ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H02N2/00 H01L41/09 

Изобретение относится к области электрических двигателей, а более точно касается пьезоэлектрических шаговых двигателей, и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в электротехнике, телемеханике, радиотехнике и автоматике.

Известен пьезоэлектрический двигатель, статор которого содержит пьезоэлектрический полый цилиндр, внутри которого расположен цилиндрический ротор, фрикционно взаимодействующий со статором (Авторское свидетельство СССР N 573828, МКИ H 01 L 41/00).

Однако этот двигатель не может осуществлять линейное перемещение цилиндрического ротора.

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 сложную конструкцию и осуществляет только линейное перемещение подвижной части и не может вращать подвижную часть.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания пьезоэлектрического шагового двигателя, конструктивное выполнение которого позволило бы упростить конструкцию и технологию изготовления, повысить усилие и точность позиционирования подвижной части при ее вращении, линейном перемещении и осуществлении совместного движения (вращения и линейного перемещения).

Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом шаговом двигателе, содержащем корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, согласно изобретению фиксирующие узлы выполнены из не менее двух сдвигающе-фиксирующего и вращательно-фиксирующего пьезоблоков, расположенных в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем сдвигающе-фиксирующий пьезоблок состоит из соединенных между собой сдвигающего и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента, а вращательно-фиксирующий пьезоблок состоит из соединенных между собой вращательного и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента, при этом при расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки имеют вид секторов.

Желательно, чтобы пьезоэлементы при расположении в продольной плоскости были выполнены в виде набора из пьезоэлектрических колец или при расположении в поперечной плоскости - секторов, электроды которых были соединены параллельно через один, при этом направление поляризации каждого последующего пьезоэлектрического кольца или сектора было направлено в противоположную сторону от предыдущего.

Промежутки между пьезоблоками могут быть заполнены эластичным изоляционным материалом.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает пьезоэлектрический 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. 5-10 - такты работы пьезоэлектрического шагового двигателя при линейном перемещении подвижной части, продольный разрез;
фиг. 11 - первый такт работы двигателя при вращении подвижной части, поперечные разрезы двух пьезоблоков;
фиг. 12-16 - остальные такты работы пьезоэлектрического шагового двигателя при вращении подвижной части.

Пьезоэлектрический шаговый двигатель содержит цилиндрический корпус 1 (фиг. 1 и 2), фиксирующие узлы в виде двух пьезоблоков 2 и 3 и подвижную часть 4, выполненную в виде цилиндрического стержня. Пьезоблок 2 является сдвигающе-фиксирующим и состоит из соединенных между собой (например, склеенных) сдвигающего пьезоэлемента 5, фиксирующего пьезоэлемента 6, изоляторов 7 и фрикционного элемента 8. Пьезоблок 3 является вращательно-фиксирующим и состоит из соединенных между собой вращательного пьезоэлемента 9, фиксирующего пьезоэлемента 10, изоляторов 7 и фрикционного элемента 8.

Сдвигающий пьезоэлемент 5 имеет вектор начальной поляризации, направленный под углом к продольной оси двигателя. Сдвигающий пьезоблок 5 осуществляет перемещение подвижной части 4 вдоль продольной оси двигателя.

Фиксирующие пьезоэементы 6 и 10 производят фиксацию подвижной части 4, вектор их начальной поляризации направлен (радиально) перпендикулярно продольной оси двигателя.

Фрикционные элементы 8 выполнены в виде разрезного кольца, что обеспечивает более плотное обжатие подвижной части 4 фиксирующими пьезоэементами 6 и 10.

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

Промежутки между пьезоблоками 2 и 3 заполнены эластичным изоляционным материалом 11.

Во втором варианте исполнения пьезоэлектрического шагового двигателя пьезоблоки 2 (фиг. 3 и 4) и 3 расположены в одной поперечной плоскости и выполнены в виде секторов.

Двигатель работает следующим образом.

При подаче на электроды сдвигающего пьезоэлемента 5 (фиг. 11-16) положительного напряжения за счет обратного пьезоэффекта происходит сдвиг его внутренней части влево относительно внешней части, закрепленной на корпусе. А при подаче отрицательного напряжения на сдвигающий пьезоэлемент 5 происходит сдвиг внутренней части вправо. При подаче на электроды вращательного пьезоэлемента 9 положительного напряжения за счет обратного пьезоэффекта происходит сдвиг внутренней части кольца на угол α против часовой стрелки относительно диаметральной линии A₁ А₂, при этом точка В, расположенная на внутренней части кольца, смещается по дуге на угол α против часовой стрелки. При подаче отрицательного напряжения на электроды вращательного пьезоэлемента 9 происходит сдвиг внутренней части кольца на угол α по часовой стрелке относительно диаметральной линии A₁ А₂, при этом точка В смещается по дуге на угол α по часовой стрелке. При подаче положительного напряжения на фиксирующие пьезоэлементы 6 и 10 происходит обжим подвижной части 4, а при подаче отрицательного напряжения эти пьезоэлементы отжимаются от подвижной части 4.

Пьезоэлектрический шаговый двигатель может осуществлять различные виды движений: линейное перемещение подвижной части; вращательное движение; совместно линейное и вращательное движения; различные комбинации этих движений.

Рабочий цикл состоит из шести тактов.

