ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H02N2/04 

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.

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.

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.