专利名称：S形多足箝位式压电电机及其工作模式的制作方法
技术领域：
本发明是一种S形多足箝位式压电电机及其工作模式，属于压电精密致动技术领域。
背景技术：
随着微/纳米技术的发展，众多工程和技术领域的研究都迫切的需要亚微米级、 微/纳米级的精密作动器。基于电磁感应原理的电磁电机在微型化，高功重比的发展方向上很难突破原理的局限。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。压电陶瓷作为作动器的一个突出优势是自身刚度较大，具有较高的负载能力和较宽的频率响应，但是压电陶瓷的输出应变较小，不能满足现有应用的需求。针对这一矛盾， 目前有两种解决方法一是利用结构共振，就是利用压电陶瓷作为激励元件激发结构的共振，以达到放大压电陶瓷微应变的目的，这类技术方案主要是超声电机；二是采用叠层压电堆，就是将多层片状压电陶瓷叠放，在机械上串联，电学上并联，这样的好处是以较低的电压实现较大的结构应变，目前主要的技术方案是尺蠖式箝位步进压电电机。尺蠖式箝位步进压电电机采用的是一种仿生型的工作原理，其动子由两个箝位单元和一个驱动单元组成，每个单元都是一个叠层压电堆，箝位单元和驱动单元垂直相连，三者组成“工”字形，其中“工”字的两横代表箝位单元，箝位单元可以沿横线方向伸长，一竖代表驱动单元，驱动单元可以沿竖线方向伸长，整个“工”字形动子由两个平行的固定导轨夹在中间，导轨的方向与“工”字形动子驱动单元伸长的方向平行。尺蠖式箝位步进压电电机工作时序如下
第一步，“工”字形动子下面的箝位单元伸长并锁紧平行导轨； 第二步，驱动单元伸长，这样“工”字形动子上面的箝位单元向上步进一段距离； 第三步，工字动子上面的箝位单元伸长锁紧平行导轨； 第四步，工字动子下面的箝位单元缩短松开平行导轨；
第五步，驱动单元缩短，这样“工”字形动子下面的箝位单元向上步进一段距离；至此 “工”字形动子整体向上步进了一段距离，重复以上步骤，动子将实现连续步进。由以上原理分析可以看出，尺蠖式箝位步进压电电机有以下三个技术难题
第一，尺蠖式箝位步进压电电机能够实现步进的关键是要两个箝位单位能够交替锁紧平行导轨，而两个箝位单元在运动方向上相隔一段距离，这要求平行导轨的平行度要足够高，现有技术条件下，要实现较长距离的两个导轨具有较高的平行度很困难，需要较高的制作成本；
第二，尺蠖式箝位步进压电电机的平行导轨是固定的，箝位单元两端的磨损将最终导致无法实现箝位，导致失效；
第三，叠层压电堆只能承受较小的拉力，但能承受较大的推力，因此，在驱动单元缩短时，叠层压电堆的做功能力就很小，这就降低动子的效率。第四，在所有叠层压电堆都断电的情况下，箝位单元与平行导轨之间的锁紧力远小于箝位单元锁紧平行导轨的锁紧力，因此尺蠖式箝位步进压电电机几乎没有断电自锁的能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于研制一种低制作成本低、寿命长、效率高、具有断电自锁功能的S形多足箝位式压电电机及其工作模式。本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案 1、一种S形多足箝位式压电电机，其特征在于包括
基座、固定于基座上的定子、通过导轨副安装于基座上的滑台、固定于滑台上的动子； 上述定子从上至下依次包括水平叠放的第一位移转换框架、第二位移转换框架、第三位移转换框架；其中第二位移转换框架一端与第一位移转换框架的对应端固定连接，第二位移转换框架的另一端与第三位移转换框架的对应端固定连接；第一位移转换框架、第二位移转换框架、第三位移转换框架结构一样，它们由前边框、后边框、左边框、右边框组成， 且左右对称、前后对称，前边框和后边框为内凹形状，且前边框和后边框外侧分别具有箝位足；第一位移转换框架和第三位移转换框架的左边框和右边框之间均夹有叠层压电堆；第二位移转换框架的左边框和右边框之间夹有两组叠层压电堆，且两组叠层压电堆之间夹有垫块；该定子还包括固定于垫块前后两侧的弹片，该弹片从第三位移转换框架的前后边框与叠层压电堆之间的缝隙穿出通过连接座固定于基座上；
