CN103916044A - 一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达 - Google Patents

Abstract

一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达，包括外壳，所述外壳内设有中心双层齿轮转子、外层压电陶瓷堆、内层压电陶瓷堆、动力驱动部分和单向限位件，动力驱动部分分别与外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆传动连接，中心双层齿轮转子由同轴同模数的外层齿轮和内层齿轮组成，外层压电陶瓷堆的动力输出端驱动中心双层齿轮转子的外层齿轮，内层压电陶瓷堆的动力输出端驱动中心双层齿轮转子的内层齿轮。本发明的压电陶瓷堆依靠径向伸长直接推动齿轮旋转，使输出效率最大化，克服了靠摩擦力推进的力矩较小、能量损耗较大的问题；本发明采用旋转互推设计，电机运行不受压电堆行程限制，且能连续高速步进旋转。

Description

一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达

技术领域

本发明属于纳米精度压电马达设计技术领域，特别涉及一种双层齿轮互推旋转式纳米精度压电马达。

背景技术

从压电陶瓷诞生以来，各国科研人员围绕压电陶瓷驱动器都在进行着大量的研发工作。在几十年的研发过程中，已经提出无数新颖的想法与巧妙的设计结构，并广泛应用于精密仪器设备中，如高精度驱动、位移控制等。对于压电驱动器的研究目前总体分为两大方向：一是在材料方面，努力寻求新型压电材料和复合结构压电材料，以提高压电陶瓷的机械和电学特性。目前已研发出的压电单晶、压电纤维、压电聚合物等材料，在压电系数、弹性模量方面已经取得显著提高；二是结构方面，发展新型驱动结构和驱动方式，以提高输出负载特性，相继开发出了压电弯曲驱动器、尺蠖马达、行波马达、惯性马达等多种结构。

综合目前的压电马达，广泛存在着驱动力或力矩低、非线性、不易精确控制，行程具有局限性、结构复杂、可靠性降低、微型化难度大、存在摩擦等能量损耗降低能量效率等问题或缺陷。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、动力强、易于精确控制、可靠性强、效率高的双层齿轮互推旋转式纳米压电马达。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达，包括外壳，所述外壳内设有中心双层齿轮转子、外层压电陶瓷堆、内层压电陶瓷堆、动力驱动部分和用于限定中心双层齿轮转子单向转动并实现步步自锁功能的单向限位件，动力驱动部分分别与外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆传动连接，中心双层齿轮转子由同轴同模数的外层齿轮和内层齿轮组成，外层压电陶瓷堆的动力输出端驱动中心双层齿轮转子的外层齿轮，内层压电陶瓷堆的动力输出端驱动中心双层齿轮转子的内层齿轮。

所述内层齿轮每个齿径向最外端位于外层齿轮两个相邻齿径向最外端与中心夹角的角平分线上，内层齿轮的模数由内层压电陶瓷堆动力驱动端的伸长量与内层齿轮实际半径决定。

所述外层压电陶瓷堆设有两个，两个外压电陶瓷堆对称设在中心转子外层齿轮回转中心的两侧，外压电陶瓷堆的动力驱动端为外顶针，外顶针的端部初始位置位于外层齿轮某一齿的最外端位置，假定该齿设为外一号齿，沿外齿轮旋转方向临近外一号齿的假定为外二号齿，压电陶瓷堆的外顶针伸缩方向平行于外一号齿与外二号齿外端的连线。

所述内层压电陶瓷堆设有两个，两个内压电陶瓷堆对称设在中心转子内层齿轮回转中心的两侧，内压电陶瓷堆的动力驱动端为内顶针，内顶针的端部初始位置位于内层齿轮两个相邻的齿径向最外端与中心夹角的角平分线上，假定这两个齿分别为内一号齿和内二号齿，沿内层齿轮旋转方向查数到内三号齿，假定内一号齿、内二号齿之间形成圆心角角平分线与内一号齿、内二号齿外端之间连线的交点为A，假定内二号齿、内三号齿之间形成圆心角角平分线与内二号齿、内三号齿外端之间连线的交点为B，压电陶瓷堆的内顶针伸缩方向平行于A点和B点之间的连线。

