CN103078551A - 电场式驱动器 - Google Patents

Abstract

一种将电能转换为机械能出力的驱动装置，特别涉及一种电场式驱动器，包括驱动电路和致动器两部分，致动器包括若干个压电驱动片（5），其特征在于：压电驱动片（5）的一端设置有转轴（3），该转轴分别安装连接在连接板（11）或（24b）上，另一端固定连接连接板（9）或设置转轴（25），转轴（25）安装连接在连接板（24a），连接板（9、24a）上设置安装缓冲电阻（8）和必要的电极导线（7、10），连接块（23）固定连接两压电驱动片（5），通过由驱动电路同时对压电陶瓷片充电和放电实现控制各压电驱动片（5）的一起出力和复位，达到驱动器整体大出力大位移的目的，其节能环保效果显著，性能优良。

Description

电场式驱动器

技术领域

本发明提供一种电场式驱动器，属于将电能转换为机械能出力的驱动装置领域，可广泛代替各种电磁式驱动器以及应用于各种需要将电能转换为机械能出力的场合。

背景技术

目前普遍使用的驱动器主要为电磁式驱动器，它是通过对电磁线圈通过电流产生磁场，继而吸引衔铁输出动力和位移的，电磁式驱动器为电流驱动的，功耗很大，发热严重，并产生大量电磁噪声和音频噪音，其寿命很有限；基于逆压电效应之纵效应工作的叠层型压电致动器价格非常昂贵，目前仅应用于要求非常高的高精尖端设备；基于逆压电效应之横效应工作的压电双晶片致动器尽管节能，输出位移较大，但出力太小，不能普及应用。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种能耗极低、大出力大位移、寿命长、结构简单成本低、响应迅速、工作稳定可靠的电场式驱动器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明电场式驱动器包括致动器和驱动电路两部分，其特征在于：在弹性基板的两面或仅一个面粘贴压电陶瓷片，以此作成压电驱动片，把若干压电驱动片合理组合在一起作成致动器，从而把若干压电驱动片的出力和位移相叠加在一起，在驱动电路的控制驱动下共同输出动力和位移，达到大出力和大位移的目的。

本发明采用压电陶瓷片作为从电能到机械能的转换材料，本发明的压电陶瓷片基于逆压电效应之横效应或电致应变效应工作的，其稳态时仅通过极微小的漏电流，相比同规格电磁铁其功耗忽略不计，将它作成压电驱动片结构可使压电陶瓷片的位移得到许多倍的放大，而压电驱动片的结构非常简单，其生产成本低，压电驱动片自身无可动部件，其寿命很长，且响应很快，工作稳定可靠，并且发生意外卡死无响应的极端情况也不会损坏压电驱动片。

进一步，在紧临压电驱动片的一个侧面旁边设置挡板，以防止意外的过负荷冲击损伤压电驱动片。

更进一步，压电驱动片要串联缓冲电阻，以免初始充电电流对压电陶瓷片的冲击损害，为了便于连接缓冲电阻和提高响应速度，电容量大的压电驱动片的一个电极面按纵向均匀分割出若干小电极。

再进一步，压电驱动片可设置包括一片或多片压电陶瓷片，且压电陶瓷片可包括单层或多层压电陶瓷体，以使压电驱动片的结构简单紧凑，同一致动器使用特性一致的压电驱动片。

再者，致动器的可动部件的电气连线采用软导线，以适应致动器的可靠稳定工作需要。

本发明电场式驱动器的压电驱动片采用通电弯曲变形的工作方式。基于此，致动器包括转动式和直动式两种类型实施例，其特征分别为：

转动式实施例：把各压电驱动片的一端用一连接板等间距固定连接在一起，把各压电驱动片的另一端用转轴通过另一连接板等间距连接在一起，以使两个连接板产生相对平行运动输出动力和位移。

直动式实施例：每两片压电驱动片的两端分别用转轴通过两连接板等间距连接在一起组成基本单元，此两片压电驱动片按照相反弯曲变形方向配置，各相邻基本单元依次通过压电驱动片中部的连接块固定连接在一起。

