RU2727610C1 - Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель - Google Patents
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2727610C1 RU2727610C1 RU2019119539A RU2019119539A RU2727610C1 RU 2727610 C1 RU2727610 C1 RU 2727610C1 RU 2019119539 A RU2019119539 A RU 2019119539A RU 2019119539 A RU2019119539 A RU 2019119539A RU 2727610 C1 RU2727610 C1 RU 2727610C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rod
- frame
- spacer
- flexible hinges
- piezoelectric motor
- Prior art date
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 45
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims abstract description 13
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как исполнительный элемент для прецизионных перемещений в оптико-механических приборах, в технологическом оборудовании для микроэлектроники, в системах автоматического наведения, в механических сканирующих устройствах и пьезоприводах. Технический результат состоит в увеличении жесткости конструкции и конструктивной независимости двигателя от величины стержня. Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель содержит основание, приводной механизм, левый и правый прижимающие механизмы, включающие пьезоэлементы и гибкие шарниры, направляющий и выходной стержни. Направляющий и выходной стержни выполнены в виде единого цилиндрического стержня. Приводной механизм представляет собой одноконтурный механический преобразователь, состоящий из рамки с гибкими шарнирами, внутри которой установлены два пьезоэлемента и проставка между ними. Прижимающие механизмы представляют собой двухконтурные механические преобразователи, состоящие из внешней и внутренней рамок, расположенных перпендикулярно друг к другу и содержащие гибкие шарниры. Внешняя рамка содержит два пьезоэлемента, каждый из которых с одной стороны имеют проставку, а с другой стороны опорную площадку, которая крепится к рамке. На внутренней рамке закреплены губки захвата стержня с возможностью их перемещения внутри проставки. Прижимающие и приводной механизмы являются единым неразъемным элементом. 5 ил.
Description
Изобретение относится к области электротехники и автоматики и может быть использовано как исполнительный элемент для прецизионных перемещений в оптико-механических приборах, в технологическом оборудовании для микроэлектроники, в системах автоматического наведения, в механических сканирующих устройствах и пьезоприводах.
Известен линейный пьезодвигатель, содержащий неподвижный и подвижный корпуса, соединенные упругими элементами, шток, пьезоэлементы с рычагами прямого и обратного хода, которые жестко закреплены на подвижном корпусе. [Патент РФ №2617209 Линейный пьезоэлектрический двигатель / С.В.Пономарев, С.В. Рикконен, А.В. Азии, С.А. Орлов]. Недостаток конструкции заключается в том, что для организации реверсивной работы линейного пьезодвигателя используются по два, встречно расположенных пьезоэлемента, имеется подвижный корпус, дополнительные упругости - это увеличивает массогабаритные характеристики и усложняет управление устройством.
Известен линейный пьезоэлектрический двигатель [Патент РФ №2390090 Линейный пьезоэлектрический двигатель / А.Л. Гриценко, А.Я. Сафронов], который содержит ползун с направляющими и пьезоприводную систему, состоящую из замкнутой рамки с упругим элементом в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях. В рамку вставлен пьезоэлемент продольного удлинения. На концах рамки в плоские пружины вставлены пьезоэлементы поперечных перемещений. Недостаток конструкции заключается в невысокой жесткости конструкции двигателя.
Наиболее близким (прототип) к заявляемому устройству является линейный пьезоэлектрический двигатель [Patent CN №104410323 Large linear displacement of the piezoelectric actuator and method of the clamp with power / UNIV XI AN JIAOTONG(CN)]. Двигатель содержит основание, эллиптический приводной механизм, направляющий и выходной стержень, левый и правый сжимающие механизмы, которые соответственно закреплены винтами на двух концах основания. Каждый сжимающий механизм состоит из пьезоэлектрического элемента, гибких шарниров и двух сжимающих элементов для фиксации стержня. Между левым и правым сжимающими механизмами расположен эллиптический приводной механизм с пьезоэлектрическим элементом. Направляющий стержень и выходной стержень соответственно соединены с левым концом и правым концом эллиптического приводного механизма и фиксируются в сжимающих механизмах.
Основной недостаток конструкции прототипа заключается в ограничении перемещений стержня за счет эллиптического приводного механизма, увеличение диапазона перемещения стержня возможно лишь за счет увеличения основания двигателя, что повлечет увеличение массогабаритных показателей. Кроме этого, надежность конструкции прототипа во многом зависит от надежности конструкционного узла направляющий стержень-эллиптический приводной механизм-выходной стержень, который должен держать всю нагрузку, оказываемую на двигатель при его работе.
