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 цилиндрический 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 предлагаемому 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 осуществлять вращение подвижной части.

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 при совместном движении (одновременное вращение и линейное перемещение).

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 чем двух пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем первый пьезоблок содержит вращательный, сдвигающий и фиксирующий пьезоэлементы, изоляторы и фрикционный элемент, а второй пьезоблок содержит фиксирующий пьезоэлемент, изоляторы и фрикционный элемент, который фрикционно взаимодействует с подвижной частью, при этом при расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки выполнены в форме секторов.

Пьезоэлементы при расположении в продольной плоскости могут быть выполнены в виде пакета 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.

Промежутки между пьезоблоками могут быть заполнены эластичным изоляционным материалом.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, 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.

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 содержит вращательный пьезоэлемент 5, сдвигающий пьезоэлемент 6, фиксирующий пьезоэлемент 7, изоляторы 8 и фрикционный элемент 9. Все пьезоэлементы, изоляторы и фрикционные элементы, образующие пьезоблоки 2 и 3, соединены между собой (например, склеены) и соединены с цилиндрическим корпусом 1. Вращательный пьезоэлемент 5 осуществляет угловое смещение подвижной части 4 вокруг собственной оси, вектор поляризации его направлен под углом к продольной плоскости. Сдвигающий пьезоэлемент 6 производит линейное перемещение подвижной части вдоль оси двигателя, вектор его начальной поляризации направлен под углом к продольной оси двигателя. Фиксирующий пьезоэлемент 7 осуществляет фиксацию подвижной части 4, вектор его начальной поляризации направлен (радиально) перпендикулярно продольной оси двигателя.

Пьезоблок 3 выполняет фиксирующую функцию и содержит фиксирующий пьезоэлемент 10, изоляторы 8 и фрикционный элемент 9. Фиксирующий пьезоэлемент 10 имеет вектор поляризации, направленный (радиально) перпендикулярно продольной оси двигателя.

Фрикционный элемент 9 выполнен в виде разрезного кольца, что обеспечивает более плотное обжатие подвижной части 4 фиксирующими пьезоэлементами 7 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, 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.

Двигатель работает следующим образом.

При подаче на электроды вращательного пьезоэлемента 5 (фиг. 11-16) положительного напряжения за счет обратного пьезоэффекта происходит поворот внутренней части кольца против часовой стрелки на угол α относительно диаметральной линии A₁A₂, а при подаче отрицательного напряжения - поворот внутренней части по часовой стрелке на угол α относительно диаметральной линии A₁A₂. При подаче на электроды сдвигающего пьезоэлемента 6 положительного напряжения за счет обратного пьезоэффекта происходит сдвиг внутренней части влево относительно внешней части кольца, а при подаче отрицательного напряжения - сдвиг внутренней части вправо относительно внешней части кольца. При подаче положительного напряжения на электроды фиксирующих пьезоэлементов 7 и 10 происходит обжим им подвижной части 4, а при подаче отрицательного напряжения он отжимается от подвижной части 4.

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

Рабочий цикл двигателя состоит из шести тактов.

Работа двигателя в режиме линейного перемещения подвижной части показана на фиг. 5-10. В этом случае в работе участвуют сдвигающий пьезоэлемент 6 и фиксирующий пьезоэлемент 7 пьезоблока 2 и фиксирующий пьезоэлемент 10 пьезоблока 3. Первому такту соответствует положение пьезоэлементов 6, 7 и 10 (фиг. 5), когда на них подано положительное напряжение. Вращательный пьезоэлемент 5 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 6 подается отрицательное напряжение и он, сдвигаясь вправо, посредством фиксирующего пьезоэлемента 7 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 4. В пятом такте (фиг. 9) на фиксирующий пьезоэлемент 7 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части 4. В шестом такте (фиг. 10) на сдвигающий пьезоэлемент 6 подается положительное напряжение и он сдвигается вместе с фиксирующим пьезоэлементом 7 влево. При повторении циклов происходит линейное перемещение подвижной части 4 вправо.

При вращении подвижной части 4 работа двигателя осуществляется по схеме, представленной на фиг. 11-16. На фиг. 11 изображено положение, соответствующее первому такту. В работе участвуют все пьезоэлементы, кроме сдвигающего пьезоэлемента 6, который может занимать любое положение, неизменное в процессе работы. На все остальные пьезоэлементы подано положительное напряжение. Во втором такте (фиг. 12) на фиксирующий пьезоэлемент 10 подано отрицательное напряжение, при этом он отжимается от подвижной части 4. В третьем такте (фиг. 13) отрицательное напряжение подается на вращательный пьезоэлемент 5, который поворачивает сдвигающий 6, фиксирующий 7 пьезоэлементы и подвижную часть 4 на угол α по часовой стрелке. В четвертом такте (фиг. 14) положительное напряжение подается на фиксирующий пьезоэлемент 10, который обжимает подвижную часть 4. В пятом такте (фиг. 15) на фиксирующий пьезоэлемент 7 подается отрицательное напряжение и он отжимается от подвижной части. В шестом такте (фиг. 16) положительное напряжение подается на вращательный пьезоэлемент 5, который поворачивает сдвигающий 6, фиксирующий 7 пьезоэлементы против часовой стрелки на угол α.. При повторении циклов происходит вращение подвижной части по часовой стрелке.

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, большой крутящийся момент, а также позволяет совмещать линейное движение подвижной части и ее вращение.

Использование: в качестве исполнительного механизма в электронике, телемеханике и т.д. Сущность изобретения: пьезоэлектрический шаговый двигатель содержит корпус с закрепленными в нем фиксирующими узлами и подвижную часть. Фиксирующие узлы выполнены из не менее чем двух пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости. Первый пьезоблок содержит вращательный, сдвигающий и фиксирующий пьезоэлементы, изоляторы и фрикционный элемент, а второй пьезоблок содержит фиксирующий пьезоэлемент, изоляторы и фрикционный элемент, который фрикционно взаимодействует с подвижной частью. При расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки выполнены в форме 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 чем двух пьезоблоков, которые расположены внутри корпуса в продольной плоскости друг за другом или в поперечной плоскости, причем первый пьезоблок содержит вращательный, сдвигающий и фиксирующий пьезоэлементы, изоляторы и фрикционный элемент, а второй пьезоблок содержит фиксирующий пьезоэлемент, изоляторы и фрикционный элемент, который фрикционно взаимодействует с подвижной частью, при этом при расположении пьезоблоков в поперечной плоскости пьезоблоки выполнены в форме секторов. 2. Пьезоэлектрический шаговый двигатель по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы при расположении в продольной плоскости выполнены в виде пакета 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.