專利名稱：步進式納米直線電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動器，具體涉及一種步進式納米直線電機，適用于大行程、 納米級精度、雙向直線驅(qū)動。
背景技術(shù)：
在納米技術(shù)的研究工作中，納米級控制及定位被認為是納米技術(shù)的核心之一， 為納米技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。納米級微位移技術(shù)在光學(xué)工程、生物 工程、超精密加工及測量等方面都有著廣泛的應(yīng)用。
壓電陶瓷驅(qū)動器因其體積小(幾立方毫米 幾十立方毫米)、位移分辨率高(納米 級)、響應(yīng)速度快(幾十微秒)、輸出力大、換能效率高等優(yōu)點，是目前微位移技術(shù)中 比較理想的驅(qū)動元件，但其行程只有數(shù)十微米，大大限制了其應(yīng)用范圍。
為了解決壓電陶瓷驅(qū)動器小行程的問題，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了基于柔性鉸 鏈的放大結(jié)構(gòu)，但其放大倍數(shù)有限，放大行程約幾十至上百微米；基于摩擦的沖擊 放大機構(gòu)，理論上行程可以無限大，但其驅(qū)動力??；基于尺蠖結(jié)構(gòu)的放大機構(gòu)，存 在去電不定位和控制復(fù)雜(需要3組控制信號和3組控制電源)的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種步進式納米直線電機， 以獲得較大的驅(qū)動力和較大的微位移行程。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種步進式納米直線電機，其特點在于由箝位機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、杠桿機構(gòu)、 預(yù)緊機構(gòu)、機架、輸出體和導(dǎo)軌組成
所述的箝位機構(gòu)由縱向壓電陶瓷驅(qū)動器和箝位體構(gòu)成，所述的箝位體的一側(cè)與 所述的杠桿機構(gòu)的一端鉸接，所述的縱向壓電陶瓷驅(qū)動器一端固接在所述的機架上， 另一端頂在所述的箝位體的底面，所述的箝位體上端面的凸臺對準所述的輸出體以 便箝位；所述的驅(qū)動機構(gòu)由剪切壓電陶瓷驅(qū)動器和轉(zhuǎn)換體組成，所述的剪切壓電陶 瓷驅(qū)動器固接在所述的轉(zhuǎn)換體的凹槽內(nèi)，該剪切壓電陶瓷驅(qū)動器的上端鉗緊所述的 輸出體；所述的杠桿機構(gòu)的一端接所述的箝位體，該杠桿機構(gòu)的支點鉸接在所述的 機架上，該杠桿機構(gòu)的另一端鉸接在所述的轉(zhuǎn)換體上；
所述的預(yù)緊機構(gòu)的一端固定在所述的機架上，另一端頂靠在所述的轉(zhuǎn)換體上；所述的導(dǎo)軌由交叉滾柱導(dǎo)軌內(nèi)導(dǎo)軌和外導(dǎo)軌構(gòu)成；所述的輸出體與所述的的內(nèi) 導(dǎo)軌用螺栓連接；所述的外導(dǎo)軌與所述的機架通過螺栓連接。所述的輸出體在所述 的導(dǎo)軌的限制下，只有一維平動自由度。
所述的預(yù)緊機構(gòu)由彈簧和預(yù)緊螺釘構(gòu)成，所述的彈簧的一端頂靠所述的轉(zhuǎn)換體， 該彈簧的另一端擠壓所述的預(yù)緊螺釘，該預(yù)緊螺釘通過螺紋連接在所述的機架上。
所述的箝位機構(gòu)可為兩套，沿位移方向緊靠在所述的驅(qū)動機構(gòu)的兩端。
