CN100344417C - 基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器。它包括由套装在中心轴上、两端分别由惯性质量块和固定套定位、而中间由绝缘隔离套隔离多个双晶压电薄膜构成的驱动机构，以及由双晶压电薄膜外围的刚性框架和与刚性框架固定连接弹性支撑脚构成的移动支持机构；所述的双晶压电薄膜是由弹性金属薄片的两面粘合压电陶瓷片构成，其特征在于双晶压电薄膜同外围的刚性框架相对应为圆形、或正四边形、或正多边形，在靠近边缘有周向均布的3～4个圆形小穿孔；所述的弹性支撑脚为弹性钢丝，贯穿过刚性框架和双晶压电薄膜的圆孔小穿孔而与其相固定连接。本发明结构简单，体积小，推进力较大，前进速度较快，适用于内径为10mm以下超细管道中的微机器人驱动器。

Description

基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器

技术领域

本发明属于利用压电效应的电压驱动型驱动器，也属于能在微细管道内自动行走的微型移动机械技术领域。

背景技术

建筑物和工矿企业中，存在着大量的水管、气管和油管等配管设施。其中管壁内径在10mm及以下的细管应用较多。这些管道经长年使用，管内会腐蚀、阻塞，甚至出现裂缝，给正常使用造成极大隐患，有时会酿成事故。出于保持安全或卫生的需要，必须定期进行管内检查和清理。但现在的管道内走行机构(或称为驱动器、机器人等)，要么径向尺寸太大，无法进入细管道；要么输出的速度和推进力过小，不能满足管道维护作业要求；要么对管道内壁环境要求苛刻，难以实用化；要么机构本身存在发热、功耗大等问题，工作稳定性和可靠性差。因此10mm细管道的驱动器问题，长期没有得到很好解决。

现有技术可以举出两个发明专利：

1)日本电装株式会社，多层驱动器及其移动装置，日本国特许厅，公开特许公报，特许公开平9-37571，1997年2月7日，出愿番号：特许出愿平7-182964，出愿日：1995年7月19日

该发明将多组双晶压电薄膜在同一轴线上并列配置，使每一组双晶压电薄膜所产生的推进力得以叠加。压电薄膜的使用一方面使驱动电压降低，能在较低电压下产生推进力；另一方面也可使驱动器产生较大的位移，提高了整体的移动速度。

双晶压电薄膜是指在薄的弹性金属片的一面或两面粘合压电晶体薄膜片，在外加电场作用下，由于逆压电效应，压电薄膜和金属片一起产生中部隆起的翘曲变形。

该发明的结构和动作原理如下。每一组双晶压电薄膜均为圆盘形，中央都开有圆孔，一根中心轴穿过这些圆孔，将所有双晶压电薄膜并联连接起来，中心轴的一端固定有惯性质量块。双晶压电薄膜的外缘是用细长的弹性材料，把它们相互连接在一起的，该细长弹性材料的两端做成支撑脚并与管道内壁保持接触。当双晶压电薄膜在产生翘曲变形时惯性质量块和支撑脚之间便产生相对运动。在锯齿波电压驱动下，可沿管道前进或后退行走。锯齿波使得双晶压电薄膜产生双向翘曲变形的加速度不一致，加速度小时双晶压电薄膜推动惯性质量块向前运动，由于支撑脚与管壁间存在摩擦阻力，因此驱动器本体保持不动。加速度大时由于惯性力的作用，惯性质量块几乎保持原位不动，支撑脚连同驱动器本体向前滑动。如此周而复始，驱动器便一步一步向前运动。当施加反向锯齿波形电压时，驱动器便向后运动。

该发明存在的问题是，在双晶压电薄膜之间夹有导电套管，套在中心轴上，并与压电片的电极保持接触(压紧)，以导通各压电片并形成电回路，此结构在一定程度上限制了双晶压电薄膜的翘曲变形，使输出速度减小，当双晶压电薄膜的直径很小时甚至不能工作。

2)上海大学，细小管道管壁缺陷探测装置，中国实用新型专利，申请号：00259555.9，申请日：2000年12月11日，2001年6月8日授权。

该发明专利提出了一种由特种机器人爬行器、探测器、CCD视频传输接口、监视器和电源控制器组成的细小管道管壁缺陷探测装置。其中爬行器部分与上述专利基本一致。所不同的是，圆盘形双晶压电薄膜的外缘用圆桶状框形结构加以夹持和固定，在框架外侧安装支撑脚。这样使驱动器的输出推进力得以提高。缺点是此结构在工艺上难以小型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器，能在低电压驱动下，产生较大输出推进力和前进速度，可制成较小尺寸而能在管内径为10mm以下的超细工业与民用管道中稳定、可靠行走的微型机器人驱动器。