На фиг. 5-10 показаны такты работы пьезоэлектрического шагового двигателя при линейном перемещении подвижной части 4. В этом случае в работе участвуют сдвигающий пьезоэлемент 5 и фиксирующий пьезоэлемент 6 пьезоблока 2 и фиксирующий пьезоэлемент 10 пьезоблока 3.

В первом такте (фиг. 5) на пьезоэлементы 5, 6 и 10 подано положительное напряжение, при этом внутренняя часть сдвигающего пьзоэлемента 5 и фиксирующий пьезоэлемент 6 пьезоблока сведены влево, а пьезоэлементы 6 и 10 обжимают подвижную часть 4. Вращательный пьезоэлемент 9 не участвует в линейном перемещении и может занимать любое положение, которое не изменяется во время работы двигателя.

Во втором такте (фиг. 6) на фиксирующий пьезоэлемент 10 подается отрицательное напряжение, и он отжимается от подвижной части 4.

В третьем такте (фиг. 7) на сдвигающий пьезоэлемент 5 подается отрицательное напряжение и он, сдвигаясь вправо, посредством фиксирующего пьезоэлемента 6 перемещает подвижную часть 4 вправо на один шаг.

В четвертом такте (фиг. 8) на фиксирующий пьезоэлемент 10 подается положительное напряжение и он обжимает подвижную часть.

В пятом такте (фиг. 9) на фиксирующий пьезоэлемент 6 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части 4.

В шестом такте (фиг. 10) на сдвигающий пьезоэлемент 5 подается положительное напряжение и он сдвигается вместе с фиксирующим пьезоэлементом 6 влево. При повторении циклов происходит линейное шаговое перемещение подвижной части 4 вправо.

При вращении подвижной части 4 работа двигателя осуществляется по схеме, представленной на фиг. 11-16. В работе участвуют все пьезоэлементы, кроме сдвигающего пьезоэлемента 5, который может занимать любое положение, неизменное в процессе работы двигателя в режиме вращения. Рабочий цикл состоит из шести тактов.

Положение, соответствующее первому такту, показано на фиг. 11. На пьезоэлементы 6, 9 и 10 подано положительное напряжение, при этом вращательный пьезоэлемент 9 смещен на угол α против часовой стрелки, а фиксирующие пьезоэлементы 6 и 10 зажимают подвижную часть 4.

Во втором такте (фиг. 12) пьезоблок 3 находится в том же состоянии, а на фиксирующий пьезоэлемент 5 пьезоблока 2 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части 4.

В третьем такте (фиг. 13) отрицательное напряжение подается на вращательный пьезоэлемент 9, который поворачивает фиксирующий пьезоэлемент 10 на угол α по часовой стрелке вместе с подвижной частью 4.

В четвертом такте (фиг. 14) на фиксирующий пьезоэлемент 6 подается положительное напряжение и он обжимает подвижную часть 4.

В пятом такте (фиг. 15) на фиксирующий пьезоэлемент 10 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части 4.

В шестом такте (фиг. 16) положительное напряжение подается на вращательный пьезоэлемент 9, который смещает фиксирующий пьезоэлемент 10 на угол 2α против часовой стрелки.

Для осуществления реверса необходимо изменить порядок подачи напряжения на фиксирующие пьезоэлементы.

Для увеличения мощности пьезоэлектрический шаговый двигатель может быть снабжен дополнительными пьезоблоками, которые могут быть расположены как в поперечной, так и в продольной плоскости двигателя.

Предлагаемый пьезоэлектрический шаговый двигатель имеет простую конструкцию и технологию изготовления, небольшие габаритные размеры и массу, большое усилие на подвижной части и большой крутящийся момент, а также позволяет совмещать линейное движение подвижной части и ее вращение.

Использование: в качестве исполнительного механизма в электротехнике, телемеханике и т.д. Пьезоэлектрический шаговый двигатель содержит корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть. Фиксирующие узлы выполнены из не менее двух сдвигающе-фиксирующего и вращательно-фиксирующего пьезоблоков, расположенных в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости. Сдвигающе-фиксирующий пьезоблок состоит из соединенных между собой сдвигающего и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента, а вращательно-фиксирующий пьезоблок состоит из соединенных между собой вращательного и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента. При расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки имеют вид секторов. Технический результат: упрощение конструкции, технологии изготовления, повышение усилия и точности позиционирования. 2 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Пьезоэлектрический шаговый двигатель, содержащий корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть, отличающийся тем, что фиксирующие узлы выполнены из не менее двух сдвигающе-фиксирующего и вращательно-фиксирующего пьезоблоков, расположенных в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем сдвигающе-фиксирующий пьезоблок состоит из соединенных между собой сдвигающего и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента, а вращательно-фиксирующий пьезоблок состоит из соединенных между собой вращательного и фиксирующего пьезоэлементов, изоляторов и фрикционного элемента, при этом при расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки имеют вид секторов. 2. Пьезоэлектрический шаговый двигатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы при расположении в продольной плоскости выполнены в виде набора из пьезоэлектрических колец или при расположении в поперечной плоскости - секторов, электроды которых соединены параллельно через один, при этом направление поляризации каждого последующего пьезоэлектрического кольца или сектора направлено в противоположную сторону от предыдущего. 3. Пьезоэлектрический шаговый двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что промежутки между пьезоблоками заполнены эластичным изоляционным материалом.