本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明利用杠桿位移變換原理，所述的驅(qū)動機構(gòu)與箝位機構(gòu)依次交替鉗緊所述 的輸出體，循環(huán)地進行驅(qū)動運動和箝位運動，可以達到毫米量級行程。當斷電時， 由于預(yù)緊機構(gòu)的作用，使箝位機構(gòu)鉗緊輸出體，產(chǎn)生保持定位的摩擦力，實現(xiàn)斷電 定位功能。 '
本發(fā)明具有控制簡單(只需要2組控制信號和2組控制電源)，易加工，斷電保 持定位的特點，適用于大行程、納米級精度、大負載、雙向直線驅(qū)動的場合。


圖1是本發(fā)明步進式納米直線電機運動初始狀態(tài)示意圖
圖2是本發(fā)明步進式納米直線電機運動第一過程的狀態(tài)示意圖
圖3是本發(fā)明步進式納米直線電機運動第二過程的狀態(tài)示意圖
圖4是本發(fā)明步進式納米直線電機運動第三過程的狀態(tài)示意圖
圖5是本發(fā)明步進式納米直線電機另一實施例結(jié)構(gòu)半剖主視圖
圖6是本發(fā)明步進式納米直線電機另一實施例結(jié)構(gòu)俯視圖
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保 護范圍。
先請參閱圖1，見圖1是本發(fā)明的步進式納米直線電機運動初始狀態(tài)示意圖， 由圖可見，本發(fā)明步進式納米直線電機由箝位機構(gòu)l、驅(qū)動機構(gòu)2、杠桿機構(gòu)3、預(yù) 緊機構(gòu)4、機架5、輸出體6和導(dǎo)軌7組成
所述的箝位機構(gòu)1由縱向壓電陶瓷驅(qū)動器l-2和箝位體1-1構(gòu)成，所述的箝位體 1-1的一側(cè)與所述的杠桿機構(gòu)3的一端鉸接，所述的縱向壓電陶瓷驅(qū)動器1-2—端固
接在所述的機架5上，另一端頂在所述的箝位體1-1的底面，所述的箝位體1-1上端 面的凸臺對準所述的輸出體6以便箝位；
所述的驅(qū)動機構(gòu)2由剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2和轉(zhuǎn)換體2-1組成，所述的剪切壓 電陶瓷驅(qū)動器2-2固接在所述的轉(zhuǎn)換體2-l的凹槽中，該剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2鉗 緊所述的輸出體6;
所述的杠桿機構(gòu)3的一端接所述的箝位體1-1，該杠桿機構(gòu)3的支點鉸接在所述 的機架5上，該杠桿機構(gòu)3的另一端鉸接在所述的轉(zhuǎn)換體2-1上；
所述的預(yù)緊機構(gòu)4的一端固定在所述的機架5上，另一端頂靠在所述的轉(zhuǎn)換體
2-1上；
所述的導(dǎo)軌7由交叉滾柱導(dǎo)軌的內(nèi)導(dǎo)軌和外導(dǎo)軌構(gòu)成；所述的輸出體6與所述 的內(nèi)導(dǎo)軌用螺栓連接；所述的外導(dǎo)軌與所述的機架5通過螺栓連接。
所述的預(yù)緊機構(gòu)4由彈簧4-1和預(yù)緊螺釘4-2構(gòu)成，所述的彈簧4-1的一端頂壓 所述的轉(zhuǎn)換體2-l，該彈簧4-l另一端擠壓所述的預(yù)緊螺釘4-2，該預(yù)緊螺釘4-2通 過螺紋連接在所述的機架5上。
本發(fā)明步進式納米直線電機在未通電狀態(tài)下，如圖1所示，箝位機構(gòu)1與輸出 體6相互脫離，不產(chǎn)生相互作用；驅(qū)動機構(gòu)2在預(yù)緊機構(gòu)4的作用下，所述的剪切 壓電陶瓷驅(qū)動器2-2鉗緊輸出體6,產(chǎn)生保持定位的摩擦力；
見圖2，圖2是本發(fā)明的步進式納米直線電機運動第一過程的狀態(tài)示意圖，對 所述的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2施加正向電壓，產(chǎn)生剪切形變，依靠所述的剪切壓 電陶瓷驅(qū)動器2-2與所述的輸出體6間的摩擦力，推動所述的輸出體6在導(dǎo)軌7的 限制下，產(chǎn)生A方向輸出位移d (d為nm量級)，完成驅(qū)動運動；
