一種步進壓電驅動電機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種步進壓電驅動電機，包括壓電振子、旋轉軸、質量塊、底座和復合懸臂，其中所述壓電振子的兩端分別固定連接在所述旋轉軸和所述質量塊上，所述復合懸臂為薄片型結構且由高摩擦彈性材料和低摩擦彈性材料層合構成，所述高摩擦彈性材料和所述低摩擦彈性材料的摩擦系數(shù)不同，所述質量塊下表面垂直布置所述復合懸臂，所述高摩擦彈性材料和低摩擦彈性材料的層合面與所述壓電陶瓷和彈性基板的粘接面平行；所述旋轉軸和所述底座構成轉動副，壓電振子振動帶動質量塊振動，復合懸臂彎曲，結合復合懸臂采用兩種摩擦系數(shù)的材料作用，電機定向旋轉，本發(fā)明具有使用壽命長、結構簡單的優(yōu)點。
【專利說明】
一種步進壓電驅動電機
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于壓電驅動領域，具體涉及一種步進壓電驅動電機。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著微納米技術的迅猛發(fā)展，在光學工程、微電子制造、航空航天技術、超精密機械制造、生物醫(yī)學等技術領域的研究都迫切需要容差性強、結構簡單的驅動器。隨著科技的發(fā)展，人們研制出利用功能材料構成的新型電機來實現(xiàn)超精密驅動，近年來此研究已取得了一系列的成果，如記憶合金電機、壓電效應電機、電致伸縮電機和磁致伸縮電機等。其中，由于壓電材料(PZT)具有控制方便、功率密度大、位移分辨率高、頻率響應好、不發(fā)熱、無電磁干擾等優(yōu)點，因此壓電型精密驅動技術已成為國內(nèi)外重點研究方向。然而，現(xiàn)有的壓電電機存在加工精度要求較高、使用壽命短的問題，且零部件之間多為剛性配合，磨損后無法工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有電機壽命短、加工精度要求高的問題，提出了一種步進壓電驅動電機，該電機由壓電振子、旋轉軸、質量塊、底座和復合材料構成，通交流電后壓電振子產(chǎn)生往復彎曲變形并帶動質量塊振動，復合懸臂產(chǎn)生彎曲變形，結合復合懸臂兩種不同摩擦系數(shù)材料的作用，一個周期內(nèi)，復合懸臂順時針和逆時針轉動時所受摩擦力不同，電機在復合懸臂受摩擦力小時轉動的總角度大于受摩擦力大時轉動的總角度，故在一個周期末，電機向復合懸臂受摩擦力小時的方向轉動。本發(fā)明與現(xiàn)有壓電電機相比，由于存在彈性結構，磨損后也能正常工作，具有壽命長、容差性強等優(yōu)點。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0005]本發(fā)明一種步進壓電驅動電機，包括壓電振子、旋轉軸、質量、底座和復合懸臂，其中四個所述壓電振子的一端分別固定連接在所述旋轉軸上，每個所述壓電振子的另一端固定連接有一個所述質量塊;所述復合懸臂為薄片型結構且由高摩擦彈性材料和低摩擦彈性材料層合構成，所述高摩擦彈性材料和所述低摩擦彈性材料都為薄片型結構且尺寸相同，所述高摩擦彈性材料的摩擦系數(shù)大于所述低摩擦彈性材料的摩擦系數(shù)，每個所述質量塊下表面垂直布置四個所述復合懸臂;所述壓電振子由壓電陶瓷和彈性基板粘接構成，所述壓電陶瓷和彈性基板的粘接面與底座上表面垂直，所述高摩擦彈性材料和低摩擦彈性材料的層合面與所述壓電陶瓷和彈性基板的粘接面平行，從上向下看，每個所述低摩擦彈性材料的外法線繞旋轉軸呈逆時針;所述旋轉軸和所述底座構成轉動副。
[0006]所述壓電振子和對應所述質量塊的數(shù)量為L個，L大于等于I，每個所述質量塊下表面的所述復合懸臂數(shù)量為M行N列個，M大于等于2，N大于等于2。
[0007]工作時，底座固定不動，利用質量塊和旋轉軸的重力使復合懸臂接觸底座，壓電振子作為動力源在交變電壓的作用下發(fā)生往復彎曲變形，壓電振子帶動質量塊運動，質量塊下表面固定連接復合懸臂，復合懸臂產(chǎn)生彎曲變形。一個周期內(nèi)，不同時間段復合懸臂的不同摩擦系數(shù)的材料接觸底座時所受摩擦力不同。在一個周期末，質量塊在復合懸臂受摩擦力小時運動的總位移大于受摩擦力大時的總位移，故質量塊在一個周期末表現(xiàn)出朝向摩擦系數(shù)較小材料一側做繞旋轉軸的圓周運動，又因為質量塊通過壓電振子和旋轉軸固定連接，故質量塊帶動旋轉軸做旋轉運動，電機通過旋轉軸輸出轉矩。