Выше перечисленный недостаток исключает предложенная конструкция линейного шагового пьезоэлектрического двигателя.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в увеличении жесткости конструкции и конструктивной независимости двигателя от величины стержня.
Технический результат достигается тем, что линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель содержит основание, левый прижимающий механизм, приводной механизм и правый прижимающий механизм, включающие пьезоэлементы и гибкие шарниры, направляющий и выходной стержни, причем направляющий и выходной стержни выполнены в виде единого цилиндрического стержня, при этом приводной механизм представляет собой одноконтурный механический преобразователь, состоящий из рамки с гибкими шарнирами, внутри которой установлены два пьезоэлемента и проставка между ними, а прижимающие механизмы представляют собой двухконтурные механические преобразователи, состоящие из внешней и внутренней рамок, расположенных перпендикулярно друг к другу и содержащие гибкие шарниры, при этом внешняя рамка содержит два пьезоэлемента, каждый из которых с одной стороны имеют проставку, с другой стороны опорную площадку, которая крепиться к внешней рамке, а на внутренней рамке закреплены губки захвата стержня с возможностью их перемещения внутри проставки, причем прижимающие и приводной механизмы являются единым неразъемным элементом.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
Фиг. 1 - Схема линейного шагового пьезоэлектрического двигателя.
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель состоит из основания (1); стержня (2), двух прижимающих механизмов (3) и приводного механизма (4). Прижимающие (3) и приводной (4) механизмы являются единым неразъемным элементом. Основание (1) с помощью винтов (5) крепится сбоку к прижимающему механизму (3). Стержень (2) проходит сквозь прижимающие (3) и приводной (4) механизмы и основание (1) и фиксируется прижимающими механизмами (3). Приводной механизм (4) представляет собой одноконтурный механический преобразователь, состоящий из рамки (6) с гибкими шарнирами (7), внутри которой установлены два пьезоэлемента (8) и проставка (9) между ними. Прижимающие механизмы (3) выполнены в виде двухконтурных механических преобразователей, которые состоят из внешней (10) и внутренней (11) рамок, расположенных перпендикулярно друг к другу и содержащие гибкие шарниры (7), при этом внешняя рамка (10) содержит два пьезоэлемента (8), каждый из которых с одной стороны имеют проставку (12), с другой стороны опорную площадку (13), которая винтами (14) крепиться к внешней рамке (10), а на внутренней рамке (11) с помощью элементов крепления (15) и (16) закреплены губки захвата стержня (17) с возможностью их перемещения внутри проставки (12).
Фиг. 2 - Схема работы двухконтурного механического преобразователя.
При подаче напряжения на пьезоэлементы, пьезоэлементы увеличиваются в длину и, упираясь в проставку, давят на внешнюю рамку (10). Внешняя рамка увеличивается в длину и сужается в ширину, тем самым воздействуя на внутреннюю рамку (11). При этом внутренняя рамка (11) сужается в ширину и увеличивается в длину.
Фиг. 3 - Конечно-элементная модель линейного шагового пьезоэлектрического двигателя. Результаты испытания на жесткость.
Расчет жесткости конструкции линейного шагового пьезоэлектрического двигателя проводился с помощью пакета конечно-элементного анализа NX. В процессе численного моделирования решались задачи:
1. Определение жесткости конструкций предлагаемого привода и прототипа при оптимальном режиме работы
2. Определение тянущего усилия предлагаемого привода и прототипа
Были разработаны модели предлагаемого привода и прототипа. Конечно-элементная модель предлагаемого привода состоит из 1019346 элементов типа Tetra 4, Неха 8 и 1314883 узлов. Конечно-элементная модель прототипа состоит из 229115 элементов типа Tetra 4 и 52961 узлов. Материал конструкции приводов - сталь 10. Размеры и масса предлагаемого привода и прототипа: 20×20×50 мм при массе 30 г.
Конструкция прототипа при использовании указанного материала согласно КЭ расчету не может обеспечить тянущее усилие выше 11 Н. Конструкция предлагаемого привода при использовании указанного материала обеспечивает тянущее усилие 20 Н.
По результатам расчета определено, что максимальное удлинение конструкции линейного шагового пьезоэлектрического двигателя при тянущем усилии 20 Н составило 10,2 мкм (Фиг. 3а). При этом напряжение в элементах двигателя не превысило 72 МПа при 20 Н (Фиг. 3б). Следовательно, жесткость всей системы линейного шагового пьезоэлектрического двигателя составляет 2 Н/мкм.
