CN106452166A - 拨动机构及应用该拨动机构的拨动型压电执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及拨动机构及应用该拨动机构的拨动型压电执行器，属于驱动装置技术邻域。本发明的拨动机构包括基底和至少一根拨动腿，每根拨动腿设置于基底，每根拨动腿的相对的两侧壁均设置有卡槽，每个卡槽内嵌设有压电陶瓷块。该拨动机构制作成本低，器件寿命长。拨动型压电执行器包括预紧盖板、外壳、至少一个滚轮以及拨动机构，外壳包括横板、第一竖板及第二竖板，第一竖板和第二竖板相对间隔设置于横板，拨动机构设置于第一竖板和第二竖板形成的夹槽内，基底与横板连接，预紧盖板设置于拨动腿的一端，至少一个滚轮的两端分别设置于第一竖板和第二竖板。该压电执行器输出力矩大，制备简单，器件寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及驱动装置技术邻域，具体而言，涉及一种拨动机构及应用该拨动机构的拨动型压电执行器。
背景技术
压电执行器是一种将压电陶瓷逆压电效应激发的微观振动作为驱动力，通过多种振动模式的转换与耦合，使电能转变成机械能的驱动装置。
现有的拨动型压电执行器，是将每两块压电陶瓷组成的“腿”，称为Leg，英文叫做bimorph，双压电晶片。两块材料粘接形成一个Leg，然后又要粘贴上下基板上。在特定的电信号激励下，一组Leg收缩，与此同时，另一种Leg伸长，同时因为在端部的陶瓷往一边发生切向形变，从而推动中间的横条往一边移动。由于该种方式装配复杂，在粘接处将受力较多，输出的力矩受到一定的限制，实际应用较少。另一种是瑞典一家公司的产品，但是其制作较为复杂，制作的成本较高，整个器件的寿命不长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拨动机构，其能够增大输出力矩，显著提高器件寿命，降低制作成本。
本发明的另一目的在于提供一种应用该拨动机构的拨动型压电执行器，其能够增大输出力矩，器件寿命显著提高。
本发明的实施例是这样实现的：
一种拨动机构，包括基底和至少一根拨动腿，每根拨动腿设置于基底，每根拨动腿的相对的两侧壁均设置有卡槽，每个卡槽内嵌设有压电陶瓷块，压电陶瓷块的极化方向沿拨动腿的拨动方向设置。
一种拨动型压电执行器，包括预紧盖板、外壳、至少一个滚轮以及上述的拨动机构，外壳包括横板、第一竖板及第二竖板，第一竖板和第二竖板相对间隔设置于横板，第一竖板和第二竖板之间形成夹槽，拨动机构设置于夹槽内，基底与横板连接，预紧盖板设置于拨动腿的远离基底的一端，至少一个滚轮的两端分别设置于第一竖板和第二竖板，至少一个滚轮抵住预紧盖板的远离拨动腿的一侧。
本发明实施例的有益效果是：拨动机构将压电陶瓷设置于卡槽内,利用压电陶瓷的逆压电效应及压电陶瓷工作在谐振频率上，增大输出力矩，同时压电陶瓷与拨动机构作为一个整体,压电陶瓷在整个工作过程中基本上只受压应力而不受拉应力的影响，从而显著提高器件寿命，降低了制作成本。应用该拨动机构的大力矩拨动执行器，显著增加了其输出力矩，制作简单，整个执行器的寿命显著提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的拨动机构的结构示意图；
图2为本发明第二实施例提供的拨动机构的结构示意图；
图3为本发明第三实施例提供的拨动机构的电气连接示意图；
图4为本发明第四实施例提供的拨动机构的俯视图；
图5为本发明第五实施例提供的拨动机构的电气连接示意图；
图6为本发明第六实施例提供的拨动型压电执行器的结构示意图。
