[发明专利]方波驱动惯性式直线型压电电机

说明书

技术领域：

本发明的方波驱动惯性式直线型压电电机，属压电电机领域。

背景技术：

压电微电机是在微特电机发展过程中出现的一种新型电机。它主要有三种类型：超声波型，蠕动型和惯性型。压电材料和电致伸缩压电材料作为固体致动器已经进行了大量的研究，但对于压电直线电机来说，其单单由压电陶瓷产生的应变不能够充分的满足其需求。1992年，Sugawara等人公布了命名为“弹珠式”的金属陶瓷复合压电致动器，能把压电陶瓷的径向位移转换成轴向位移并把位移放大(10倍左右)。美国宾州大学国际致动器和换能器中心的Aydin Dogan等人研制出了钹形致动器，由夹在二个截锥形金属帽盖之间的园柱形压电陶瓷元件组成，它产生的位移量是同样尺寸的陶瓷元件的40倍左右。弹珠式和钹形致动器在汽车工业上有很大应用潜力，可用作传感器和减振器元件，阀门的开关元件以及一些对致动器要求尺寸小、响应快的场合，Omron公司已成功地将其用于光扫描器、高密度记忆贮存驱动器等场合。上述的研究成果对于惯性压电电机来说是一个很好的启发。目前，对于方波驱动惯性式直线型压电电机，国内还没有这方面研制成功的报道。

发明内容：

本发明旨在研制一种具有体积小、重量轻、精度高、响应速度快的压电电机。

本发明利用压电晶体的逆压电效应和惯性位移原理，设计出一种方波驱动惯性式直线型压电电机，通过摩擦力的作用，以惯性位移的形式把运动传递出去。

本发明的方波驱动惯性式直线型压电电机，由定子组件和环形动子组件构成。其特征在于：所述的定子组件由一根定子轴和一个位移放大器形复合压电换能器组成，定子轴和位移放大器形复合压电换能器通过高强度粘合剂或螺纹连接的方式组合在一起，其中的位移放大器形复合压电换能器为一个位移放大器和层叠式压电陶瓷堆组成。所述的动子组件为一夹持在定子轴上带有环形凹槽缺口的环状动子，橡胶圈套在环形动子的环形凹槽内，以提供电机工作时所需的预压力。

位移放大器形复合压电换能器的作用是将层叠式压电陶瓷堆的径向应变放大，并将其累加到定子轴的轴向变形上，使其具有更大的位移输出。

当在位移放大器形复合压电换能器上加上方波激励信号后，激发出层叠式压电陶瓷堆伸缩变形，从而引起定子轴沿轴向方向往返速度不同的振动，当定子轴慢速向前运动时，环形动子因摩擦锁住而随之运动，当定子轴高速返回时，环形动子惯性力克服摩擦力而产生相对运动，向前走了一步，当加上反相的方波信号时，同理可以实现环形动子相反方向的运动。

方波驱动惯性式直线型压电电机除具有体积小、重量轻、精度和分辨率高、响应快，驱动电路简单的特点，可实现双向直线运动，从而可在精密机械设备以及光学仪器设备的聚焦系统中得到很广阔的应用。

附图说明：

图1是方波驱动惯性式直线型压电电机结构示意图。

图2是环形动子结构示意图。

图3是位移放大器形复合压电换能器结构示意图。

图4是位移放大器形复合压电换能器在电信号激励下变形示意图。其中图4(a)为复合压电换能器在图示电场方向所产生的收缩变形情况；图4(b)为复合压电换能器在没加电场情况下的初始状态；图4(c)为复合压电换能器在图示电场方向所产生的扩张变形情况。

图5是未加放电回路的驱动电路及层叠式压电陶瓷堆响应示意图。其中图5(a)为驱动电路示意图；图5(b)为输入方波信号占空比为50％时的层叠式压电陶瓷堆响应示意图；图5(c)为输入方波信号占空比为77％时的层叠式压电陶瓷堆响应示意图。

图6是增加放电回路的驱动电路及层叠式压电陶瓷堆响应示意图。其中图6(a)为驱动电路示意图；图6(b)为输入方波信号占空比为77％时的层叠式压电陶瓷堆响应示意图。

图7是方波驱动惯性式直线型压电电机工作原理示意图。

图8是矩形杆结构方波驱动惯性式直线型压电电机结构示意图。其中图(a)为d₃₁效应矩形杆结构方波驱动惯性式直线型压电电机结构示意图；图(b)为d₃₃效应矩形杆结构方波驱动惯性式直线型压电电机结构示意图；图(c)为矩形动子示意图。

图1、图2、图3中标号及符号名称：1为层叠式压电陶瓷堆，2为橡胶圈，3为环形动子，4为定子轴，5为位移放大器，6为高强度粘合剂；p为层叠式压电陶瓷堆极化方向。