为达到上述目的，本发明的构思是：

将多枚具有三层结构的双晶压电薄膜3并联在一起，每一枚双晶压电薄膜的中部有一贯通的中心轴相连1，外围周边有一组刚性框架4、5相连。由于粘附于双晶压电薄膜上的压电陶瓷片较薄，因此可以在较低的电压下使双晶压电薄膜产生较大的曲率变化。通过适当的电路连线，使各压电陶瓷片在同一电场作用下所产生的曲率变化方向一致，这样各双晶压电薄膜所产生的变形方向也一致，都沿中心轴方向的某一侧。输出的推进力有叠加效果，因此推进力较大。为提高驱动器的前进速度，在中心轴上用于夹持双晶压电薄膜的绝缘隔离套6采用锥形结构，同时外围的刚性框架在与双晶压电薄膜的压紧部位加工出倒角，这样就减少了对双晶压电薄膜变形的限制，从而提高驱动器的输出速度。

驱动器的结构设计使得驱动器的横向尺寸减小。具体措施有：1)用钢丝制成的支撑脚7不仅作为驱动器在管道内的支撑，还充当外围刚性框架的紧固件。2)双晶压电薄膜周边仅用四点紧固。3)仅在双晶压电薄膜的有效变形部位粘贴压电陶瓷片，因此双晶压电薄膜的直径减小。

驱动器的各主要零件的机械联结均采用套装、压合和点焊的方式，零件数目少，核心零件双晶压电薄膜和周边框架做成方形结构，非常便于加工制造和安装对中。

驱动器的驱动电压采用脉冲波形，驱动的推进力较大、速度较快，因此支撑脚与管壁的夹紧力可以较大，即使在垂直管道上和曲率较大的弯角处也能克服负载阻力向前爬行。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器，包括由分别套装在中心轴(1)两端的惯性质量块(8)和固定套(2)将中心轴中部的多个绝缘隔离套(6)和多个双晶压电薄膜(3)定位，且绝缘隔离套和双晶压电薄膜彼此间隔，构成了驱动机构，以及由双晶压电薄膜3外围的刚性框架4、5和与刚性框架4、5固定连接弹性支撑脚7构成的移动支持机构；所述的双晶压电薄膜3是由弹性金属薄片9及其面粘合的压电陶瓷片10构成，双晶压电薄膜3同外围的刚性框架4、5相对应为圆形或正四边形或正多边形，在靠近边缘有周向均布的3～4个圆形小穿孔；其特征在于所述的弹性支撑脚7为弹性钢丝，贯穿过刚性框架4、5和双晶压电薄膜3的圆形小穿孔而与其相固定连接。

上述的双晶压电薄膜3又由其弹性金属薄片9受刚性框架4、5所夹，弹性金属薄片9只在刚性框架4、5内框以内的有效变形区上粘合压电陶瓷片10；而且刚性框架4、5在与双晶压薄膜3的压紧部位内侧边加工出倒角，避免妨碍双晶压电薄膜3的变形。

上述的绝缘隔离套6与双晶压电薄膜3接触端为锥形结构，减少两者接触面积，减小妨碍双晶压电薄膜3的变形。

上述的双晶压电薄膜3的驱动电压采用脉冲波形电压。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明中的弹性支撑脚将已有技术中固定于刚性框架外缘而改进为贯穿刚性框架的小穿孔相互固定，则使弹性支撑脚的固定位置向中心轴方向内移，这样，在确保弹性支撑脚有足够长的外露弯折段保持其弹性的情况下，增大了刚性框架的外围尺寸，也即增大了双晶压电薄膜的有效变形面积，增大了其驱动力，增加了驱动器的速度。此外，只在双晶压电薄膜的有效变形区上粘合压电陶瓷片，刚性框架内倒边进行倒角，绝缘隔离套制成锥形结构，驱动电压采用脉冲波电压等改进措施，均有效改善对驱动力的增大，提高驱动速度，在同样的驱动力下，可制出体积较小，横向尺寸小的驱动器。

本发明结构简单，成本低；体积小，特别是横向尺寸小，可以用于超细管道机器人的推进驱动；响应快、控制性好，功耗低，发热小；工作稳定性和可靠性较高；可以在内壁直径较均匀的直、弯管道中行走，可前后双向行走，前进速度可无级调整；输出的推进力较大，前进速度较快。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中的双晶压电薄膜的一种结构示意图，图中的图(a)为主视图，图(b)为中部剖视图。