图标：100-拨动机构；120-凸起；200-基底；300-拨动腿；301-第一侧壁；302-第二侧壁；310-第一拨动腿；320-第二拨动腿；330-第三拨动腿；340-第四拨动腿；410-第一卡槽；420-第二卡槽；430-第三卡槽；440-第四卡槽；450-第五卡槽；460-第六卡槽；470-第七卡槽；480-第八卡槽；510-第一压电陶瓷块；520-第二压电陶瓷块；530-第三压电陶瓷块；540-第四压电陶瓷块；550-第五压电陶瓷块；560-第六压电陶瓷块；570-第七压电陶瓷块；580-第八压电陶瓷块；610-第一信号；620-第二信号；630-第三信号；640-第四信号；700-拨动型压电执行器；710-预紧盖板；711-第三竖板；712-第四竖板；713-横盖板；720-外壳；721-第一竖板；722-第二竖板；723-横板；730-滚轮；740-第一压紧块；750-第二压紧块；760-夹槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请参照图1，本实施例提供一种拨动机构100，包括基底200和拨动腿300，拨动腿300的下端连接于基底200的上端，位于基底200的中间与基底200一体成型，目的是为了节省工序，同时避免带来器件失效的风险。也可以将拨动腿300直接焊接在基底200上。拨动腿300和基底200的横截面为矩形，但不仅限于此，拨动腿300和基底200的横截面还可以为圆形、正方形、菱形等。
继续参照图1，在拨动腿300的第一侧壁301及相对应的侧壁分别设置有第一卡槽410和第二卡槽420，第一卡槽410和第二卡槽420处于同一水平面上并分别贯穿了第二侧壁302及与第二侧壁302相对的侧壁，第一卡槽410和第二卡槽420之间的间距大致为拨动腿300的宽度的1/2。在第一卡槽410和第二卡槽420内分别镶切有第一压电陶瓷块510和第二压电陶瓷块520。第一压电陶瓷块510和第二压电陶瓷块520的极化方向沿拨动腿300的拨动方向设置，本实施例中第一压电陶瓷块510和第二压电陶瓷块520的极化方向沿着拨动腿300远离基底200的方向设置，但不限于此，也可以沿着拨动腿300朝向基底200的方向设置。第一压电陶瓷块510和第二压电陶瓷块520选择叠堆式压电陶瓷块，其是基于d33方向极化的。其中d33压电系数比d31方向的压电系数要大2～3倍，在相同外界条件下，本发明所需的驱动电压只是使用d31方向的压电陶瓷块的驱动电压的1/2，同时基于d33方向工作的压电陶瓷叠堆制备容易，其沿叠堆的垂直方向伸缩，动作效果明显。
需要说明的是，本实施例中第一卡槽410和第二卡槽420处于同一水平面上，但不限于此，第一卡槽410和第二卡槽420可以在不是同一水平面上设置。同时本实施例中第一卡槽410和第二卡槽420的大小尺寸大致相同，需要说明的是，第一卡槽410和第二卡槽420的大小也可以不同。
其中第一压电陶瓷块510镶嵌入第一卡槽410的方式为预紧型，例如，将拨动腿300的第一卡槽410用外力微微掰开，同时为第一压电陶瓷块510通电使其收缩(电场方向与陶瓷极化方向相反使其收缩)，然后把第一压电陶瓷块510塞入第一卡槽410中。第一压电陶瓷块510被装配进入后，在没有通电的状态下，拨动腿300对其具有压紧的作用。本实施例采用预紧型，这样压电陶瓷在非工作态和工作态时主要受压应力，可以增加陶瓷寿命，从而提高拨动机构100的寿命。第二压电陶瓷块520采用同样的方式嵌入第二卡槽420。
需要说明的是，本实施例中卡槽设置了两个，但不仅限于此，卡槽可以设置为大于两个的偶数个，其中偶数个卡槽沿拨动腿300的轴线对称分布。本实施例中拨动腿300为1根，但不仅限于此，拨动腿300可以为多根。
