直线驱动器.pdf

本发明属于直线驱动器，特别是微型直线驱动器。
    据发明人所知和经广东省科学技术情报所检索，目前直线驱动器虽然种类繁多，如电磁式驱动器、空气（油）压驱动器、超声波驱动器、形状记忆合金驱动器、超导体驱动器、橡胶式驱动器等等，但未见与本发明直线驱动器结构和原理相同的，而且现有的直线驱动器都共同的存在着一个突出的缺点，就是可控制精度不高，而且噪声大和结构复杂等问题，据发明人所知，现有驱动器最高精度为2um，这一精度对许多超精细加工，如刻光栅等，还不能满足要求的。此外，现有直线驱动器还分别存在着带负载能力差、运行速度慢和行程小等问题。

    本发明针对现有直线驱动器存在控制精度不够的问题，提出一种与现有直线驱动器工作原理和结构完全不同的微型直线驱动器，以提高其可控制精度，满足多种精密加工的需要，特别是刻光栅的应用等。同时也降低其噪音和使其结构更加简单，此外也提高其运行速度、行程和带负载能力等。

    本发明的微型直线驱动器的工作原理，仿自然界虫类爬行的方法，首先是两端固定，然后松开前端，使中间伸出，并固定前端，再松开后端并使中间缩回，完成向前爬行一步的动作。具体技术方案如下：本发明的微型直线驱动器，由固定部件（导轨）和可动部件、输出轴和电源控制器（包括单片机和放大电路等，本技术领域的一般技术人员可以实施）组成（如图1所示）。其可动部件的前端、后端、中间分别设有可控形体的元件（或器件）。由电源控制器输出控制信号，分别控制前端、后端、中间的可控形体的元件（或器件）。驱动器工作时，首先控制可动部件的前端、后端可控元件形变（张大），使可动部件前端、后端固定于固定部件上，再控制前端可控元件复原，使可动部件前端与固定部件松开，之后使中间可控元件形变（伸长或缩短），使可动部件前端向前伸出（或缩后），然后控制前端可控元件形变，使可动部件前端固定于固定部件上，同时，控制后端可控元件复原，使可动部件后端与固定部件松开和控制中间可控元件复原，完成驱动器向前（缩后）步进一步的动作。显然上述的结构因可控元件（或器件）而异，而且控制可控元件（或器件）的电信号（电压或电流）地大小，控制时间的长短，即完成一步动作的周期等，都根据可控元件（或器件）的性质（如形变的线性中域、响应的速度等）和工作的要求来设计。

    上述可控元件最简单的是采用PZT（压电元件）。如果可控元件采用PZT，且可动部件前、后端可控元件PZT采用电压控制、中间可控元件PZT采用电流控制，则其相应的控制应产生如附图2所示的脉冲信号。从附图2中可以看到，改变图中脉冲信号的宽度，就可以控制驱动器步进的频率（步进一步的时间）;控制对可动部件中间可控元件电流的幅值，则可以控制驱动器每步的步长。改变电源控制器中单片机的编程可以对驱动器步进频率、步长进行控制，达到准确控制驱动器的目的。根据上述本发明驱动器的结构，驱动器的可动部件的前端、后端和中间可控元件可以是一个，也可以是由多个构成;固定部件（导轨）可长可短，以适应各种目的的需要。

    所以，本发明驱动器的精度是以驱动器步进一步的距离为单位，即以可动部件中间可控元件形变的程度为单位，其精度可以达到0.1um，而其带负载的能力、位变的大小、行程等都可以根据不同的需要来设计。

    本发明的一个实施例和附图说明如下：图1是驱动器固定部件（导轨）1、可动部件2，输出轴3与电源控制器13的结构示意图。图中的可控元件均为PZT，可动部件2前端可控元件PZT4和后端可控元件PZT5，都采用电压控制，可通过可动部件2上以圆弧缺口最薄点7为支点的作用臂8作用于固定部件1上;而可动部件2中间可控元件6则采用电流控制且被置于应变圈（或腔）9中，应变圈（腔）9的应变点10也采用圆弧缺口;在应变圈（腔）9的应变点10上，还可以装有应变电阻11，并反馈给电源控制器13，以控制中间可控元件6的形变稳定，进一步提高步长的精度;可动部件2上的抓爪12由摩擦材料做成，以增加与固定部件（导轨）1的摩擦力，提高带负载的能力。图2是与上述驱动器相应的控制信号，第一组和第二组分别控制可动部件2前端可控元件PZT4和后端可控元件PZT5，纵座标表示电压（V），横座标为时间（t），第三组脉冲信号控制中间可控元件PZT6，一般为可控恒流控制，其纵座标表示电流（I），横座标为时间（t）。