Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель

 

Использование: электроника, радиотехника, промышленное производство. Сущность изобретения: двигатель содержит корпус, подвижную часть и между ними фиксирующие узлы. Фиксирующие узлы выполнены в виде двух или более пьезоблоков. Первый пьезоблок выполнен из сдвигающего и фиксирующего пьезоэлементов, разрезного фрикционного элемента, разделенных изоляторами. Второй пьезоблок выполнен из фиксирующего пьезоэлемента, разрезного фрикционного элемента и изоляторов. Подвижная часть контактирует с разрезными фрикционными элементами. Пьезоблоки могут быть расположены в продольной или поперечной плоскости. Технический результат: упрощение конструкции и технологии изготовления, большие усилия при малых габаритах и массе, повышение точности позиционирования. 7 з.п.ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к электротехнике, автоматике и касается пьезоэлектрических линейных шаговых двигателей.

Известен линейный двигатель, содержащий направляющую, корпус и движитель в виде пластин, укрепленных под углом в корпусе и фрикционно взаимодействующих с направляющей (Авторское свидетельство СССР N 801149, МКИ H 01 L 41/02).

Однако данный линейный двигатель имеет большие габаритные размеры и массу, осуществляет перемещение с помощью упругих пластин, при этом невозможно получение больших усилий и обеспечение точности позиционирования.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть с рабочим элементом (Авторское свидетельство СССР N 720576, МКИ H 01 L 41/04 - прототип).

Однако этот двигатель имеет ряд недостатков: большое количество деталей, сложность конструкции, сложность изготовления фиксирующих узлов и возможность поворота подвижной части в процессе линейного перемещения.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания пьезоэлектрического линейного шагового двигателя, конструктивное выполнение которого позволило бы упростить конструкцию и технологию изготовления, получить большие усилия при малых габаритах и массе, повысить точность позиционирования.

Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом линейном шаговом двигателе, содержащем корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению, фиксирующие узлы выполнены в виде двух или более пьезоблоков, расположенных в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем первый пьезоблок выполнен из сдвигающего и фиксирующего пьезоэлементов, разрезного фрикционного элемента, разделенных изоляторами, а второй пьезоблок выполнен из фиксирующего пьезоэлемента, разрезного фрикционного элемента и изоляторов, а подвижная часть расположена по оси двигателя и контактирует с разрезными фрикционными элементами.

Пьезоблоки, расположенные в поперечной плоскости, могут иметь форму секторов.

Желательно, чтобы корпус имел форму параллелепипеда, пьезоблоки были выполнены в виде параллелепипедов и были расположены в продольной плоскости друг за другом, а подвижная часть была выполнена в виде стержня прямоугольного поперечного сечения.

Целесообразно, чтобы корпус имел форму многогранника, а пьезоблоки были расположены в поперечной плоскости.

Корпус может иметь вырез, через который подвижная часть выходит за пределы корпуса.

Подвижная часть может иметь не менее одной направляющей, которая входит в соответствующую направляющую на фрикционных элементах.

Пьезоэлементы могут быть выполнены в виде пакета из пьезоэлектрических пластин, колец или их секторов, электроды которых соединены параллельно через один, при этом направление поляризации каждой последующей пьезоэлектрической пластины, кольца или сектора направлено в противоположную сторону от предыдущей.

Промежутки между пьезоблоками желательно заполнить эластичным изоляционным материалом.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг. 1 изображает пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель (первый вариант), вид спереди; фиг. 2 - то же, продольный разрез; фиг. 3 - второй вариант исполнения двигателя, вид спереди; фиг. 4 - то же, продольный разрез; фиг. 5 - третий вариант исполнения двигателя, вид спереди; фиг. 6 - то же, продольный разрез; фиг. 7 - четвертый вариант исполнения двигателя, вид спереди; фиг. 8 - то же, продольный разрез; фиг. 9 - пятый вариант исполнения двигателя, вид спереди;
фиг. 10 - то же, продольный разрез;
фиг. 11 - 16 - такты работы пьезоэлектрического линейного шагового двигателя.

Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель содержит цилиндрический корпус 1 (фиг. 1 и 2), в котором расположены в продольной плоскости друг за другом два пьезоблока 2 и 3, и подвижную часть 4 в виде цилиндрического стержня. Каждый пьезоблок жестко прикреплен к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Пьезоблоки по функциональному предназначению соответственно делятся на пьезоблок сдвигающе-фиксирующий 2 и пьезоблок фиксирующий 3. Пьезоблок сдвигающе-фиксирующий 2 состоит из соединенных между собой (например, склеенных) пьезоэлементов 7 и 8, изоляторов 5 и разрезного фрикционного элемента 6. Пьезоэлемент 7 является сдвигающим, а вектор его начальной поляризации направлен под углом к продольной оси двигателя. Пьезоэлемент 8 является фиксирующим, вектор его начальной поляризации направлен перпендикулярно продольной оси двигателя.

Пьезоблок фиксирующий 3 состоит из фиксирующего пьезоэлемента 9, изоляторов 5 и разрезного фрикционного элемента 6.