圖3是本發(fā)明的步進式納米直線電機運動第二過程的狀態(tài)示意圖，此時對縱 向壓電陶瓷驅(qū)動器l-2施加正向電壓，產(chǎn)生伸長運動，推動箝位體1-1產(chǎn)生豎直向上 位移，經(jīng)過杠桿3的位移轉(zhuǎn)換，所述的驅(qū)動機構(gòu)2產(chǎn)生豎直向下的位移，所述的剪 切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2脫離所述的輸出體6，壓縮所述的預(yù)緊機構(gòu)4;同時，所述的 箝位體l-l與所述的輸出體6接觸，鉗緊輸出體6，產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦保持力。對所述 的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2施加反向電壓，產(chǎn)生反向剪切最大位移，完成箝位運動。
圖4是本發(fā)明的步進式納米直線電機運動第三過程的狀態(tài)示意圖，減小施加 在所述的縱向壓電陶瓷驅(qū)動器1-2上的電壓，產(chǎn)生收縮運動，則驅(qū)動機構(gòu)2在預(yù)緊機構(gòu)4的作用下，推動所述的驅(qū)動機構(gòu)2鉗緊所述的輸出體6，即剪切壓電陶瓷驅(qū) 動器2-2鉗緊輸出體6，箝位體1-1脫離輸出體6。這樣，完成了一個驅(qū)動周期。
依次循環(huán)上述運動的第一過程，第二過程和第三過程，可產(chǎn)生毫米量級的位移 輸出。
如要進行反方向運動，則只需要在上述運動第一過程中對所述的剪切壓電陶瓷 驅(qū)動器2-2施加負向電壓，在上述運動第二過程中對剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2施加正 向電壓即可。
請參閱圖5，圖5是本發(fā)明的步進式納米直線電機另一實施例的結(jié)構(gòu)半剖主視圖， 是一種具有兩套箝位機構(gòu)的步進式納米直線電機，兩套箝位機構(gòu)沿所述的驅(qū)動機構(gòu)
的位移方向緊靠在所述的驅(qū)動機構(gòu)兩端。結(jié)構(gòu)機架是在整塊鋁合金材料(7075-T6) 上，通過線切割加工出來的；整體結(jié)構(gòu)是關(guān)于中心軸對稱的，可以平衡熱變形以及 消除結(jié)構(gòu)原理誤差。結(jié)構(gòu)上的鉸鏈是通過柔性鉸鏈8來實現(xiàn)的；第一箝位機構(gòu)由連 桿1-3、箝位體1-1、縱向壓電陶瓷驅(qū)動器l-2構(gòu)成和第二箝位機構(gòu)由連桿1-6、箝位 體l-4、縱向壓電陶瓷驅(qū)動器l-5組成；連桿l-3—端鉸接在機架5上，另一端鉸接 在箝位體1-1上；縱向壓電陶瓷驅(qū)動器1-2外形尺寸，大于機架5和箝位體1-1之間 尺寸，形成過盈尺寸配合，將其鑲嵌到機架5與箝位體l-〖之間；第二連桿1-6 —端 鉸接在機架5上，另一端鉸接在第二箝位體1-4上；縱向壓電陶瓷驅(qū)動器1-5外形尺 寸，大于機架5和箝位體1-4之間尺寸，形成過盈尺寸配合，將其鑲嵌到所述的機 架5與所述的第二箝位體1-4之間，箝位體1-1和箝位體1-4的上端面均為凸臺。
所述的驅(qū)動機構(gòu)由剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2、連桿2-3、連桿2-4、連桿2-5、連 桿2-6和轉(zhuǎn)換體2-1組成；所述的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2用膠結(jié)工藝固接在所述的 轉(zhuǎn)換體2-l的凹槽內(nèi)；連桿2-3，連桿2-4，連桿2-5和連桿2-6的一端鉸接在機架5 上，另一端鉸接在轉(zhuǎn)換體2-l上，組成復(fù)合平行四桿導(dǎo)向機構(gòu)。