Максимальное удлинение конструкции прототипа при тянущем усилии 11 Н составляет 13,1 мкм (Фиг. 3в). При этом напряжение в элементах прототипа не превышает 107 МПа (Фиг. 3 г). Следовательно, жесткость всей системы составляет 0,84 Н/мкм.
Построение КЭМ и процедуры вычислений относятся к «ноу-хау» изобретения и в данной заявке не рассматривается.
Фиг. 4 - Схема работы линейного шагового пьезоэлектрического двигателя.
Фиг. 5 - Пример практической реализации линейного шагового пьезоэлектрического двигателя.
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель (18) такой конструкции (габариты 20×20×50 мм, масса 30 гр) можно использовать в качестве устройства для натяжения шнуров рефлектора (УНПШ). Данное устройство крепится на спице рефлектора (19) (Фиг. 5а), шнур рефлектора фиксируется на стержне (2) двигателя (18). При необходимости шнур можно натягивать или ослаблять при формировании силового каркаса рефлектора для улучшении его отражающей способности. Причем данная конструкция линейного шагового пьезоэлектрического двигателя (18) позволяет использовать стержень (2) любой длины, что позволяет увеличивать диапазон регулировки шнура рефлектора. На (Фиг. 5б) приведена схема работы УНПШ.
Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель работает следующим образом.
В начальном положении прижимные механизмы (3) фиксируют стержень (2) за счет упругих сил двухконтурных механических преобразователей (Фиг. 4а). Подается управляющий сигнал на пьезоэлементы (8) левого прижимающего механизма, пьезоэлементы (8) увеличиваются, при этом внешняя рамка (10) сужается, сжимая внутреннюю рамку (11), причем губки захватов стержня (17) расходятся и стержень (2) освобождается, при этом правый прижимной механизм фиксирует стержень (2) (Фиг. 4б). Подается управляющий сигнал на пьезоэлементы (8) приводного механизма (4), пьезоэлементы (8) увеличиваются, при этом рамка (6) сужается и смещает разжатый левый прижимающий механизм к правому прижимающему механизму (Фиг. 4в). Снимается управляющий сигнал с левого прижимающего механизма и стержень (2) фиксируется (Фиг. 4 г). Подается управляющий сигнал на пьезоэлементы (8) правого прижимающего механизма, пьезоэлементы (8) увеличиваются, при этом внешняя рамка (10) сужается, сжимая внутреннюю рамку (11), причем губки захватов стержня (17) расходятся и стержень (2) освобождается, при этом левый прижимающий механизм фиксирует стержень (2) (Фиг. 4д). Снимается управляющий сигнал с пьезоэлементов (8) приводного механизма, пьезоэлементы (8) уменьшаются, при этом рамка (6) расширяется и смещает разжатый правый прижимающий механизм от левого прижимающего механизма (Фиг. 4е). Снимается управляющий сигнал с правого прижимающего механизма и стержень фиксируется (Фиг. 4ж). Шаг завершен, для дальнейшего перемещения стержня (2) необходимо повторить описанный порядок действий.
Направление и скорость движения линейного шагового пьезоэлектрического двигателя или его стержня определяется управляющими сигналами контроллера двигателя.
Из приведенного примера реализации следует, что достигается положительный эффект изобретения - увеличение жесткости конструкции и конструктивная независимость двигателя от величины стержня.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2617209 Российская Федерация, Линейный пьезоэлектрический двигатель, МПК H02N 2/02 / Пономарев С.В., Рикконен С.В., Азии А.В., Орлов С.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет". - опубл. 24.04.2017.
2. Пат. 2390090 Российская Федерация, МПК H02N 2/02, H01L 41/09. Линейный пьезоэлектрический двигатель / Гриценко А.Л., Сафронов А.Я.; заявитель и патентообладатель ОАО "Научно исследовательский институт "Элпа" с опытным производством". - опубл. 20.05.2010.
3. Pat. 104410323 Chine, МПК H02N 2/02, H02N 2/04. Large linear displacement of the piezoelectric actuator and method of the clamp with power / Shao Shubao; Xu Minglong; Song Siyang; Chen Nan; Applicant Univ Xi an Jiaotong(CN). - bibliographic data 11.03.2015.
