一种惯性非共振式双足压电直线作动器及工作方法

摘要

本发明公开了一种惯性非共振式双足压电直线作动器，包括底座，底座上方设置有导轨，所述的底座的上方还设置有定子组件；定子组件为轴对称分布的定子组件左驱动足以及定子组件右驱动足；所述的定子组件左驱动足以及定子组件右驱动足内部分别安装有左叠层压电陶瓷以及右叠层压电陶瓷；所述的定子组件的驱动足的凸出部位与导轨一侧相接触；本发明还提供了一种惯性非共振式双足压电直线作动器的工作方法，通过对对称布置的两个驱动足机构中的左、右叠层压电陶瓷上分别施加电压慢升快降和快升慢降的同频锯齿波电压信号，以达到可以稳定的做连续直线运动，并且其具有结构简单、运行稳定、定位精确、运动分辨率高、成本较低的优点。

说明书

技术领域

本发明属于压电精密致动技术领域，具体是指一种惯性非共振式双足压电直线作动器及工作方法。

背景技术

压电直线电机因其结构简单、定位精确、易于集成等优势受到国内乃至全世界的广泛关注，并被应用于多个技术领域。基于叠层压电陶瓷的非共振式压电直线电机不仅拥有传统电机的优点，并且克服了传统超声电机易受环境因素影响的不足，具有较好的应用前景。

惯性式电机是一种利用压电陶瓷的快速变形产生的惯性冲击来实现微位移的微型驱动机构，它具有很多优势如：运动范围大、分辨率能达到纳米级、结构简单、部件可被微小化、并能在步进运动的同时实现精确定位等。

利用压电元件动态特性的惯性冲击式驱动器在精密驱动领域已经发展为一项独特的驱动型式，得到了广泛的研究与应用。然而就目前的对惯性式压电直线电机研究技术还有一些不足，如：电机部件的微小化并未完全得到实现，定位精确的电机结构较为复杂，运动的分辨率不高，运动不具有连续性使得推力受到了限制，制造成本较高。因此设计一种能够解决这些限制的压电直线电机一直是本领域技术人员待解决的技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种惯性非共振式双足压电直线作动器，通过对对称布置的两个驱动足机构中的叠层压电陶瓷上分别施加电压慢升快降和快升慢降的同频锯齿波电压信号，以达到可以稳定的做连续直线运动，并且其具有结构简单、运行稳定、定位精确、运动分辨率高、成本较低等优点。

本发明是通过如下方法实现的：一种惯性非共振式双足压电直线作动器，包括底座，底座上方设置有导轨，其特在在于，所述的底座的上方还设置有定子组件；

所述的定子组件为轴对称分布的驱动足，分别为定子组件左驱动足以及定子组件右驱动足；左右驱动足（左右定子组件左驱动足）包含作左、右驱动足机构，左、右叠层压电陶瓷，左、右防剪切垫片，左、右预紧弹簧，左、右预紧螺钉，左、右预紧垫片；双驱动足的存在，使得电机可以稳定的做连续直线运动，垫片避免了驱动足运动部分与底座的直接接触；通过双驱动足的时序控制和共同作用，电机导轨的速度、推力及精度得到了较大的提升，实现了大行程、高精度的统一。

所述的定子组件左驱动足以及定子组件右驱动足内部分别安装有左叠层压电陶瓷以及右叠层压电陶瓷；左、右叠层压电陶瓷作为电机的驱动元件在施加电压后沿平行导轨运动方向产生位移。

所述的定子组件的驱动足的凸出部位与导轨一侧相接触，通过定子组件的驱动足的凸出部位与导轨通过摩擦接触，通过摩擦力作用驱动导轨作直线运动。

进一步，所述的定子组件左驱动足以及定子组件右驱动足分别通过左安装螺钉、右安装螺钉以及垫片固定在底座上。

进一步，所述的定子组件左驱动足还包括左驱动足机构，与左叠层压电陶瓷平行安装于左驱动足机构内部的左预紧弹簧；所述的左叠层压电陶瓷左右两侧设置有左防剪切垫片；所述的安装在左叠层压电陶瓷左侧左防剪切垫片与左预紧垫片接触，安装在左叠层压电陶瓷右侧左防剪切垫片与左驱动足右端梁接触。

预紧弹簧的存在弥补了机构回复力不足导致机构在回复阶段不能及时回到初始阶段，保证了作动原理的时序正确性，对电机性能的提升具有很大的作用。

进一步，所述的定子组件左驱动足还包括左预紧垫片、左预紧螺钉；左叠层压电陶瓷通过左预紧螺钉、左预紧垫片压紧于左驱动足“口”字型机构内部，所述左预紧弹簧固定于口字型机构内部与左叠层压电陶瓷并列安装。

进一步，所述的定子组件右驱动足包括右驱动足机构，与右叠层压电陶瓷平行安装于右驱动足机构内部的右预紧弹簧；所述的右叠层压电陶瓷左右两侧设置有右防剪切垫片；所述的右叠层压电陶瓷右侧安装的右防剪切垫片与左预紧垫片接触，安装在右叠层压电陶瓷左侧的右防剪切垫片与左驱动足左端梁接触。

进一步，所述的定子组件右驱动足还包括右预紧垫片、右预紧螺钉；右叠层压电陶瓷通过右预紧螺钉、右预紧垫片压紧于右驱动足“口”字型机构内部，所述右预紧弹簧固定于口字型机构内部与右叠层压电陶瓷并列安装。

进一步，所述的定子组件左驱动足以及定子组件右驱动足的一端对称设置有割缝，以形成柔性铰链；两片对称布置的驱动足机构为“口”字型结构，其割缝以形成柔性铰链；即柔性铰链为位于定子组件驱动足左下方的割缝位于驱动足下方梁而形成的。