上述动子为一体化的框架结构，其中间具有定子腔，后边框固定在滑台上；前边框分成前后两层结构，其中后层结构与前层结构B端不连接仅通过A端连接，后层结构作为活动导轨；前层结构作为导向机构，前层结构具有一个H型柔性铰链式割缝，该割缝的四个端部分别向AB两侧继续割一段距离形成四个柔性铰链，；前边框还具有一个使A边框与前边框断开的割缝，A边框具有前凸台，前边框位于A边框前凸台后方还具有与之对应的限位凹槽； 前边框具有后凸台，A边框位于前边框后凸台的后方还具有与之对应的限位凸台；前凸台和后凸台之间为预紧件安装腔；预紧件安装腔内安装有预紧螺钉及弹簧； 上述A指左B指右，或A指右B指左；
定子位于定子腔内，且定子的箝位足通过预紧件压于动子的活动导轨与后边框之间。2、根据权利要求1所述的S形多足箝位式压电电机的工作模式，可以根据需要实现两种工作模式
第一种、直动模式第一位移转换框架或第三位移转换框架的箝位足与动子接触，利用叠层压电堆控制第二位移转换框架的变形即可以实现高分辨率的精确定位；
第二种、步进模式用三路两两相位差η/3的方波电压信号分别激励三个位移转换框架所夹的叠层压电堆，在一个作动周期T内，定子的动作时序如下
在0-Τ/6，第二位移转换框架所夹叠层压电堆伸长，其两个箝位足与动子接触从而实现箝位，第一位移转换框架和第三的箝位足脱离动子；
在Τ/6-Τ/3，第二位移转换框架保持箝位，第一位移转换框架保持脱离，第三位移转换框架的箝位足箝位；在T/3-T/2，第一位移转换框架和第三位移转换框架保持上一状态，第二位移转换框架箝位足脱离动子，这时，第三位移转换框架的箝位足所箝位的动子由于第二位移转换框架的缩短往A方向步进一段距离；
在T/2-2T/3，第二位移转换框架和第三位移转换框架保持上一状态，位移转换框架箝
位；
在2T/3-5T/6，第一位移转换框架、第二位移转换框架保持上一状态，第三位移转换框架脱离动子；
在5T/6-T，第一位移转换框架、第三位移转换框架保持上一状态，第二位移转换框架伸长并箝位，这时，第一位移转换框架所箝位的动子由于位移转换机构的推动往A方向步进
一段距离。本发明采用以上技术方案具有以下有益效果
本发明的S形多足箝位式压电电机中的三个位移转换框架不仅用于预紧叠层压电堆从而提高驱动单元收缩时的做功能力，而且放大了叠层压电堆的输出位移，使交替箝位易于实现；三个位移框架采用叠放结构，可以用线切割的方法一次加工出来，易于实现批量化生产；三对箝位足在动子的运动方向上处于同一位置，大大降低了对平行导轨平行度的要求，降低了制作成本；由于导轨始终由预紧件压在定子的箝位足上，这使电机具有断电自锁的能力；在箝位足磨损时，由于定子工作时的箝位力由动子组件中的预紧件提供，电机仍能正常工作，这将大大提高的电机的使用寿命。
图1 (a) S形多足箝位式压电电机定子组件和动子组件分解结构示意图； 图1 (b)动子割缝明细图2 (a) S形多足箝位式压电电机定子组件结构示意图； 图2 (b) S形多足箝位式压电电机位移转换机构结构原理示意图； 图3 S形多足箝位式压电电机动子组件子结构示意图4激励信号示意图，其中Ull、U12、U13分别对应位移转换框架11、12、13上叠层压电堆的激励电压信号；
图5 S形多足箝位式压电电机原理示意图； 图中标号名称
