CN108322084A - 一种微驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微驱动器，包括：可沿固定方向伸缩的驱动机构、与驱动机构传动配合的传导机构、以及与传导机构传动配合的受动机构；当驱动机构沿第一方向伸长时，驱动传导机构沿第一方向行进，进而带动受动机构进行动作；其中，驱动机构包括：由受电应变材料制成的伸缩件、推进组件、及控制电路，控制电路用于控制伸缩件的周期性伸缩，以使伸缩件带动推进组件沿第一方向运动或沿与第一方向相反的第二方向运动；推进组件沿第一方向的运动用于推动传导机构沿第一方向行进。本发明提供的微驱动器使用的受电应变材料能够实现微米级的受电应变伸缩的精度，通过控制伸缩件的周期性伸缩频率能够实现微米级精度的驱动移动控制。
Description
技术领域
本发明涉及微机电领域，尤其涉及一种微驱动器。
背景技术
微驱动器或称微型执行器是一种重要的执行机构它的主要功能是实现力(包括扭力)或位移(包括线性位移和角位移)的输出是是微型机电系统的重要组成部分。
传统的驱动器(位移驱动器)包括液压缸伺服(或步进)电机和音圈电机它们可以产生毫米到厘米的位移量但是不能满足微米或更小范围的精密控制，随着微电子技术的飞速发展使制备微米尺度的微器件成为现实，但仍需要一种精确控制步进精度的微驱动器来实现微驱动器的控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种微米级线性位移或者与微米级线性位移相匹配的角位移的微驱动器，这一微驱动器提供的驱动结构实现了可控高精度的步进位移控制，帮助实现微米尺度的精确控制。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术措施：
本发明提供一种微驱动器，包括：可沿固定方向伸缩的驱动机构、与所述驱动机构传动配合的传导机构、以及与所述传导机构传动配合的受动机构；当所述驱动机构沿第一方向伸长时，驱动所述传导机构沿所述第一方向行进，进而带动所述受动机构进行动作。其中，所述驱动机构包括：由受电应变材料制成的伸缩件、推进组件、及控制电路，所述控制电路用于控制所述伸缩件的周期性伸缩，以使所述伸缩件带动所述推进组件沿所述第一方向运动或沿与所述第一方向相反的第二方向运动；所述推进组件沿所述第一方向的运动用于推动所述传导机构沿所述第一方向行进。
作为进一步改进的，推片和限位杆，所述限位杆的中心固定在所述伸缩件的一个极端上，所述限位杆的两端安装有所述推片。
作为进一步改进的，所述受电应变材料为压电陶瓷，所述压电陶瓷的一端固定，在所述压电陶瓷的两端加送电压，使得所述压电陶瓷的另一端沿所述第一方向伸长或沿所述第二方向压缩，当所述压电陶瓷两端的电压消失时，所述压电陶瓷的另一端沿所述第二方向收缩恢复原状或沿所述第一方向伸长恢复原状，所述压电陶瓷沿所述第一方向的伸长运动带动所述推进组件沿所述第一方向的运动用于推动所述传导机构沿所述第一方向行进。
作为进一步改进的，所述传导机构是轮带，所述轮带的第一表面上设有锯齿，所述推片完全卡合在所述锯齿的齿槽内，所述限位杆限制所述推片在每次动作后都完全卡合在所述齿槽内。
作为进一步改进的，所述锯齿的横截面的形状为三角形且所述三角形与所述轮带表面形成的夹角分别为α和β，则有45°＞α≥30°，β＝90°，多个所述锯齿前后相接环绕整个轮带。
作为进一步改进的，所述锯齿在所述轮带转动的方向上的长度为0.5μm，所述锯齿的数量为36个，所述压电陶瓷伸长和压缩的距离为0.5μm的N倍，N＝1、2、3、4。
作为进一步改进的，所述受动机构为受动轮，所述受动轮的中心设有动力输出孔，所述受动轮与所述轮带的第二表面接合，受所述轮带的带动转动。
作为进一步改进的，所述受动轮为齿轮，所述第二表面上设有与所述齿轮的轮齿啮合的齿。
作为进一步改进的，所述控制电路包括：第一恒流电源、电感和第一感应开关，所述第一感应开关感应驱动信号产生闭合动作，所述第一恒流电源的正极与所述电感的一端电性连接，所述电感的另一端与所述第一感应开关的一端电性连接，所述第一感应开关的另一端与所述压电陶瓷的极化端的正极电性连接，所述第一恒流电源的负极与所述压电陶瓷的极化端的负极电性连接。