所述的杠桿機構(gòu)3由杠桿3-l和杠桿3-2組成;杠桿3-l的支點鉸接在機架5上， 其一端鉸接在箝位體1-1上，另一端鉸接在轉(zhuǎn)換體2-1上；杠桿3-2的支點鉸接在機 架5上，其一端鉸接在箝位體l-4上，另一端鉸接在轉(zhuǎn)換體2-l上。預(yù)緊機構(gòu)由彈簧 4-1、預(yù)緊螺釘4-2和彈簧4-3、預(yù)緊螺釘4-4組成；彈簧4-1 一端頂壓轉(zhuǎn)換體2-1， 一端擠壓預(yù)緊螺釘4-2;預(yù)緊螺釘4-2通過螺紋連接在機架5上，彈簧4-3—端頂壓 轉(zhuǎn)換體2-1， 一端擠壓預(yù)緊螺釘4-4;所述的預(yù)緊螺釘4-4通過螺紋連接在機架5上， 通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘4-2和預(yù)緊螺釘4-4，調(diào)整剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2與輸出體6間的正壓力，從而可調(diào)節(jié)保持定位的摩擦力。導(dǎo)軌7安裝固定在機架5上，限制輸出 體6只具有一維平動自由度。
當剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2鉗緊輸出體6時，對所述的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2 施加正電壓，所述的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2發(fā)生剪切形變，所述的輸出體6輸出 一維平動位移，產(chǎn)生驅(qū)動運動。當縱向壓電陶瓷驅(qū)動器1-2和縱向壓電陶瓷驅(qū)動器 1-5同時施加正電壓控制信號時，箝位體1-1在連桿1-3和杠桿3-1的導(dǎo)向作用及所 述的縱向壓電陶瓷驅(qū)動器1-2的推動下，產(chǎn)生豎直向上運動；對稱的箝位體1-4在連 桿l-6和杠桿3-2的導(dǎo)向作用及縱向壓電陶瓷驅(qū)動器l-5推動下，產(chǎn)生豎直向上運動； 所述的箝位體1-1和箝位體1-4上端面兩凸臺同時鉗緊輸出體6;所述的轉(zhuǎn)換體2-1 在上述復(fù)合平行四桿導(dǎo)向機構(gòu)和杠桿3-1和3-2的共同作用下，產(chǎn)生豎直向下運動， 帶動所述的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2脫離所述的輸出體6，同時改變施加在所述的剪 切壓電陶瓷驅(qū)動器2-2上的電場方向，產(chǎn)生箝位運動。
控制兩組電壓驅(qū)動信號(驅(qū)動運動信號和箝位運動信號)，在杠桿機構(gòu)作用下， 進行驅(qū)動運動和箝位運動的循環(huán)，可以達到毫米量級的行程。
見圖6，是本發(fā)明的步進式納米直線電機實施例的結(jié)構(gòu)俯視圖，所述的導(dǎo)軌7 由交叉滾柱導(dǎo)軌內(nèi)導(dǎo)軌7-2和7-4和外導(dǎo)軌7-1和7-3構(gòu)成；所述的輸出體6與所述 的交叉滾柱導(dǎo)軌的內(nèi)導(dǎo)軌7-2和7-4用螺栓連接；所述的交叉滾柱導(dǎo)軌的外導(dǎo)軌7-1 和7-3與所述的機架5通過螺栓連接。則所述的輸出體6〃在所述的導(dǎo)軌7的限制下 只具有一維平動自由度。
本發(fā)明提出的電機速度為
v=2dx/，
其中2d為電機的步距，/為電機驅(qū)動頻率。
本發(fā)'^S電機的輸出力取決于箝位機構(gòu)與輸出體6以及驅(qū)動機構(gòu)與輸出體6間的 正壓力及摩擦系數(shù)。