1-定子；2-动子；3-滑台；4-基座；IO-S形位移转换机构；11-第一位移转换框架； 12-第二位移转换框架；13-第三位移转换框架；14-垫块；15-连接头；21-接触面；22-螺旋弹簧；23-调节螺钉。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明；
如图1 (a)所示，定子1和滑台3都由螺钉固定在基座4上，动子3通过螺钉与交叉滚子滑台的上滑台固定连接，定子的三对箝位足由动子的预紧机构的作用被动子的前边框和后边框夹紧。如图2 (a)所示，定子组件的核心元件为3个位移转换框架首尾相连组成的S形结构，位移转换框架的形状如图2 (b)所示，叠层压电堆被一封闭结构预紧，该结构可以将叠层压电堆χ轴方向的变形2dx经y轴方向放大为2dy，因此该结构在χ轴和y轴方向都能输出变形。将图2 (a)所示S形元件展开，可以看到如图5所示的结构示意图，位于S形上下两个位移转换框架中各有一组叠层压电堆，而位于中间的第二位移转换框架含有两组叠层压电堆，并且在这两组的中间还装有垫块，该垫块通过固定于垫块两侧的弹片由连接头15 固定在基座上。如图3所示，动子与定子三对驱动足同时接触的两个导轨一边固定，另一边可以沿接触面法向平移，这是通过一个柔性铰链构成的平行结构实现导向，定子和动子之间的预压力可以通过调节螺钉23压缩弹簧22实现。动子与定子接触的两个导轨在图5中对应标号21所指部件。如图5所示，给任一箝位单元施加直流电压信号，使之保持与动子接触，这时再调节箝位作动单元12中叠层压电堆上的电压信号，便可利用叠层压电堆的静变形实现精确定位。对照图4和图5，图4表示给在图5中对应叠层压电堆施加的电压信号。在一个激励周期内定子有六个状态，也就是说一个激励周期等分为六个时间片，每个时间片对应定子的一个状态。在0-T/6，第二位移转换框架12所夹叠层压电堆伸长，其两个箝位足与动子接触从而实现箝位，第一位移转换框架11和第三位移转换框架13的箝位足脱离动子。在T/6-T/3，第二位移转换框架12保持箝位，第一位移转换框架11保持脱离，第三位移转换框架13的箝位足箝位。在T/3-T/2，第一位移转换框架11和第三位移转换框架13保持上一状态，第二位移转换框架12箝位足脱离动子，这时，第三位移转换框架13的箝位足所箝位的动子由于第二位移转换框架12的缩短往左步进一段距离。在T/2-2T/3，第二位移转换框架12和第三位移转换框架13保持上一状态，位移转换框架11箝位。在2T/3-5T/6，第一位移转换框架11、第二位移转换框架12保持上一状态，第三位移转换框架13脱离动子。在5T/6-T，第一位移转换框架11、第三位移转换框架13保持上一状态，第二位移转换框架12伸长并箝位，这时，第一位移转换框架11所箝位的动子由于位移转换机构的推动往左步进一段距离。结构设计原则
三对驱动足的高度务必平齐以保证它们能够同时接触动子或只有一个位移转换机构张开时其他两个都能脱离动子；定子的支撑需要在动子运动的方向上有足够的刚度以平衡动子给定子的反力，而在垂直于接触面的方向上刚度较小从而保证定子的任一对驱动足与动子的两个接触面的接触力相近。
权利要求
1.一种S形多足箝位式压电电机，其特征在于包括基座(4)、固定于基座(4)上的定子(1)、通过导轨副安装于基座(4)上的滑台(3)、固定于滑台(3)上的动子(2);上述定子从上至下依次包括水平叠放的第一位移转换框架(11)、第二位移转换框架 (12)、第三位移转换框架(13)；其中第二位移转换框架(12) 一端与第一位移转换框架(11) 