对称的周期信号激励所述横向压电叠层和所述纵向压电叠层，实现驱动足在平行于导轨方向上非对称的位移输出。2.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机，其特征在于，所述弹性预紧机构包括：支座以及两片预压板簧，其中，支座与底座固定连接，支座上设有沿垂直导轨方向布置的通槽，驱动足设置在所述通槽内，支座上位于通槽的上、下两端分别设有一片所述预压板簧，在上、下两片预压板簧的弹力下，定子上的驱动足和动子保持紧密接触。3.根据权利要求2所述的步进式微型压电电机，其特征在于，每片所述预压板簧包括：环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接，环形框架上设有与支座固定连接的圆孔，方板上设有与驱动足固定连接的通孔。4.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机，其特征在于，所述支座上位于通槽的两侧分别设有与底座相固定以及导向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下两端分别设有用于与两片预压板簧固定连接的螺纹孔。5.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机，其特征在于，所述横向振动块在垂直导轨方向上通过两个平行布置的悬臂柔性梁与纵向振动框连接。6.根据权利要求1所述的步进式微型压电电机，其特征在于，所述横向压电叠层和纵向振动框之间设有平行于导轨方向安装的导向块，在纵向振动框的外部设置有用于调节所述横向压电叠层与纵向振动框之间松紧度的预紧螺栓。7.根据权利要求6所述的步进式微型压电电机，其特征在于，所述导向块在垂直导轨方向上通过柔性铰链与纵向振动框柔性连接，8.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈西府，李明，卢倩，王正刚，周海，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32