拨动腿300和基底200的材料为与陶瓷热膨胀系数相当的瓷封合金，但不仅限于此，还可以为钛合金、铍青铜或磷青铜。
需要说明的是，在拨动腿300远离基底200的一侧还可以设置摩擦材料层，目的是为了增加拨动机构100的驱动效率，提高使用寿命。摩擦材料层的材料是由聚四氟乙烯、耐高温树脂和聚苯酯制成，但不仅限于此，也可以是以超高分子量聚乙烯为基体的摩擦材料或纤维增强基体树脂的各向异性材料。
第二实施例
参照图2，图2示出本发明第二实施例提供的拨动机构100，与第一实施例不同的是：该第二实施例中，拨动腿300远离基底200的端面设置有凸起120，目的是为了提高输出的力矩及做功的效率。本实施例中，凸起120为一条形的棱状结构，其沿拨动腿300的远离基底200的端面设置并且凸起120沿该端面的中心线设置。凸起120与拨动腿300一体成型，目的是减少一道工序，降低制作成本。凸起120也可以直接焊接在拨动腿300上。需要说明的是，本实施例中凸起120的纵向截面为矩形，但是不仅限于此，凸起120的纵向截面为矩形还可以为正方形、菱形、半圆形、弧形等。本实施例中凸起120的材料为瓷封合金，但不仅限于此，还可以为钛合金、铍青铜或磷青铜。
需要说明的是，本实施例的凸起120远离拨动腿300的端面还可以设置摩擦材料层。还可以在凸起120远离拨动腿300的端面及拨动腿300远离基底200的端面同时设置摩擦材料层。也可以将凸起120整个用摩擦材料制成。
第三实施例
参照图3，图3示出本发明第三实施例提供的拨动机构100，与第二实施例不同的是：本实施例中，该拨动机构100包括共线设置的第一拨动腿310、第二拨动腿320、第三拨动腿330和第四拨动腿340，其中，共线设置是指第一拨动腿310、第二拨动腿320、第三拨动腿330和第四拨动腿340的中心线(即拨动腿的重心到基底200的垂线)位于同一平面，即第一拨动腿310、第二拨动腿320、第三拨动腿330和第四拨动腿340的中心线与基底200的交点位于同一直线。每根拨动腿之间的距离大致相同，每根拨动腿的高度大致相同。第一拨动腿310包括设置于其相对两侧壁的第一卡槽410和第二卡槽420，第二拨动腿320包括设置于其相对两侧壁的第三卡槽430和第四卡槽440，第三拨动腿330包括设置于其相对两侧壁的第五卡槽450和第六卡槽460，第四拨动腿340包括设置于其相对两侧壁的第七卡槽470和第八卡槽480，其中，第一卡槽410和第二卡槽420之间的间距为第一拨动腿310的宽度的1/4，同理第三卡槽430和第四卡槽440、第五卡槽450和第六卡槽460、第七卡槽470和第八卡槽480之间的间距也与第一卡槽410和第二卡槽420之间的间距一样。其中本实施例中第一压电陶瓷块510和第二压电陶瓷块520的极化方向沿第一拨动腿310远离基底200的方向设置，但不限于此，也可以沿第一拨动腿310朝向基底200的方向设置。第三压电陶瓷块530、第四压电陶瓷块540、第五压电陶瓷块550、第六压电陶瓷块560、第七压电陶瓷块570和第八压电陶瓷块580的极化方向与第一压电陶瓷块510和第二压电陶瓷块520的极化方向相同。
继续参照图3，电气连接方式如图3所示，在第一压电陶瓷块510和第五压电陶瓷块550施加第一信号610，为的电信号，第二压电陶瓷块520和第六压电陶瓷块560施加第二信号620，为的电信号，在第三压电陶瓷块530和第七压电陶瓷块570施加第三信号630，为的电信号，第四压电陶瓷块540和第八压电陶瓷块580施加第四信号640，为的电信号。目的是为了在上述有效的电信号的激励下，第一拨动腿310与第三拨动腿330同时伸长或收缩，第二拨动腿320与第四拨动腿340同时伸长或收缩，这样在同一时刻总有一组腿处于伸长，另一组腿处于收缩的状态，金属腿的顶端，一直在做椭圆运动。同时拨动腿还可以产生两个方向的谐振，增大其输出力矩。