进一步，所述的导轨通过螺钉固定连接与底座上；导轨作为电机动子固定于底座上，输出直线运动。

本发明还公开了一种惯性非共振式双足压电直线作动器的工作方法，所述的方法为给左驱动足中的左叠层压电陶瓷、右驱动足中的右叠层压电陶瓷分别施加电压慢升快降和快升慢降的同频锯齿波电压信号。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

（1）采用叠层压电陶瓷作为核心驱动元件，电机工作状态为非共振模式，克服了传统超声电机易受环境因素影响的不足，运行稳定，精度较高；

（2）采用双足驱动方式，改善了利用叠层压电陶瓷作为驱动元件抗拉力弱只能伸不能缩的状况，实现了双向大行程、高精度作动；

（3）本发明的压电直线电机机构较为简单、加工方便，可实现批量化生产，且其运行稳定、定位精确、运动分辨率高、成本较低等优点；

（4）本发明在叠层压电陶瓷上施加了电压慢升快降和快升慢降的锯齿波电压信号，驱动方式较为简单，避免了复杂的驱动形式。

附图说明

图1是本发明惯性非共振式压电直线电机的整体结构示意图；

图2是本发明惯性非共振式压电直线电机的定子组件分解示意图；

图3是本发明施加在两个叠层压电陶瓷上的锯齿波信号示意图；

图4是本发明惯性非共振式压电直线电机运动原理示意图；

其中，1-导轨，2-底座，3-定子组件左驱动足，3.1-左驱动足机构，3.2-左预紧弹簧，3.3-左叠层压电陶瓷，3.4-左防剪切垫片，3.5-左预紧垫片，3.6-左预紧螺钉，4-定子组件右驱动足，4.1-右驱动足机构，4.2-右预紧弹簧， 4.3-右叠层压电陶瓷， 4.4-右防剪切垫片， 4.5-右预紧垫片，4.6-右预紧螺钉，5-垫片，6-左安装螺钉，7-右安装螺钉，8-运动方向。

具体实施方式

本发明提供一种惯性非共振式双足压电直线作动器及工作方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~2所示，本发明公开的一种惯性非共振式双足压电直线作动器，包括底座2，底座2上方设置有导轨1，所述的导轨1通过螺钉固定连接与底座上，所述的底座2的上方还设置有定子组件；所述的定子组件为轴对称分布的左、右驱动足，分别为定子组件左驱动足3以及定子组件右驱动足4；所述的定子组件的驱动足的凸出部位与导轨1一侧相接触；

所述的定子组件左驱动足3以及定子组件右驱动足4分别通过左安装螺钉6、右安装螺钉7以及垫片5固定在底座2上。

所述的定子组件左驱动足3包括左驱动足机构3.1，平行安装于左驱动足机构3.1内部的左预紧弹簧3.2以及左叠层压电陶瓷3.3；所述的左叠层压电陶瓷3.3左右两侧设置有左防剪切垫片3.4，左防剪切垫片3.4在左叠层压电陶瓷3.3左端与左预紧垫片3.5接触，在左叠层压电陶瓷3.3的右端与左驱动足3.1右端梁接触。左叠层压电陶瓷3.3通过左预紧垫片3.5、左预紧螺钉3.6压紧于左驱动足机构3.1内部，所述左预紧弹簧3.2固定于口字型左驱动足机构3.1内部与左叠层压电陶瓷3.3并列安装。

所述的定子组件右驱动足4包括右驱动足机构4.1，平行安装于右驱动足机构4.1内部的右预紧弹簧4.2与右叠层压电陶瓷4.3；所述的右叠层压电陶瓷4.3左右两侧设置有右防剪切垫片4.4；右防剪切垫片4.4在右叠层压电陶瓷4.3的左端与左预紧垫片4.5接触，在右叠层压电陶瓷4.3的右端与左驱动足4.1左端梁接触。右叠层压电陶瓷4.3通过右预紧垫片4.5、右预紧螺钉4.6压紧于右驱动足机构4.1内部，所述右预紧弹簧4.2固定于口字型右驱动足机构4.1内部与右叠层压电陶瓷4.3并列安装。

如图3~4所示，图3为本发明压电直线电机常用的驱动电信号，图4所示为定子组件与导轨运动原理示意图。图3所示的施加于所述压电直线电机的驱动信号为同频慢升快降和快升慢降的锯齿波电压信号。给左驱动足中的左叠层压电陶瓷3.3、右驱动足中的右叠层压电陶瓷4.3分别施加电压慢升快降和快升慢降的同频锯齿波电压信号。当处于上半周期中，左驱动足中的左叠层压电陶瓷3.3在缓慢上升的电压信号作用下伸长，带动左驱动足机构3.1在平行于导轨1运动方向8产生一定的位移，通过摩擦力作用驱动导轨1作直线运动，而右驱动足中的右叠层压电陶瓷4.3在陡升的电压信号作用下快速伸长至一定长度，带动右驱动足机构4.1伸长，由于伸长速度较快，对导轨影响较小；而当处于下半周期时，左驱动足中的左叠层压电陶瓷3.3在陡落的电压信号作用下迅速回复至原长，左驱动足机构3.1在左预紧弹簧3.2及机构回复力作用下迅速回复至初始状态，由于回复状态较快，对导轨影响较小，而右驱动足的右叠层压电陶瓷4.3在缓慢下降的电压信号作用下从一定长度回复到原长，同时驱动足机构在在右预紧弹簧4.2及机构回复力作用下缓慢回复至初始状态，同时通过摩擦力驱动导轨1沿与上半周期运动方向8继续运动。如此周而复始，产生大行程的直线运动。