本發(fā)明適用于大行程、低速度、高精度定位的場合。
權(quán)利要求
1.一種步進式納米直線電機，其特征在于由箝位機構(gòu)(1)、驅(qū)動機構(gòu)(2)、杠桿機構(gòu)(3)、預(yù)緊機構(gòu)(4)、機架(5)、輸出體(6)和導(dǎo)軌(7)組成所述的箝位機構(gòu)(1)由縱向壓電陶瓷驅(qū)動器(1-2)和箝位體(1-1)構(gòu)成，所述的箝位體(1-1)的一側(cè)與所述的杠桿機構(gòu)(3)的一端鉸接，所述的縱向壓電陶瓷驅(qū)動器(1-2)一端固接在所述的機架(5)上，另一端頂在所述的箝位體(1-1)的底面，所述的箝位體(1-1)上端面的凸臺對準所述的輸出體(6)以便箝位；所述的驅(qū)動機構(gòu)(2)由剪切壓電陶瓷驅(qū)動器(2-2)和轉(zhuǎn)換體(2-1)組成，所述的剪切壓電陶瓷驅(qū)動器(2-2)固接在所述的轉(zhuǎn)換體(2-1)的凹槽中，該剪切壓電陶瓷驅(qū)動器(2-2)鉗緊所述的輸出體(6)；所述的杠桿機構(gòu)(3)的一端接所述的箝位體(1-1)，該杠桿機構(gòu)(3)的支點鉸接在所述的機架(5)上，該杠桿機構(gòu)(3)的另一端鉸接在所述的轉(zhuǎn)換體(2-1)上；所述的預(yù)緊機構(gòu)(4)的一端固定在所述的機架(5)上，另一端頂壓在所述的轉(zhuǎn)換體(2-1)上；所述的導(dǎo)軌(7)由交叉滾柱導(dǎo)軌的內(nèi)導(dǎo)軌和外導(dǎo)軌構(gòu)成；所述的輸出體(6)與所述的內(nèi)導(dǎo)軌用螺栓連接；所述的外導(dǎo)軌與所述的機架(5)通過螺栓連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的步進式納米直線電機，其特征在于所述的預(yù)緊機構(gòu) (4)由彈簧(4-1)和預(yù)緊螺釘(4-2)構(gòu)成，所述的彈簧(4-1)的一端頂壓所述的轉(zhuǎn)換體(2-1)，該彈簧(4-1)的另一端擠壓所述的預(yù)緊螺釘(4-2),該預(yù)緊螺釘(4-2) 通過螺紋連接在所述的機架(5)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的步進式納米直線電機，其特征在于所述的箝位 機構(gòu)(1)為兩套并緊靠在所述的驅(qū)動機構(gòu)(2)的位移方向的兩端。
全文摘要
一種步進式納米直線電機，其特征在于該電機由箝位機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、杠桿機構(gòu)、預(yù)緊機構(gòu)、機架、輸出體和導(dǎo)軌組成。箝位機構(gòu)是利用縱向壓電陶瓷驅(qū)動器作為驅(qū)動元件，通過杠桿位移轉(zhuǎn)換實現(xiàn)驅(qū)動機構(gòu)與輸出體脫離，箝位體鉗緊輸出體，產(chǎn)生箝位運動；驅(qū)動機構(gòu)，在彈簧的預(yù)緊作用下，剪切壓電陶瓷驅(qū)動器鉗緊輸出體，利用其剪切逆壓電效應(yīng)，實現(xiàn)驅(qū)動運動。通過重復(fù)的驅(qū)動運動和箝位運動，可以產(chǎn)生較大行程位移量。本發(fā)明具有控制簡單、易加工，斷電保持定位的特點，適用于大行程、納米級精度、大負載、雙向直線驅(qū)動的場合。
文檔編號H02N2/02GK101369786SQ20081020102
公開日2009年2月18日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者朱健強, 勇 王, 斌 王 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所