图3是图1中的双晶压电薄膜的另一种结构示意图，图中的图(c)为主视图，图(d)为侧视图。

图4是图1中端部刚性框架的结构示意图，图中的图(e)为主视图，图(f)为中部剖视图。

图5是图1中的中部刚性框架的结构示意图，图中的图(g)为主视图，图(h)为中部剖视图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

参见图1，基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器共有以下零件组成：中心轴1，固定套2，双晶压电薄膜3，端部刚性框架4，中部刚性框架5，绝缘隔离套6，弹性支撑脚7，惯性质量块8。

惯性质量块3套装在中心轴1的一端，数枚双晶压电薄膜3套装在中心轴的中部，片与片之间用绝缘的隔离套6隔开，固定套2从中心轴1的另一端套入，并压紧隔离套6，使各双晶压电薄膜3沿中心轴1的轴线方向紧固，然后将固定套2在中心轴1上焊死。中部刚性框架5将双晶压电薄膜3隔开，并用端部刚性框架4把它们压紧，压紧后将支撑脚7穿过端部和中部刚性框架4、5的四个顶角部位的孔中，将支撑脚7与端部刚性框架4焊死。

双晶压电薄膜可以做成两种结构形状。如附图2，弹性金属薄片9为方形，压电陶瓷片10为圆形，压电陶瓷片10的直径由计算得出，使其覆盖范围不超过双晶压电薄膜产生最大翘曲时的曲率变化拐点处。如附图3，弹性金属薄片9为方形，压电陶瓷片10为外边缘与弹性金属薄片9相切的八边形，这样在粘贴压电陶瓷片10时很容易对中，减小了微型化后的制造难度。

动作原理：惯性质量块8、中心轴1、隔离套6和固定套2一起构成第一质量块，端部、中部刚性框架和支撑脚一起构成第二质量块。第一质量块与第二质量块的质量之比比较大。两部质量块介于双晶压电薄膜3形成弹性联结，两者可以沿中心轴1方向做同轴相对运动，该相对运动可以受双晶压电薄膜3曲率变化的控制。对双晶压电薄膜3施加固定周期的交变电压，电压变化规律可以是脉冲波形，也可以是缓慢加压与迅速减压相交替的锯齿波形。在脉冲波形作用下，激励频率调谐到驱动器的共振频率附近，由于共振和惯性的复合作用，驱动器获得持续不断的前进冲量，向前行走。在缓慢加压过程中，各双晶压电薄膜3均朝惯性质量块方向突起，使第一质量块和第二质量块之间产生位移，此时由于静摩擦力的作用，支撑脚7与管壁之间保持不动。在迅速减压过程中，由于第一质量块的惯性比第二质量块的惯性大，因此第一质量块的惯性力将克服支撑脚7与管壁间的摩擦力，使其打滑，并使第二质量块向惯性质量块方向前进一步。如此周而复始，驱动器便产生一步一步地向前步进运动。

Claims (4)

1.一种基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器，包括由分别套装在中心轴(1)两端的惯性质量块(8)和固定套(2)将中心轴中部的多个绝缘隔离套(6)和多个双晶压电薄膜(3)定位，且绝缘隔离套和双晶压电薄膜彼此间隔，构成了驱动机构，以及由双晶压电薄膜(3)外围的刚性框架(4、5)和与刚性框架(4、5)固定连接弹性支撑脚(7)构成的移动支持机构；所述的双晶压电薄膜(3)是由弹性金属薄片(9)及其的两面粘合的压电陶瓷片(10)构成，双晶压电薄膜(3)同外围的刚性框架(4、5)相对应为圆形或正四边形或正多边形，在靠近边缘有周向均布的3～4个圆形小穿孔；其特征在于所述的弹性支撑脚(7)为弹性钢丝，贯穿过刚性框架(4、5)和双晶压电薄膜(3)的圆形小穿孔而与其相固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器，其特征在于所述的双晶压电薄膜(3)由其弹性金属薄片(9)受刚性框架(4、5)所夹，弹性金属薄片(9)只在刚性框架(4、5)内框以内的有效变形区上粘合压电陶瓷片(10)；而且刚性框架(4、5)在与双晶压电薄膜(3)的压紧部位内侧边加工出倒角，避免妨碍双晶压电薄膜(3)的变形。

3.根据权利要求1或2所述的基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器，其特征在于所述的绝缘隔离套(6)与双晶压电薄膜(3)接触端为锥形结构，减少两者接触面积，减小妨碍双晶压电薄膜(3)的变形。

4.根据权利要求1所述的基于双晶压电薄膜的微型直线驱动器，其特征在于对所述的双晶压电薄膜(3)的驱动电压采用脉冲波形电压。

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