各缓冲电阻设置安装在致动器的连接板上，以减少致动器的引线数量，简化结构。

本发明所述的压电驱动片的出力和复位是通过由驱动电路对压电陶瓷片充电和放电实现的，而不另加其它机械复位装置。

本发明所述的驱动电路包括整流电路、开关隔离电路、电压逻辑判断电路和放电开关电路，其中整流电路不设置在输入为直流电压的驱动电路中。整流电路把输入的交流电压转换成直流电压，该直流电压分别输入开关隔离电路和电压逻辑判断电路，开关隔离电路主要实现开关功能，电压逻辑判断电路根据输入电压的有无控制放电开关的导通或截止，存在输入电压时，开关隔离电路导通，放电开关电路截止，向各压电驱动片提供驱动电压，使驱动器出力；没有输入电压时，开关隔离电路截止，开关放电电路导通，各压电驱动片迅速释放存储的电荷，使驱动器复位。

本发明所述的驱动电路完全采用半导体电子电路设计，无任何机械可动部件，其中优选方案是：熔断器FU串联在输入电压回路中，起短路保护作用；采用桥式整流电路；开关隔离电路包括一个二极管D5；电压逻辑判断电路包括电阻R1—R3、电容C1和C2、二极管D6和反相器IC，反相器IC所需的电源和输入信号电压由串联电阻R1—R3把整流输出的直流电压进行分压取得，储能电容C2向反相器IC提供稳定可靠的电压，二极管D6相当于一个开关，使储能电容C2只能经二极管D6支路充电，而不能放电，滤波电容C1用于稳定反相器IC的输入信号电压；放电开关电路包括限流电阻R4和场效应三极管VT，反相器IC的输出端Y直接连接场效应三极管VT的栅极，场效应三极管VT的漏极串联电阻R4，以防过大的瞬时冲击电流损坏场效应三极管VT；电容C3对驱动电路的输出电压进行有限的调压，它不耗能；输入为直流电压的驱动电路中不设置整流二极管D1—D4、电容C1和电容C3，以消除不必要的材料消耗。反相器IC和场效应三极管VT优选场效应器件，尤其是CMOS器件，以降低电路功耗。此电路功耗很低，使用元器件少，结构很简单，材料消耗很少，工作稳定可靠。

各压电驱动片JZ1—JZn可分别包括一个或多个压电陶瓷片，各压电陶瓷片电极之间可采用串联或并联的连接关系，以适应驱动电路输出电压的要求，并有助于产品的系列化规格化。

本发明电场式驱动器所具有的有益效果是：本发明选择压电陶瓷片作为从电能到机械能的转换媒介，而压电陶瓷片为电压驱动，自身具有功耗极低、产生力大，响应快的特点，通过理论分析和大量实验验证，优选逆压电效应之横效应或电致应变效应作为电—机转换机制，可使压电陶瓷片发挥出最大限度的转换效率。压电驱动片结构简单，小型、轻量，成本低，性能稳定可靠，寿命长，即使发生意外卡死无响应的极端情况也不会损坏压电驱动片。本发明采用电气放电复位方式，无其它机械复位装置，整体结构简单，体积小。本发明所述的驱动电路完全采用半导体电子电路设计，无任何机械可动部件，反相器IC和场效应三极管VT优选场效应器件，尤其是CMOS器件，电路结构很简单，材料消耗很少，电路的功耗很低，寿命长，无电磁噪声，基于此，电路板的体积很小，可以把驱动电路的电路板与致动器封装在一起，使本发明电场式驱动器整体结构紧凑，体积小巧，便于应用。通过科学合理的设计，把若干压电驱动片组合在一起作成致动器，在驱动电路的控制驱动下共同输出动力和位移，达到大出力和大位移的目的。

通过根据本发明制作出的电场式驱动器实物可知：电场式驱动器整体稳态功耗约为同规格电磁式驱动的1/350,其节能效果十分显著；而成本远远低于叠层压电致动器；电场式驱动器无电磁噪声和音频噪音，无任何发热现象。在电场式驱动器中，致动器功耗约占总功耗的0.015，其节能潜力很大。