所述单向限位件包括沿中心双层齿轮转子切线方向设置的限位杆，限位杆的端部设有两个限位齿，两个限位齿之间形成与外层齿轮的齿配合的单向卡槽。

采用上述技术方案，外壳用于固定中心双层齿轮转子，并为外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆提供基座，用于固定外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆。同时在底板上对应其他的每个部件都有相应的凸起，其他需要安装在底板上的部件也都有对应的凹槽，这样每个零件可以单独生产，安装时只要凸起和凹槽对准即可，安装方便，易于维护。

中心双层齿轮转子上的齿轮与齿轮轴为一体结构，双层齿轮为同一齿轮上下两层模数相同半径不同的同心齿轮，两层齿轮的齿均从端面看去为类似三角形形状，提高顶针与齿轮碰撞时齿轮的承受能力，顶针顶端光滑，可忽略与齿轮发生侧滑时的摩擦阻力。

外顶针及内顶针的端部初始位置和伸缩方向的具体参数按照上述设置，在压电陶瓷堆一次伸长完成助推齿轮后，压电陶瓷堆前端的顶针部分侧面将卡在相邻的两个齿上，只要压电陶瓷堆满足一定的伸长量，即使过多的伸长，也不会影响齿轮的转动，从而使压电陶瓷组伸长量的不稳定性不会影响最终压电马达的转动位移精度。

设置单向限位件的原因在于，第一，在一组外顶针（内顶针）收缩回来但另一组内顶针（外顶针）还没有伸长时，没有任何一组压电陶瓷堆对中心双层齿轮转子受力，导致中心双层齿轮转子没有支撑力而出现逆转，而且外顶针或内顶针伸长时间极为短暂，无法在其伸长过程中实现调控，所以设置单向卡槽，避免中心双层齿轮转子在无支撑力时出现逆向选择。由于每步中心双层齿轮转子只会前进半个齿间距，所以采用两个限位齿的两级设计。第二，单向限位件使中心双层齿轮转子时刻保持在两种初始化位置上，方便电机的即启、即停。

动力驱动部分对外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆分别加电压使其按一定规律伸缩。首先使内层压电陶瓷堆的内顶针伸长至最大长度，伸长过程中将推动中心双层齿轮转子前进半个齿间距，伸长结束后卡在两个内层齿轮的两个齿之上，然后收缩回原位，此时单向限位件卡住齿轮，下一步外层压电陶瓷堆的外顶针伸长推动中心双层齿轮转子，周期性推动中心双层齿轮转子单向自锁位移旋转。

本发明使用两个同心一体的内层齿轮和外层齿轮，通过内层压电陶瓷堆和外层压电陶瓷堆的配合，实现马达的连续转动，并利用单向限位件保证马达的步进自锁功能。

本发明采用旋转式互推结构，有效的克服了压电马达行程的局限性，使马达运行不受压电陶瓷堆伸长量的限制，由于压电陶瓷伸缩极快，可以有效提高马达转速，通过周期性锯齿波的调控，可以达到高速、高精度步进位移。

本发明的机械能来自于压电陶瓷加电信号后的形变。本发明直接利用压电陶瓷堆径向形变的推力推动齿轮的旋转，使能量转化效率达到最高，输出力矩最大化。并且推力方向与齿轮圆面平行，不存在轴向应力，提高了中心转子的使用寿命。齿轮每次旋转所前进的弧长等于齿间弧长的二分之一，通过MEMS技术加工齿轮可是保证马达步进的精确度，可以实现微米级以及纳米级精度的、稳定的精确步进旋转。由于齿轮较小，齿为纳米级尺寸，压电陶瓷顶端附有高精度顶针与齿轮相接触，使其准确推动齿轮前进。