Каждый пьезоэлемент имеет электроды, к которым подключены провода (эти элементы на чертеже не показаны).

Промежутки между пьезоблоками 2 и 3 заполнены эластичным изоляционным материалом 10. На поверхности подвижной части 4 выполнена направляющая 11, которая входит в соответствующую направляющую на фрикционных элементах 6. Наличие направляющей 11 исключает возможность поворота цилиндрического стержня. Применение разрезных фрикционных элементов 6 обеспечивает более плотное обжатие подвижной части 4 пьезоблоками 2 и 3.

Возможны другие варианты исполнения пьезоэлектрического линейного шагового двигателя.

Во втором варианте в отличие от первого пьезоблоки 2 (фиг. 3 и 4) и 3 расположены в одной поперечной плоскости и выполнены в виде секторов. Это значительно снижает габаритные размеры и массу двигателя.

Третий вариант (фиг. 5 и 6) отличается от первого формой корпуса, подвижной части и более простой в изготовлении конструкцией пьезоблоков. Корпус 12 имеет форму параллелепипеда, а подвижная часть выполнена в виде стержня 13 прямоугольного поперечного сечения. Пьезоблоки 2 и 3 имеют исполнение, аналогичное первому варианту, и состоят из пьезоэлектрических пластин, изоляторов и фрикционных элементов.

В четвертом варианте (фиг. 7 и 8) корпус выполнен в виде многогранника 14, а пьезоблоки 2 и 3 расположены в одной поперечной плоскости.

В пятом варианте (фиг. 9 и 10) корпус 15 имеет вырез 16, через который подвижная часть 17 выходит за пределы корпуса. Конструктивное использование пьезоблоков аналогично третьему варианту.

Двигатель работает следующим образом.

При подаче на электроды пьезоэлементов положительного напряжения за счет обратного пьезоэффекта происходит сдвиг внутренней части сдвигающего пьезоэлемента 7, вектор поляризации которого направлен под углом к продольной оси двигателя, влево относительно внешней части, закрепленной на корпусе. При подаче положительного напряжения на фиксирующие пьезоэлементы 8 и 9, они зажимают подвижную часть 4, т. к. вектор их поляризации направлен перпендикулярно продольной оси двигателя. При подаче отрицательного напряжения происходит сдвиг внутренней части сдвигающего пьезоэлемента 7 вправо, а фиксирующие пьезоэлементы 8 и 9 отжимаются от подвижной части.

Рабочий цикл состоит из шести тактов.

Положение, соответствующее первому такту, изображено на фиг. 11. На все пьезоэлементы подано положительное напряжение. При этом сдвигающий пьезоэлемент 7 смещен влево, а фиксирующие пьезоэлементы 8 и 9 зажимают подвижную часть 4.

Во втором такте (фиг. 12) на фиксирующий пьезоэлемент 9 подается отрицательное напряжение, при этом он отжимается от подвижной части 4.

В третьем такте (фиг. 13) на сдвигающий пьезоэлемент 7 подается отрицательное напряжение и он, смещаясь вправо, перемещает фиксирующий пьезоэлемент 8 и подвижную часть 4 вправо на один шаг.

В четвертом такте (фиг. 14) на фиксирующий пьезоэлемент 9 подается положительное напряжение и он прижимается к подвижной части 4.

В пятом такте (фиг. 15) на фиксирующий пьезоэлемент 8 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части 4.

В шестом такте (фиг. 16) на сдвигающий пьезоэлемент 7 подается положительное напряжение и он сдвигается вместе с фиксирующим пьезоэлементом 8 влево.

При повторении циклов происходит линейное перемещение подвижной части вправо.

Для увеличения мощности двигателя могут быть установлены дополнительные пьезоблоки, которые можно расположить как в поперечной, так и в продольной плоскости.

Предлагаемый пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель имеет простую конструкцию и технологию изготовления, небольшие габаритные размеры и массу, большое усилие на подвижном элементе, а также позволяет повысить точность позиционирования.


Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными на нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что фиксирующие узлы выполнены в виде двух или более пьезоблоков, расположенных в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем первый пьезоблок выполнен из сдвигающего и фиксирующего пьезоэлементов, разрезного фрикционного элемента, разделенных изоляторами, а второй пьезоблок выполнен из фиксирующего пьезоэлемента, разрезного фрикционного элемента и изоляторов, а подвижная часть расположена по оси двигателя и контактирует с разрезными фрикционными элементами.

2. Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоблоки, расположенные в поперечной плоскости, имеют форму секторов.

3. Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпус имеет форму параллелепипеда, пьезоблоки выполнены в виде параллелепипедов и расположены в продольной плоскости друг за другом, а подвижная часть выполнена в виде стержня прямоугольного поперечного сечения.

4. Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель по п.3, отличающийся тем, что корпус имеет форму многогранника, а пьезоблоки расположены в поперечной плоскости.

5. Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что корпус имеет вырез, через который подвижная часть выходит за пределы корпуса.

6. Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель по любому из пп.1 - 3 или 5, отличающийся тем, что подвижная часть имеет не менее одной направляющей, которая входит в соответствующую направляющую на фрикционных элементах.

7. Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде пакета из пьезоэлектрических пластин, колец или их секторов, электроды которых соединены параллельно через один, при этом направление поляризации каждой последующей пьезоэлектрической пластины, кольца или сектора направлено в противоположную сторону от предыдущей.

8. Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что промежутки между пьезоблоками заполнены эластичным изоляционным материалом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к устройствам для прецизионного перемещения изделий, преимущественно в экологически чистых средах

Изобретение относится к области электротехники , касается магнитострикционных устройств микроперемещений и может быть использовано в контрольно-измерительной, оптико-механической технике, лазерных системах , системах наведения и т.д

Изобретение относится к электротехнике , а именно к исполнительным устройствам малых перемещений, и может быть использовано в станкостроении, приборостроении и других областях техники

Изобретение относится к исследованию поверхности, в частности туннельными микроскопами и литографами

Изобретение относится к устройствам высокоточного позиционирования волоконных световодов

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах ;позицирования - носителей информации и других объектов

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим двигателям, и может быть использовано в наземных и водных транспортных средствах, летательных аппаратах и космической технике

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах точного позиционирования для линейного и вращательного перемещения различных объектов. Техническим результатом является повышение стабильности и надежности работы в условиях высоких температур и радиации. В способе крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе, основанном на формировании функциональной связи между пьезоэлементом, основанием и кареткой двигателя, а также между пьезоэлементом и опорой, прижатой к фрикционной поверхности каретки или основания, пьезоэлемент упруго зажимают соответственно между опорой и основанием или опорой и кареткой. Величину зажимающей силы выбирают так, чтобы она превосходила величину максимальной силы трения покоя между опорой и фрикционной поверхностью и при резком уменьшении размеров пьезоэлемента обеспечивала проскальзывание опоры относительно этой поверхности. Части опоры и/или основания придают степень свободы перемещения в направлении действия сил прижима опоры к фрикционной поверхности. Развивающий зажимающую силу элемент имеет жесткость меньшую, чем жесткость пьезоэлемента, а деформацию, превышающую максимальную рабочую деформацию пьезоэлемента, и выполнен в виде плоской пружины, или упругого шарнира, или спиральной пружины. Все элементы двигателя выполнены из высокотемпературных, радиационно стойких материалов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к синхронному линейному приводу для разгона ротора до гиперзвуковых скоростей. Ротор из магнитожесткого материала с остаточной радиальной намагниченностью выполнен в виде диска с центральным отверстием и расположен между статором и направляющим рельсом из магнитомягкого материала. Обмотка статора формирует бегущее магнитное поле. Взаимодействие магнитных полей ротора и статора приводит к появлению силы, направленной в сторону меньшей напряженности, под действием которой диск разгоняется вдоль направляющего рельса вплоть до гиперзвуковых скоростей. Технический результат состоит в повышении надежности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма управляющих систем прецизионного приборостроения, в оптических системах и др. Технический результат состоит в повышении линейности, точности позиционирования, нагрузочного усилия, надежности и технологичности изготовления. Усиливающий пьезоэлектрический актюатор содержит линейные пьезоэлектрические элементы, перемещаемое звено, выполненное в виде рамки с двумя параллельными противоположными жесткими сторонами и двумя выпуклыми упругими сторонами с жесткими центрами. В рамке выполнены вырезы, образующие изгибные элементы на границах жестких и упругих сторон рамки с внутренней и внешней ее стороны, а также по краям жестких центров с внешней стороны рамки. Четыре пьезоэлектрических пакета из линейных пьезоэлектрических элементов установлены параллельно друг другу на неподвижном основании в форме плиты с тремя вертикальными упорами, ориентированы в одном направлении поляризации и электрически соединены параллельно. Первый и четвертый пьезоэлектрические пакеты поджаты между первым и третьим вертикальными упорами и первой жесткой стороной рамки, а второй и третий - между вторым вертикальным упором и второй жесткой стороной рамки. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в робототехнике, а также в системах, где требуется прецизионное позиционирование объекта вдоль одной координаты. Прецизионный привод линейного перемещения содержит жесткое основание, шарико-винтовую передачу, приводимую в движение вентильным двигателем, основную подвижную платформу, жестко связанную с ходовой гайкой, дополнительную подвижную платформу с позиционируемым объектом, связанную с основной посредством упругих подвесов и приводимую в движение пьезоктуатором. Система управления достигает необходимой точности работы путем сложения скоростей и перемещений двух параллельно работающих систем линейного перемещения, получая информацию с датчиков обратной связи, в качестве которых может быть использованы: магнитный энкодер с установленной вдоль направления движения линейкой для определения с микрометровой точностью положения основной подвижной платформы. Встроенный в пьезоактуатор тензодатчик определяет параметры сжатия/растяжения пьезоактуатора для определения с нанометровой точностью положения дополнительной подвижной платформы с позиционируемым объектом относительно основной. Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей за счет увеличения скорости позиционирования, повышения точности позиционирования при снижении неравномерности линейных перемещений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель

Наверх