本发明电场式驱动器表现出一系列优异性能，具有显著的经济和社会效益，具有十分广阔的发展前景。

附图说明

图1所示为本发明的原理方框图；

图2所示为在弹性基板两侧表面均粘贴压电陶瓷片的压电驱动片示意图；

图3所示为在弹性基板的一侧表面粘贴压电陶瓷片的压电驱动片示意图；

图4所示为具有电极分割的压电驱动片示意图；

图5所示为本发明实施例之转动式致动器实施例；

图6所示为本发明实施例之直动式致动器实施例；

图7所示为本发明实施例之直动式致动器实施例的输出动力和位移的示意图；

图8所示为适用于输入为交流电压的驱动电路电气原理图；

图9所示为适用于输入为直流电压的驱动电路电气原理图；

图10所示为图6的局部放大图。

其中：1、压电陶瓷片  2、弹性基板  3、25、转轴  4、分割后的小电极  5（JZ1—JZn）、压电驱动片  6、挡板  7、缓冲电阻与压电驱动片间连线  8（r1—rn）、缓冲电阻  9、11、24a、24b连接板  10电极连线  23、连接块  26、27、28软引线  FU、熔断器  D1—D6、二极管  R1—R4、电阻  C1—C3、电容  IC、与非门  VT、场效应三极管；在图8和图9中，虚线框包围部分为致动器部分。

具体实施方式

本发明电场式驱动器包括驱动电路和致动器两部分。下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述：

图5是本发明实施例之转动式致动器实施例，压电驱动片5的一端固定安装在连接板9上，压电驱动片5的另一端通过转轴3安装在连接板11上，在紧临压电驱动片5的一个侧面旁边设置挡板6，挡板6固定安装在连接板9上，缓冲电阻8设置在连接板9上，缓冲电阻8通过连线7与压电驱动片5的一个电极串联，两根公共电极连线10分别连接缓冲电阻8和压电驱动片5的另一电极，由两根公共电极连线10连接引线至驱动电路，使连线简化，提高可靠性。把两个连接板中的一个固定（例如把连接板9固定），当驱动电路向各压电驱动片5提供工作电压时，各压电驱动片5一起产生弯曲变形，使两个连接板9、10产生相对平行运动，由连接板10输出动力和位移，挡板6能防止意外的过负荷冲击损伤压电驱动片5。此实施例的基本特点是：致动器的输出位移量等于压电驱动片5的端点偏移量；致动器的输出力量等于所有压电驱动片5的出力之和。

图6是本发明实施例之直动式致动器实施例，每两片压电驱动片5的两端分别用转轴3、25通过两连接板24b、24a等间距连接在一起组成基本单元，此两片压电驱动片5按照相反弯曲变形方向配置，各相邻基本单元依次通过压电驱动片5中部的连接块23固定连接在一起，缓冲电阻8设置在连接板24a上，缓冲电阻8通过软导线连线27与压电驱动片5的一个电极串联，两根公共电极连线10分别连接缓冲电阻8和压电驱动片5的另一电极，由两根公共电极连线10连接软导线连线26至驱动电路，各连接板24a的两根公共电极连线10之间通过软导线连线28相连接。把直动式致动器的最下端固定，当驱动电路向各压电驱动片5提供工作电压时，各压电驱动片5一起产生弯曲变形，其变形效果演示于图7，由最上端的压电驱动片5中部输出动力和位移。此实施例的基本特点是：致动器的输出位移量等于各压电驱动片5的中部偏移量之和；致动器的输出力量等于单个压电驱动片5的中部出力。

致动器包括若干压电驱动片，压电驱动片包括两种结构：图2中，在弹性基板2的两侧均设置粘贴压电陶瓷片1，此结构根据逆压电效应之横效应工作，可作单向或双向驱动使用；图3中，在弹性基板2的一侧设置粘贴压电陶瓷片1，此结构根据逆压电效应之横效应工作时，可作单向或双向驱动使用，根据电致应变效应工作时，仅作单向驱动使用。为增大出力和位移，且要使结构紧凑，压电陶瓷片可包括单层或多层压电陶瓷体。

压电陶瓷片是电压驱动的，显电容性，实验表明其初始充电电流会损害压电驱动片，缩短其使用寿命，通过串联一定的缓冲电阻可解决此问题，电容量越大，则串联的缓冲电阻阻值越大，但这样会大大降低响应速度，通过对压电陶瓷片的一个电极面进行电极分割就可解决此问题，电极分割的方式见附图4，按压电驱动片的纵向对压电陶瓷片的一个电极面分割出若干小电极4，按纵向分割有利于缓冲电阻的连线，各小电极4分别串联缓冲电阻。当然也可用若干电容量小的压电陶瓷片粘贴在弹性基板2的一侧形成附图4所示的电极形式。