其中，Am代表电压幅值，at为时变量，是一个控制上的调节量。当需要整个机构全速运行时，则当需要调节拨动的速度时，则需调节的大小。
需要说明的是，施加的第一信号610还可以与第二信号620交换，第三信号630与第四信号640交换，这样可以改变拨动机构100的拨动方向。
需要说明的是本实施例中拨动腿为4根，但不仅限于此，拨动腿可以为2根以及2根以上，优选为大于2的偶数根。
第四实施例
参照图4，图4示出本发明第四实施例提供的拨动机构100，与第三实施例不同的是：该拨动机构100的第一拨动腿310、第二拨动腿320、第三拨动腿330和第四拨动腿340是共圆周设置的，其中，共圆周设置是指：第一拨动腿310、第二拨动腿320、第三拨动腿330和第四拨动腿340的中心线位于同一圆环面，即第一拨动腿310、第二拨动腿320、第三拨动腿330和第四拨动腿340的中心线与基底200的交点位于同一直线。本实施例提供的拨动机构100适于与圆形的固定盖板组成大力矩的压电执行器。
需要说明的是本实施例中拨动腿为4根，但不仅限于此，拨动腿还可以大于4根，优选为大于4的偶数根。
第五实施例
参照图5，图5示出本发明第五实施例提供的拨动机构100，与第三实施例不同的是：本实施例中，第一压电陶瓷块510的极化方向沿着第一拨动腿310远离基底200的方向设置，但不限于此，也可以沿着第一拨动腿310靠近基底200的方向设置，第三压电陶瓷块530、第五压电陶瓷块550和第七压电陶瓷块570与第一压电陶瓷块510的极化方向相同。同时第二压电陶瓷块520、第四压电陶瓷块540、第六压电陶瓷块560和第八压电陶瓷块580的极化方向同向并与第一压电陶瓷块510的极化方向相反。在第一压电陶瓷块510、第三压电陶瓷块530、第五压电陶瓷块550和第七压电陶瓷块570上施加第一信号610，为的电信号，在第二压电陶瓷块520、第四压电陶瓷块540、第六压电陶瓷块560和第八压电陶瓷块580施加与第一信号610对应的第二信号620，为的电信号。这样电路相比第三实施例减少到两路，得到了有效的精简，减少了一半的陶瓷驱动电路。
第六实施例
参照图6，本实施例提供一种拨动型压电执行器700，包括预紧盖板710、外壳720、滚轮730、第一压紧块740、第二压紧块750及拨动机构100。
外壳720包括第一竖板721、第二竖板722和横板723，第一竖板721和第二竖板722相对设置，其中第一竖板721和第二竖板722的下端分别连接于横板723，并与横板723呈垂直设置，同时形成夹槽760。夹槽760的横截面为U型。
结合图3，拨动机构100位于夹槽760内，基底200与横板723连接。需要说明的是，本实施例中，拨动机构100与实施例3提供的拨动机构100一样，具体结构请参照实施例3，需要说明的是，还可以采用实施1、2、5提供的拨动机构100。并且外壳720还可以设置成圆形，并与应用实施例4提供的拨动机构100进行适配组合。
预紧盖板710包括第三竖板711、第四竖板712和横盖板713，第三竖板711和第四竖板712相对设置，其中第三竖板711和第四竖板712的下端分别连接位于横盖板713，并与横盖板713呈垂直设置，形成U槽。预紧盖板710的横盖板713远离第三竖板711和第四竖板712的一侧与第一拨动腿310的远离基底200的一端抵靠。