[0008]在一個周期內(nèi)，零到四分之一周期時，壓電振子彎曲，質量塊受到壓電振子沿圓周切向向左的作用力并向左運動，復合懸臂彎曲，摩擦系數(shù)較大的高摩擦彈性材料接觸底座，質量塊第一次繞旋轉軸順時針轉動，四分之一周期末時電機的狀態(tài)如圖3中的上側圖虛線所示，實線為一個周期開始時位置；四分之一到四分之三周期時，質量塊受到壓電振子沿圓周切向向右的作用力并向右運動，摩擦系數(shù)較小的低摩擦彈性材料接觸底座，質量塊第一次繞旋轉軸逆時針轉動，四分之三周期末時電機的狀態(tài)如圖3中的中間圖虛線所示，實線為一個周期開始時位置；四分之三到一個周期時，質量塊受到壓電振子沿圓周切向向左的作用力并向左運動，摩擦系數(shù)較大的高摩擦彈性材料接觸底座，質量塊第二次繞旋轉軸順時針轉動，一個周期末時電機的狀態(tài)如圖3中的下側圖虛線所示，實線為一個周期開始時位置，由于高摩擦彈性材料的摩擦系數(shù)大于低摩擦彈性材料，故高摩擦彈性材料產(chǎn)生的摩擦力大于低摩擦彈性材料產(chǎn)生的摩擦力，質量塊第一次繞旋轉軸順時針轉動和第二次繞旋轉軸順時針轉動時的摩擦力大于第一次繞旋轉軸逆時針轉動時的摩擦力，故質量塊第一次繞旋轉軸順時針和第二次繞旋轉軸順時針轉動時的總位移小于第一次繞旋轉軸逆時針轉動時的總位移，質量塊繞旋轉軸逆時針轉動，質量塊通過壓電振子和旋轉軸固定連接，質量塊帶動旋轉軸運動，旋轉軸逆時針轉動，電機逆時針轉動。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明一種步進壓電驅動電機的裝配圖。
[0010]圖2是本發(fā)明中復合懸臂的結構示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明的局部運動示意圖。
【具體實施方式】
[0012]參照圖1和圖2，包括壓電振子1、旋轉軸2、質量塊3和底座4，其特征在于還包括復合懸臂5，其中四個所述壓電振子I的一端分別固定連接在所述旋轉軸2上，每個所述壓電振子I的另一端固定連接有一個所述質量塊3;所述復合懸臂5為薄片型結構且由高摩擦彈性材料51和低摩擦彈性材料52層合構成，所述高摩擦彈性材料51和所述低摩擦彈性材料52都為薄片型結構且尺寸相同，所述高摩擦彈性材料51的摩擦系數(shù)大于所述低摩擦彈性材料52的摩擦系數(shù)，每個所述質量塊3下表面垂直布置四個所述復合懸臂5;所述壓電振子I由壓電陶瓷11和彈性基板12粘接構成，所述壓電陶瓷11和彈性基板12的粘接面與底座4上表面垂直，所述高摩擦彈性材料51和低摩擦彈性材料52的層合面與所述壓電陶瓷11和彈性基板12的粘接面平行，從上向下看，每個所述低摩擦彈性材料52的外法線繞旋轉軸2呈逆時針;所述旋轉軸2和所述底座4構成轉動副。
[0013]工作時，底座4固定不動，壓電振子I作為動力源在交變電壓的作用下發(fā)生往復彎曲變形，壓電振子I帶動質量塊3運動，質量塊3下表面固定連接復合懸臂5，復合懸臂5產(chǎn)生彎曲變形。一個周期內(nèi)，不同時間段復合懸臂5的不同摩擦系數(shù)的材料接觸底座時所受摩擦力不同。在一個周期末，質量塊3在復合懸臂5受摩擦力小時運動的總位移大于受摩擦力大時的總位移，故質量塊3在一個周期末表現(xiàn)出朝向摩擦系數(shù)較小材料一側做繞旋轉軸的圓周運動，又因為質量塊3通過壓電振子I和旋轉軸2固定連接，故質量塊3帶動旋轉軸2做旋轉運動，電機通過旋轉軸2輸出轉矩。
【主權項】
1.一種步進壓電驅動電機，包括壓電振子(I)、旋轉軸(2)、質量塊(3)和底座(4)，其特征在于還包括復合懸臂(5)，其中: 四個所述壓電振子(I)的一端分別固定連接在所述旋轉軸(2)上，每個所述壓電振子(I)的另一端固定連接有一個所述質量塊(3);所述復合懸臂(5)為薄片型結構且由高摩擦彈性材料(51)和低摩擦彈性材料(52)層合構成，所述高摩擦彈性材料(51)和所述低摩擦彈性材料(52)都為薄片型結構且尺寸相同，所述高摩擦彈性材料(51)的摩擦系數(shù)大于所述低摩擦彈性材料(52)的摩擦系數(shù)，每個所述質量塊(3)下表面垂直布置四個所述復合懸臂(5);所述壓電振子(I)由壓電陶瓷(11)和彈性基板(12)粘接構成，所述壓電陶瓷(11)和彈性基板(12)的粘接面與底座(4)上表面垂直，所述高摩擦彈性材料(51)和低摩擦彈性材料(52)的層合面與所述壓電陶瓷(11)和彈性基板(12)的粘接面平行，從上向下看，每個所述低摩擦彈性材料(52)的外法線繞旋轉軸(2)呈逆時針;所述旋轉軸(2)和所述底座(4)構成轉動副。2.根據(jù)權利要求1所述的一種步進壓電驅動電機，其特征在于:所述壓電振子(I)和對應所述質量塊(3)的數(shù)量為L個，L大于等于I，每個所述質量塊(3)下表面的所述復合懸臂(5)數(shù)量為M行N列個，M大于等于2，N大于等于2。
【文檔編號】H02N2/10GK105846714SQ201610416014
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】吳越, 劉慶萍, 任露泉, 王京春, 王旭, 宋正義
【申請人】吉林大學