本发明电场式驱动器采用压电陶瓷作为电能到机械能的转换媒介，对压电陶瓷施加一定的电压，产生电场，在电场力的作用下，压电陶瓷的极化发生变化，从而产生应变和出力。与电磁式驱动器对应，本发明定名为电场式驱动器。

通常压电陶瓷是基于逆压电效应之横效应或纵效应工作的，当给压电陶瓷片施加大的电场（例如逆压电效应额定电压的2倍以上）时，它总是收缩的，其应变方向与施加电场方向无关，且出力和应变均比逆压电效应所产生的量要大，为区别于逆压电效应，将这种效应定义为电致应变效应（也有的文献称为电致伸缩效应）。电致应变效应与逆压电效应有一定的联系：要使压电陶瓷片稳定可靠的工作，基于电致应变效应所需施加的电场方向就是当基于逆压电效应时使压电陶瓷片收缩的电场方向，所以实际连线时要对此注意。

基于电致应变效应的压电陶瓷片的出力和应变是单向的。若要使压电驱动片作双向驱动，则应采用附图2所示的结构，并同一时间仅给一侧的压电陶瓷片施加工作电压。

根据压电陶瓷的特性，本发明采用如附图1所示的工作原理方框图，其工作原理是这样的：当输入电压为交流时，该电压经整流电路被转换为直流电，此时电压逻辑判断电路控制放电开关截止，使压电驱动片的放电回路截止，开关隔离电路导通，各压电驱动片获得工作电压输出动力和位移；当无电压输入时，开关隔离电路截止，电压逻辑判断电路控制放电开关导通，使压电驱动片通过放电回路泄放电荷，恢复原有极化状态，压电驱动片复位。压电驱动片的驱动电压为直流电压，所以当输入电压为直流时不需要整流电路。

附图8和附图9是本发明驱动电路实施例，其中虚线框包围部分为致动器部分。附图8所示为适用于输入为交流电压的驱动电路电气原理图，其工作原理是：经由四个二极管D1—D4组成的桥式整流电路把输入的交流电压转换为脉动的直流电压，该电压分两路，一路经二极管D5施加至致动器工作，另一路经电阻R1—R3的串联分压又分为两路，一路经二极管D6向反相器IC提供电源，与此同时向储能电容C2充电，另一路经电容C1滤波稳定电压向反相器IC的A端提供输入高电平信号电压，反相器IC的Y端输出低电平电压，场效应管VT受控截止；当无输入电压时，致动器所存储的电压因二极管D5反偏截止而无法施加于电阻R1—R3的串联支路，电阻R1—R3的串联支路无电压施加，此时因二极管D6反偏截止，储能电容C2继续向反相器IC提供电源电压，反相器IC的A端输入为低电平信号电压，则反相器IC的Y端输出高电平电压，场效应管VT受控导通，致动器所存储的电荷经场效应管VT泄放掉，致动器复位。

二极管D5不但起开关作用，而且会使致动器的端电压高于整流电路的输出直流电压，并且有效消除致动器的振动。用电容C3补偿驱动电路的负载电容量达到有限调压的目的。电容C1的容量小于电容C2的容量，电容C1的容量过大会使响应迟钝，过小则容易烧毁场效应三极管VT，电容C2的容量应保证在致动器可靠复位时间内向反相器IC继续提供电源。反相器IC采用CMOS器件，例如单反相器TC4SU69F、单与非门BU4S11G2,、运放甚至场效应管。

附图9所示为适用于输入为直流电压的驱动电路电气原理图，根据直流电的特点，在附图8的基础上去掉整流电路、电容C1、C3。

当然，在不脱离本发明的框架的情况下，还可以有其它的选择和发展以及我们能够预想得到的等效装置。 

Claims (10)

1.一种电场式驱动器，包括致动器和驱动电路两部分；

所述的致动器包括若干个压电驱动片（5），其特征在于：压电驱动片（5）的一端设置有转轴（3），该转轴分别安装连接在连接板（11）或（24b）上，另一端固定连接连接板（9）或设置转轴（25），转轴（25）安装连接在连接板（24a），连接板（9、24a）上设置安装缓冲电阻（8）和必要的电极导线（7、10）；