的对应端固定连接，第二位移转换框架(12)的另一端与第三位移转换框架(13)的对应端固定连接；第一位移转换框架(11)、第二位移转换框架(12)、第三位移转换框架(13)结构一样，它们由前边框、后边框、左边框、右边框组成，且左右对称、前后对称，前边框和后边框为内凹形状，且前边框和后边框外侧分别具有箝位足；第一位移转换框架(11)和第三位移转换框架(13)的左边框和右边框之间均夹有叠层压电堆；第二位移转换框架(12)的左边框和右边框之间夹有两组叠层压电堆，且两组叠层压电堆之间夹有垫块(14);该定子还包括固定于垫块前后两侧的弹片，该弹片从第三位移转换框架的前后边框与叠层压电堆之间的缝隙穿出通过连接座(15)固定于基座(4)上；上述动子为一体化的框架结构，其中间具有定子腔，后边框固定在滑台(3)上；前边框分成前后两层结构，其中后层结构与前层结构B端不连接仅通过A端连接，后层结构作为活动导轨；前层结构作为导向机构，前层结构具有一个H型柔性铰链式割缝，该割缝的四个端部分别向AB两侧继续割一段距离形成四个柔性铰链，；前边框还具有一个使A边框与前边框断开的割缝，A边框具有前凸台，前边框位于A边框前凸台后方还具有与之对应的限位凹槽；前边框具有后凸台，A边框位于前边框后凸台的后方还具有与之对应的限位凸台；前凸台和后凸台之间为预紧件安装腔；预紧件安装腔内安装有预紧螺钉(23)及弹簧(22)；上述A指左B指右，或A指右B指左；定子位于定子腔内，且定子的箝位足通过预紧件压于动子的活动导轨与后边框之间。
2.根据权利要求1所述的S形多足箝位式压电电机的工作模式，可以根据需要实现两种工作模式第一种、直动模式第一位移转换框架(11)或第三位移转换框架(13)的箝位足与动子接触，利用叠层压电堆控制第二位移转换框架(12)的变形即可以实现高分辨率的精确定位；第二种、步进模式用三路两两相位差η/3的方波电压信号分别激励三个位移转换框架所夹的叠层压电堆，在一个作动周期T内，定子的动作时序如下在0-Τ/6，第二位移转换框架(12)所夹叠层压电堆伸长，其两个箝位足与动子接触从而实现箝位，第一位移转换框架(11)和第三(13)的箝位足脱离动子；在Τ/6-Τ/3，第二位移转换框架(12)保持箝位，第一位移转换框架(11)保持脱离，第三位移转换框架(13)的箝位足箝位；在Τ/3-Τ/2，第一位移转换框架(11)和第三位移转换框架(13)保持上一状态，第二位移转换框架(12)箝位足脱离动子，这时，第三位移转换框架(13)的箝位足所箝位的动子由于第二位移转换框架(12)的缩短往A方向步进一段距离；在Τ/2-2Τ/3，第二位移转换框架(12)和第三位移转换框架(13)保持上一状态，位移转换框架(11)箝位；在2Τ/3-5Τ/6，第一位移转换框架(11 )、第二位移转换框架(12)保持上一状态，第三位移转换框架(13)脱离动子；在5T/6-T，第一位移转换框架(11 )、第三位移转换框架(13)保持上一状态，第二位移转换框架(12)伸长并箝位，这时，第一位移转换框架(11)所箝位的动子由于位移转换机构的推动往A方向步进一段距离。
全文摘要
一种S形多足箝位式压电电机及其工作模式，属压电精密致动技术领域。该电机由定子组件(1)，动子组件(2)，运动输出组件(3)以及基座(4)构成；所述定子组件的核心元件为一由3个位移转换框架首尾相连并层叠组合而形成一个S形的结构。3个位移转换框架都是使用叠层压电堆作为作动元件，每个都可以在空间两个正交的方向上输出位移，其中中间的位移转换框架在工作时同时具有箝位和驱动的作用，其余两个只作为箝位单元。该电机能够工作在两种模式—直动模式和步进模式。直动模式下可以直接控制叠层压电堆的变形实现精确定位；步进模式能够实现快速定位。此外，该电机结构紧凑，在断电时自锁，且结构工艺简单。
文档编号H02N2/02GK102195516SQ20111013102
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者潘松, 王寅, 黄卫清 申请人:南京航空航天大学