Claims (1)
- Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель, состоящий из основания, левого прижимающего механизма, приводного механизма и правого прижимающего механизма, включающих пьезоэлементы и гибкие шарниры, направляющего и выходного стержней, отличающийся тем, что направляющий и выходной стержни выполнены в виде единого цилиндрического стержня, при этом приводной механизм представляет собой одноконтурный механический преобразователь, состоящий из рамки с гибкими шарнирами, внутри которой установлены два пьезоэлемента и проставка между ними, а прижимающие механизмы представляют собой двухконтурные механические преобразователи, состоящие из внешней и внутренней рамок, расположенных перпендикулярно друг к другу, и содержащие гибкие шарниры, при этом внешняя рамка содержит два пьезоэлемента, каждый из которых с одной стороны имеет проставку, с другой стороны - опорную площадку, которая крепится к рамке, а на внутренней рамке закреплены губки захвата стержня с возможностью их перемещения внутри проставки, причем прижимающие и приводной механизмы являются единым неразъемным элементом.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019119539A RU2727610C1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019119539A RU2727610C1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2727610C1 true RU2727610C1 (ru) | 2020-07-22 |
Family
ID=71741405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019119539A RU2727610C1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2727610C1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU720576A1 (ru) * | 1977-03-04 | 1980-03-05 | Предприятие П/Я А-1081 | Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель |
| RU2156535C2 (ru) * | 1996-06-05 | 2000-09-20 | Окатов Юрий Владимирович | Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель |
| RU2390090C1 (ru) * | 2009-01-23 | 2010-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (ОАО "НИИ "Элпа") | Линейный пьезоэлектрический двигатель |
| CN103326616A (zh) * | 2013-05-28 | 2013-09-25 | 西安交通大学 | 一种大步长尺蠖式作动器 |
| CN104410323A (zh) * | 2014-12-01 | 2015-03-11 | 西安交通大学 | 具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器及方法 |
| RU2617209C1 (ru) * | 2016-03-31 | 2017-04-24 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Линейный пьезоэлектрический двигатель |
-
2019
- 2019-06-21 RU RU2019119539A patent/RU2727610C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU720576A1 (ru) * | 1977-03-04 | 1980-03-05 | Предприятие П/Я А-1081 | Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель |
| RU2156535C2 (ru) * | 1996-06-05 | 2000-09-20 | Окатов Юрий Владимирович | Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель |
| RU2390090C1 (ru) * | 2009-01-23 | 2010-05-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (ОАО "НИИ "Элпа") | Линейный пьезоэлектрический двигатель |
| CN103326616A (zh) * | 2013-05-28 | 2013-09-25 | 西安交通大学 | 一种大步长尺蠖式作动器 |
| CN104410323A (zh) * | 2014-12-01 | 2015-03-11 | 西安交通大学 | 具有断电钳位功能的直线大位移压电作动器及方法 |
| RU2617209C1 (ru) * | 2016-03-31 | 2017-04-24 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Линейный пьезоэлектрический двигатель |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11679514B2 (en) | Variable stiffness robotic gripper based on layer jamming | |
| BR8803363A (pt) | Dispositivo de fechamento para moldes para a fabricacao de objetos de plastico termoplastico | |
| RU2727610C1 (ru) | Линейный шаговый пьезоэлектрический двигатель | |
| JP4334413B2 (ja) | 小型材料試験装置および材料試験方法 | |
| CN107911043A (zh) | 一种磁致伸缩式拼接多镜面的双级位移调节机构 | |
| JPH0714279B2 (ja) | リニアアクチュエータ | |
| CN203495965U (zh) | 基于压电扭转高频振动释放的微夹持器 | |
| KR20030074624A (ko) | 스트레인/전기 전위 트랜스듀서 | |
| CN1845443B (zh) | 一种任意行程高精度直线驱动器 | |
| US2469346A (en) | Fatigue-testing machine | |
| KR100876617B1 (ko) | 압전 구동기를 이용한 장행정 정밀 이송 장치 | |
| KR100977840B1 (ko) | 자동이송용접로봇의 클램핑 장치 | |
| CN112345363A (zh) | 线缆性能测量设备 | |
| JPH035893Y2 (ru) | ||
| SU1259144A1 (ru) | Устройство дл суммировани числа циклов нагружени детали | |
| JPH035894Y2 (ru) | ||
| RU17963U1 (ru) | Мембранный привод | |
| SU1430807A1 (ru) | Устройство дл испытани образцов на прочность | |
| WO2019167352A1 (ja) | 波動伝搬機構 | |
| SU1078146A1 (ru) | Электрогидравлический усилитель | |
| JP3035455B2 (ja) | 制振装置用油圧アクチュエータ | |
| SU855431A1 (ru) | Устройство дл испытани гибких образцов на усталость при циклическом изгибе с раст жением | |
| JPH0610338Y2 (ja) | 光スキヤナ− | |
| JP5229647B2 (ja) | 制振装置 | |
| SU739672A1 (ru) | Способ управлени линейным шаговым приводом |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210622 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220405 |