滚轮730转动设置有轴，且轴的两端向外伸出，滚轮730的两侧面分别抵住预紧盖板710的第三竖板711和第四竖板712，第一压紧块740设置于第一竖板721远离横板723的一端，第二压紧块750设置于第二竖板722远离横板723的一端，并通过螺钉将第一压紧块740和第二压紧块750分别固定于第一竖板721和第二竖板722。滚轮730两端的轴分别通过第一压紧块740和第一竖板721、第二压紧块750和第二竖板722固定。
需要说明的是，本实施例中滚轮730为1个，但不仅限于此，滚轮730可设置为多个。
需要说明的是，拨动型压电执行器700还可以不包括第一压紧块740和第二压紧块750，直接将滚轮730两端的轴分别连接于第一竖板721和第二竖板722也能实现上述功能。
该拨动型压电执行器700可以通过拨动机构100推动预紧盖板710向一边移动，进而实现压电执行器的功能。
综上所述，本发明的拨动机构将压电陶瓷设置于卡槽内,利用压电陶瓷的逆压电效应及压电陶瓷工作在谐振频率上，增大输出力矩，同时压电陶瓷与拨动机构作为一个整体,安装时采用将卡槽轻微掰开塞入压电陶瓷块，在非工作状态下，陶瓷处于预紧夹持状态，压电陶瓷在整个工作过程中基本上只受压应力而不受拉应力的影响，从而显著提高器件寿命，降低了制作成本。应用该拨动机构的大力矩拨动执行器，显著增加了其输出力矩，制作简单，整个执行器的寿命显著提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种拨动机构，其特征在于，包括基底和至少一根拨动腿，每根所述拨动腿设置于所述基底，每根所述拨动腿的相对的两侧壁均设置有卡槽，每个所述卡槽内嵌设有压电陶瓷块，所述压电陶瓷块的极化方向沿所述拨动腿的拨动方向设置。
2.根据权利要求1所述的拨动机构，其特征在于，所述卡槽为偶数个，偶数个所述卡槽沿所述拨动腿的轴线对称分布。
3.根据权利要求2所述的拨动机构，其特征在于，所述拨动腿的横截面为矩形，偶数个所述卡槽对称分布于所述拨动腿的相对的两侧壁。
4.根据权利要求2所述的拨动机构，其特征在于，所述拨动腿为偶数根，每根所述拨动腿上设置的所述压电陶瓷块的极化方向同向，相邻两根所述拨动腿上设置的所述压电陶瓷块的极化方向反向。
5.根根据权利要求1所述的拨动机构，其特征在于，每根所述拨动腿的远离所述基底的端面设置有凸起。
6.根据权利要求1-5任一项所述的拨动机构，其特征在于，每根所述拨动腿的远离所述基底的端面设置有摩擦材料层。
7.根据权利要求4所述的拨动机构，其特征在于，设置于所述拨动腿的相对的两侧壁的所述卡槽之间的间距为所述拨动腿的宽度的1/4-1/2。
8.根据权利要求1所述的拨动机构，其特征在于，所述拨动腿为至少四根，至少四根所述拨动腿共线设置或共圆周设置。
9.一种拨动型压电执行器，其特征在于，包括预紧盖板、外壳、至少一个滚轮以及权利要求1-8任一项所述的拨动机构，所述外壳包括横板、第一竖板及第二竖板，所述第一竖板和所述第二竖板相对间隔设置于所述横板，所述第一竖板和所述第二竖板之间形成夹槽，所述拨动机构设置于所述夹槽内，所述基底与所述横板连接，所述预紧盖板设置于所述拨动腿的远离所述基底的一端，所述至少一个滚轮的两端分别设置于所述第一竖板和所述第二竖板，所述至少一个滚轮抵住所述预紧盖板的远离所述拨动腿的一侧。
10.根据权利要求9所述的拨动型压电执行器，其特征在于，所述拨动型压电执行器还包括第一压紧块和第二压紧块，所述第一压紧块和所述第二压紧块分别设置于所述第一竖板的远离所述横板的一侧和第二竖板的远离所述横板的一侧，所述第一压紧块和所述第二压紧块分别将所述滚轮的两端压紧于所述第一竖板和所述第二竖板。
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