综上所述，本发明的压电陶瓷堆依靠径向伸长直接推动齿轮旋转，使输出效率最大化，克服了靠摩擦力推进的力矩较小、能量损耗较大的问题；本发明采用旋转互推设计，电机运行不受压电堆行程限制，且能连续高速步进旋转；本发明电机的步进量为齿轮齿弧长的二分之一，可以实现纳米级的高精度步进。

附图说明

图1是本发明取出外壳和动力驱动部分后的结构示意图；

图2是内顶针和外顶针分别在内层齿轮和外层齿轮处初始位置的示意图；

图3是单向限位件与外层齿轮之间一个位置的配合示意图；

图4是单向限位件与外层齿轮之间另一个位置的配合示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达，包括外壳（图中仅仅示意出来外壳的一部分−底板11），外壳内设有中心双层齿轮转子、外层压电陶瓷堆、内层压电陶瓷堆、动力驱动部分（图中未示意出来）和用于限定中心双层齿轮转子单向转动并实现步步自锁功能的单向限位件1，动力驱动部分分别与外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆传动连接，中心双层齿轮转子由同轴同模数的外层齿轮2和内层齿轮3组成，外层压电陶瓷堆的动力输出端驱动中心双层齿轮转子的外层齿轮2，内层压电陶瓷堆的动力输出端驱动中心双层齿轮转子的内层齿轮3。

内层齿轮3每个齿径向最外端位于外层齿轮2两个相邻齿径向最外端与中心夹角的角平分线上，内层齿轮3的模数由内层压电陶瓷堆动力驱动端的伸长量与内层齿轮3实际半径决定。

外层压电陶瓷堆4设有两个相同的两个，两个外压电陶瓷堆4对称设在中心转子外层齿轮2回转中心的两侧，外压电陶瓷堆4的动力驱动端为外顶针5，外顶针5的端部初始位置位于外层齿轮2某一齿的最外端位置，假定该齿设为外一号齿，沿外齿轮旋转方向临近外一号齿的假定为外二号齿，压电陶瓷堆的外顶针5伸缩方向平行于外一号齿与外二号齿外端的连线。

内层压电陶瓷堆6设有两个相同的两个，两个内压电陶瓷堆6对称设在中心转子内层齿轮3回转中心的两侧，内压电陶瓷堆6的动力驱动端为内顶针7，内顶针7的端部初始位置位于内层齿轮3两个相邻的齿径向最外端与中心夹角的角平分线上，假定这两个齿分别为内一号齿和内二号齿，沿内层齿轮3旋转方向查数到内三号齿，假定内一号齿、内二号齿之间形成圆心角角平分线与内一号齿、内二号齿外端之间连线的交点为A，假定内二号齿、内三号齿之间形成圆心角角平分线与内二号齿、内三号齿外端之间连线的交点为B，压电陶瓷堆的内顶针7伸缩方向平行于A点和B点之间的连线。

单向限位件1包括沿中心双层齿轮转子切线方向设置的限位杆8，限位杆8的端部设有两个限位齿9，两个限位齿9之间形成与外层齿轮2的齿配合的单向卡槽10。

采用上述技术方案，外壳用于固定中心双层齿轮转子，并为外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆提供基座，用于固定外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆。同时在底板11上对应其他的每个部件都有相应的凸起，其他需要安装在底板11上的部件也都有对应的凹槽，这样每个零件可以单独生产，安装时只要凸起和凹槽对准即可，安装方便、易于维护。

中心双层齿轮转子上的齿轮与齿轮轴为一体结构，双层齿轮为同一齿轮上下两层模数相同半径不同的同心齿轮，两层齿轮的齿均从端面看去为类似三角形形状，提高顶针与齿轮碰撞时齿轮的承受能力，顶针顶端光滑，可忽略与齿轮发生侧滑时的摩擦阻力。

外顶针5及内顶针7的端部初始位置和伸缩方向的具体参数按照上述设置，在压电陶瓷堆一次伸长完成助推齿轮后，压电陶瓷堆前端的顶针部分侧面将卡在相邻的两个齿上，只要压电陶瓷堆满足一定的伸长量，即使过多的伸长量，也不会影响齿轮的转动，从而使压电陶瓷组伸长量的不稳定性不会影响最终压电马达的转动位移精度。