     连接块（23）固定连接两压电驱动片（5）；

     所述的压电驱动片（5）和缓冲电阻（8）通过导线连接至驱动电路，由驱动电路向各压电驱动片（5）提供合适的电压，通过由驱动电路同时对各压电陶瓷片充电和放电实现控制各压电驱动片（5）的一起出力和复位，而不另加其它机械复位装置；

所述的驱动电路包括整流电路、开关隔离电路、电压逻辑判断电路和放电开关电路；

所述的整流电路不设置在输入为直流电压的驱动电路中。

2.根据权利要求1所述的电场式驱动器，其特征在于：所述的压电驱动片（5）包括弹性基板（2）和压电陶瓷片（1），在弹性基板（2）的两面或仅一个面设置一片或多片压电陶瓷片（1），且压电陶瓷片（1）包括单层或多层压电陶瓷体，同一致动器使用特性一致的压电驱动片；所述的压电陶瓷片（1）是根据逆压电效应之横效应或电致应变效应工作的；所述的压电驱动片（5）采用通电弯曲变形的工作方式。

3.根据权利要求1、2所述的电场式驱动器，其特征在于：电容量大的压电驱动片的一个电极面按纵向均匀分割出若干小电极（4）。

4.根据权利要求1—3所述的电场式驱动器，其特征在于：所述的各压电驱动片（5）的相应电极分别串联缓冲电阻（8），以免初始充电电流对压电陶瓷片的冲击损害。

5.根据权利要求1所述的电场式驱动器，其特征在于：每两片压电驱动片5的两端分别用转轴3、25通过两连接板24b、24a等间距连接在一起组成基本单元，此两片压电驱动片5按照相反弯曲变形方向配置，各相邻基本单元依次通过压电驱动片5中部的连接块23固定连接在一起。

6.根据权利要求1—5所述的电场式驱动器，其特征在于：连接板（24a）上设置有连线（26）用于连接驱动电路，压电驱动片（5）与连接板（24a）之间设置连线（27），各连接板（24a）之间设置连线（28），连线（26、27、28）为软导线。

7.根据权利要求1所述的电场式驱动器，其特征在于：连接板（9）固定安装有挡板（6），挡板（6）紧临压电驱动片（5）的一个侧面，以防止意外的过负荷损伤压电驱动片（5）。

8.根据权利要求1所述的电场式驱动器，所述的驱动电路完全采用半导体电子电路设计，无任何机械可动部件，其特征在于：所述的整流电路采用桥式整流，开关隔离电路包括二极管D5，电压逻辑判断电路包括电阻R1—R3、电容C1和C2、二极管D6和反相器IC，放电开关电路包括限流电阻R4和场效应三极管VT，其连接为：

熔断器FU串联在输入电压回路中，电阻R1—R3依次串联，二极管D6的正极连接在电阻R1和电阻R2之间的连线上，二极管D6的负极连接电容C2和反相器IC的电源端VDD，电容C1和反相器IC的输入端A连接到电阻R2和电阻R3之间的连线上，反相器IC的输出端Y连接场效应三极管VT的栅极，场效应三极管VT的漏极串联电阻R4串联，二极管D5串联在电阻R1和电阻R4之间的连线上，且二极管D5的正极连接电阻R1，二极管D5的负极连接电阻R4，各缓冲电阻r1—rn分别与各压电驱动片JZ1—JZn先串联后再并联在一起，电容C3与电阻R4场效应三极管VT串联支路和各缓冲电阻r1—rn压电驱动片JZ1—JZn串联支路相并联；

所述的输入为直流电压的驱动电路中不设置整流二极管D1—D4、电容C1和电容C3，以消除不必要的材料消耗。

9.根据权利要求1、8所述的电场式驱动器，其特征在于：各压电驱动片JZ1—JZn分别包括一个或多个压电陶瓷片，各压电陶瓷片电极之间采用串联或并联的连接关系，以适应驱动电路输出电压的要求，并有助于产品的系列化规格化。

10.根据权利要求1、8所述的电场式驱动器，其特征在于：所述的驱动电路输出电压采用电容C3调压。

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