專利名稱：慣性式壓電直線電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用慣性力和摩擦力實現直線運動的壓電型直線電機，屬于精密機械傳動技術領域。
背景技術：
隨著以機器人為代表機械裝置的迅速發展，精密機械不斷向高精度，高響應速度方向發展。傳統的直線電機主要由線圈驅動，這種方式存在著許多不足，如體積大、機構復雜、精度不高、響應速度低等，不能適應現代精密機械的需求。近年來，壓電材料以其響應速度快、輸出力大、線性度好、不受電磁干擾等優點，得到了國內外廣泛的研究和應用。利用壓電材料特性制作超聲波直線電機更是早有研究，但是，目前研究制作的壓電直線超聲波電機多采用貼裝多個壓電陶瓷片，為其通電后獲得需要的相應振動，再將這一振動以各自的方式為電機的直線位移提供輸出力，從而實現了壓電超聲波電機的直線運動。這些研究發揮了壓電陶瓷的優點，克服了線圈式直線電機體積大、易受電磁干擾、響應慢等缺點。但是，這種壓電直線電機在輸出力、位移量、和結構上都存在一定的局限性，需做進一步的研究開發。將壓電陶瓷片以某種疊裝方式制作的壓電疊堆，不僅保持了壓電陶瓷原有的特性和優點，而且它的位移量和輸出力等都較壓電陶瓷片有較大的提高。如何充分利用它，也是目前關注的焦點。壓電疊堆的輸出力較大，但是位移量多集中于幾微米到幾十微米之間，仍然有待進一步提聞。目如，國內外研究機構研究了各種位移放大機構，如機械杠桿放大、液壓放大等。國內研究得較多的是柔性鉸鏈位移放大機構。但這些研究過于復雜，并且在實現位移放大的同時，極大地減小了驅動器的輸出力，無法充分發揮出壓電材料優異的驅動性能。利用三角形位移放大方式不僅保持了壓電疊堆很大的輸出力水平和較高的響應速度，而且在位移量上有了長足的提高。

發明內容
本發明的目的在于提供一種驅動位移大、輸出力大、快速響應、易于控制、結構簡單、易于加工、方便使用、不受電磁干擾，利用摩擦力和慣性力實現直線運動的慣性式壓電直線電機。本發明采用的技術方案為一種慣性式壓電直線電機，包括位移放大機構、動子和定子軸；所述位移放大機構呈菱形對稱結構，菱形兩對角線相互垂直且不等長，沿著菱形的長對角線設置有疊層型壓電陶瓷，菱形的短對角線方向的兩個邊角處分別設有固定面和平移面，固定面和平移面與所述疊層型壓電陶瓷平行，疊層型壓電陶瓷外接電源；所述定子軸直接安裝在所述位移放大機構的平移面上，所述動子套裝在所述定子軸上。本發明綜合利用直角三角形正交位移放大原理和摩擦力、慣性力的作用，將壓電疊堆的伸縮位移轉換為直線電機的直線運動。通過改變疊層型壓電陶瓷上施加的外接電源，可改變直線電機的平移方向和速度。作為優選，環形的動子以一定的預壓力套裝在圓柱形的定子軸上，彼此通過圓柱面接觸的方式，利用相互的摩擦力和動子在運動過程中的慣性力，將與定子軸粘接的位移放大機構上平移面的輸出位移轉換為動子的直線運動。作為優選，所述位移放大機構與疊層型壓電陶瓷之間利用預壓力方式進行連接，所述位移放大機構采用剛性連接，提高輸出力和響應速度，并采用三角線性放大原理，提高位移輸出的線性度。疊層型壓電陶瓷位于長對角線方向。固定面和受力面相互平行，并與長對角線方向平行，與短對角線方向垂直。位移放大機構在長對角線方向的有兩個朝內的面相互平行，用于放置疊層型壓電陶瓷。作為優選，所述位移放大機構還設有用于安裝固定的固定孔。由以上結構描述可以看出，當疊層型壓電陶瓷被施加電壓激勵后，疊層型壓電陶瓷在長對角線方向產生高頻的微位移。根據三角形正交放大原理，這個微小的位移經過放大之后轉換為短對角線方向的位移(這兩個位移的方向是相互垂直的)。當固定面被固定之后，這個短對角線方向的高頻位移便由平移面向外輸出，直接用于拖動與之粘接的定子軸運動。最后再利用定子軸和動子之間的摩擦力，以慣性位移的方式將定子軸上的位移轉換為動子的直線運動。有益效果本發明相對于一般的線圈式直線電機和其它一些超聲波直線電機，它具有輸出力大、響應速度快、結構簡單、易于加工、方便使用、不受電磁干擾等優點。在實現直線運動的同時，還充分運用了壓電材料的優秀特性。配合上合理地驅動電源，就可以在保證較大輸出力的同時，控制這個直線電機按照需要進行工作。因此這種慣性式壓電直線電機在微位移機械系統、微位移定位、光學精密儀器、航空航天控制等領域中具有重要的應用價值。


圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明的立體結構示意圖；圖3是本發明在疊層型壓電陶瓷上施加三角波激勵電壓示意圖；圖4是圖3中各個狀態的位移圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。如圖1和2所示，本發明的慣性式壓電直線電機中的動子1、定子軸2和位移放大機構4可以采用鋼、銅合金、鋁合金等相關金屬材料制作。一定質量的環形動子I以一定的預壓力套緊在圓柱形的定子軸2上，利用摩擦力和慣性力使得動子I能在定子軸2上實現直線運動。定子軸2的一個圓柱端面直接粘接在位移放大機構4的平移面3上，并保證定子軸2的軸向與平移面3相互垂直，從而將位移放大機構4的輸出位移傳送到定子軸2上，用于驅動動子I運動。位移放大機構4呈菱形對稱結構，位移放大機構4的四條斜邊柱與菱形兩條對角線構成四個相互對稱的非等腰直角三角形，通過菱形兩對角線的不等長來實現位移的放大。位移放大機構采用剛性連接，提高輸出力和響應速度，并采用三角線性放大原理，提高位移輸出的線性度。固定面7和平移面3相互平行，并與長對角線方向平行，與短對角線方向垂直。位移放大機構4在長對角線方向的有兩個朝內的面相互平行，用于放置疊層型壓電陶瓷5。疊層型壓電陶瓷5位于長對角線方向，位移放大機構4的長對角線方向的有兩個朝內的平行面將疊層型壓電陶瓷5的兩個平行的端面夾持住，疊層型壓電陶瓷5始終受到預壓力，保持接觸面無縫隙。由于疊層型壓電陶瓷5只能受正向壓應力，因此在夾持時面與面平行重合放置。位移放大機構4帶有固定孔6，用于安裝固定。當疊層型壓電陶瓷5被施加高頻的電壓激勵后，它將產生形變，即在長對角線方向產生高頻微位移。根據三角形正交放大原理，這個微小的位移經過放大之后轉換為短對角線方向的位移，這兩個位移的方向是相互垂直的，當固定面7被固定之后，這個短對角線方向的位移便在平移面3上體現為推(或者拉)的驅動效果，帶動定子軸2快速的上下運動。在疊層型壓電陶瓷5上施加三角波激勵電壓(如圖3所示)后，定子軸2將從位移放大機構4上獲得軸向的位移響應。從圖4可知，在狀態a中，動子1處于初始位置，疊層型壓電陶瓷5受到最大電壓處于伸長狀態，位移放大機構4在軸向方向處于最短位置。當激勵電壓由a緩慢下降到b時，疊層型壓電陶瓷5縮短，位移放大機構4帶到定子軸緩慢伸長，動子1在靜摩擦力的作用下隨定子軸2—起平穩地向上移動Λ d，如b狀態所示。當激勵電壓由b突然快速增加到c時，定子軸2快速向下移動，由于動子I的慣性力克服了滑動摩擦力，而沒有隨定子軸2向下移動，于是，動子1相對于初始位置向上移動了 Ad，如c狀態所示。當激勵電壓又從c緩慢下降到d時，動子1又隨著定子軸2 —起向上移動，到達狀態d。當激勵電壓由d突然上升到e時，定子軸2快速向下移動，動子I由于慣性力作用同樣沒有跟定子軸2 —起向下運動，于是動子I又沿著軸方向向上移動了 Ad,如狀態e所示。如此周而復始,動子1不斷的向上累積移動，實現了沿軸方向的向上連續步進運動。同理，當加上反向激勵電壓時，動子I可實現沿定子軸2向下的連續步進運動。通過調整這一慣性式壓電直線電機激勵電壓的類型、頻率、幅值等參數，即可有效地控制和調整它的運動速度、方向和步長等特性，有著較好的輸出特性。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種慣性式壓電直線電機,其特征在于包括位移放大機構、動子和定子軸；所述位移放大機構呈菱形對稱結構，菱形兩對角線相互垂直且不等長，沿著菱形的長對角線設置有疊層型壓電陶瓷，菱形的短對角線方向的兩個邊角處分別設有固定面和平移面，固定面和平移面與所述疊層型壓電陶瓷平行，疊層型壓電陶瓷外接電源；所述定子軸直接安裝在所述位移放大機構的平移面上，所述動子套裝在所述定子軸上。
2.根據權利要求1所述的慣性式壓電直線電機，其特征在于所述動子與定子軸之間利用預壓力方式進行連接。
3.根據權利要求1所述的慣性式壓電直線電機，其特征在于所述位移放大機構與疊層型壓電陶瓷之間利用預壓力方式進行連接。
4.根據權利要求1所述的慣性式壓電直線電機，其特征在于所述位移放大機構采用剛性連接。
5.根據權利要求1所述的慣性式壓電直線電機，其特征在于所述位移放大機構還設有用于安裝固定的固定孔。
全文摘要
本發明公開了一種慣性式壓電直線電機，包括位移放大機構、動子和定子軸；所述位移放大機構呈菱形對稱結構，菱形兩對角線相互垂直且不等長，沿著菱形的長對角線設置有疊層型壓電陶瓷，菱形的短對角線方向的兩個邊角處分別設有固定面和平移面，固定面和平移面與所述疊層型壓電陶瓷平行，疊層型壓電陶瓷外接電源；所述定子軸直接安裝在所述位移放大機構的平移面上，所述動子套裝在所述定子軸上。本發明相對于一般的線圈式直線電機和其它一些超聲波直線電機，它具有輸出力大、響應速度快、結構簡單、易于加工、方便使用、不受電磁干擾等優點。
文檔編號H02N2/02GK103023374SQ20121058475
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者金龍, 靳宏, 徐志科, 王瑞霞, 胡敏強 申請人:東南大學