设置单向限位件1的原因在于，第一，在一组外顶针5（内顶针7）收缩回来但另一组内顶针7（外顶针5）还没有伸长时，没有任何一组压电陶瓷堆对中心双层齿轮转子受力，导致中心双层齿轮转子无支撑力而发生逆向旋转，而且外顶针5或内顶针7伸长时间极为短暂，无法在其伸长过程中进行调控，所以设置单向卡槽10，避免中心双层齿轮转子悬空时受力倒转。由于每步中心双层齿轮转子只会前进半个齿间距，所以采用两个限位齿9的两级设计（如图3和图4所示）。第二，单向限位件1使中心双层齿轮转子时刻保持在两种初始化位置上，方便电机的即启、即停。

动力驱动部分对外层压电陶瓷堆4和内层压电陶瓷堆6分别加电压使其按一定规律伸缩。首先使内层压电陶瓷堆的内顶针7伸长至最大长度，伸长过程中将推动中心双层齿轮转子前进半个齿间距，伸长结束后卡在两个内层齿轮3的两个齿之上，然后收缩回原位，此时单向卡槽10卡住齿轮，下一步外层压电陶瓷堆4的外顶针5伸长推动中心双层齿轮转子，周期性推动中心双层齿轮转子单向自锁位移旋转。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达，包括外壳，其特征在于：所述外壳内设有中心双层齿轮转子、外层压电陶瓷堆、内层压电陶瓷堆、动力驱动部分和用于限定中心双层齿轮转子单向转动并实现步步自锁功能的单向限位件，动力驱动部分分别与外层压电陶瓷堆和内层压电陶瓷堆传动连接，中心双层齿轮转子由同轴同模数的外层齿轮和内层齿轮组成，外层压电陶瓷堆的动力输出端驱动中心双层齿轮转子的外层齿轮，内层压电陶瓷堆的动力输出端驱动中心双层齿轮转子的内层齿轮。

2.根据权利要求1所述的一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达，其特征在于：所述内层齿轮每个齿径向最外端位于外层齿轮两个相邻齿径向最外端与中心夹角的角平分线上，内层齿轮的模数由内层压电陶瓷堆动力驱动端的伸长量与内层齿轮实际半径决定。

3.根据权利要求1所述的一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达，其特征在于：所述外层压电陶瓷堆设有两个，两个外压电陶瓷堆对称设在中心转子外层齿轮回转中心的两侧，外压电陶瓷堆的动力驱动端为外顶针，外顶针的端部初始位置位于外层齿轮某一齿的最外端位置，假定该齿设为外一号齿，沿外齿轮旋转方向临近外一号齿的假定为外二号齿，压电陶瓷堆的外顶针伸缩方向平行于外一号齿与外二号齿外端的连线。

4.根据权利要求1所述的一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达，其特征在于：所述内层压电陶瓷堆设有两个，两个内压电陶瓷堆对称设在中心转子内层齿轮回转中心的两侧，内压电陶瓷堆的动力驱动端为内顶针，内顶针的端部初始位置位于内层齿轮两个相邻的齿径向最外端与中心夹角的角平分线上，假定这两个齿分别为内一号齿和内二号齿，沿内层齿轮旋转方向查数到内三号齿，假定内一号齿、内二号齿之间形成圆心角角平分线与内一号齿、内二号齿外端之间连线的交点为A，假定内二号齿、内三号齿之间形成圆心角角平分线与内二号齿、内三号齿外端之间连线的交点为B，压电陶瓷堆的内顶针伸缩方向平行于A点和B点之间的连线。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种双层齿轮互推旋转式纳米压电马达，其特征在于：所述单向限位件包括沿中心双层齿轮转子切线方向设置的限位杆，限位杆的端部设有两个限位齿，两个限位齿之间形成与外层齿轮的齿配合的单向卡槽。