作为再进一步改进的，所述控制电路包括：第二恒流电源、电感和第二感应开关，所述第二感应开关感应驱动信号产生闭合动作，所述第二恒流电源的正极与所述电感的一端电性连接，所述电感的另一端与所述第二感应开关的一端电性连接，所述第二感应开关的另一端与所述压电陶瓷的极化端的负极电性连接，所述第二恒流电源的负极与所述压电陶瓷的极化端的正极电性连接。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1、通过控制所述受电应变材料的周期性伸缩，实现带动传导机构运动，进而带动所述受动机构运动，控制所述受电应变材料伸缩以及伸缩长度就控制驱动了所述微驱动器的动作，帮助实现精确的步进控制。
2、使用压电陶瓷材料应用压电陶瓷的逆压电效应特性，实现微米级的步进尺度，满足了微米尺度的精确控制需求。
附图说明
图1为逆压电效应材料逆压电效应的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种微驱动器的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种微驱动器在通电时的示意图
图4为本发明实施例提供的另一种微驱动器的示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种微驱动器在通电时的示意图；
图6为使用本发明提供的微驱动器驱动的轮式微机器人的示意图。
图标：1-驱动机构；10-伸缩件；11-推进组件；110-限位杆；111-推片；12-控制电路；120-恒流电源；121-感应开关；122-电感；2-传导机构；20-轮带的第一表面；21-轮带的第二表面；3-受动机构；30-动力输出孔；40-转轴；41-转动轮。
具体实施方式
为使本专利的目的、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，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
请参照图1，本发明使用的压电陶瓷应变材料满足单向应变效应，即电场方向与压电陶瓷的应变方向相同或相反，满足S＝dE的应变关系，S为应变距离，E为电场大小，d为压电陶瓷的应变常数，根据压电陶瓷原料的不同而不同，对压电陶瓷施加瞬时电场能够控制压电陶瓷在电场方向发生可控形变，具体地，对可控形变的大小控制在5μm的1到4的整数倍区间内，保证对微驱动器动作精度和稳定性的有效控制。,
第一实施例：
请参照图2、图4，在本发明的实施例中，提供一种微驱动器，并提供一种驱动原理，并阐述其驱动动作过程。
本微驱动器包括：驱动机构1、传导机构2和受动机构3。
驱动机构1包括：由受电应变材料制成的伸缩件10、推进组件11、及控制电路12，具体地，伸缩件10为压电陶瓷，推进组件11包括：限位杆110和推片111，控制电路12包括：恒流电源120、感应开关121和电感122。压电陶瓷的一端是固定的，压电陶瓷的另一端固定有限位杆110，限位杆110的中心固定在压电陶瓷的另一端上，推片111安装在限位杆110的两端。
感应开关121感应驱动信号产生闭合动作，恒流电源120的正极与电感122的一端电性连接，电感122的另一端与感应开关121的一端电性连接，感应开关121的另一端与压电陶瓷的极化端的正极电性连接，恒流电源120的负极与压电陶瓷的极化端的负极电性连接。因为恒流电源120提供的电场方向与压电陶瓷的极化方向相同，因此当在压电陶瓷两端通电时，压电陶瓷会受电伸长。
传导机构2是轮带，轮带的第一表面20上有三角形的锯齿，在压电陶瓷未通电之前，推片111在限位杆110的限制下被限位在锯齿的齿槽内，受动机构3是受动轮，轮带的第二表面21与受动轮之间啮合，通过啮合作用完成传动。
在本实施例中，整体驱动动作过程为：当压电陶瓷通电伸长时，压电陶瓷一端伸长推动限位杆110运动，进而带动推片111推动轮带向第一方向前进，当取消压电陶瓷两端的电压后，在电感122的存在下，电场并非瞬时消失，而是逐渐减小至消失，压电陶瓷逐渐恢复动作前的形状，拉动限位杆110逐渐回退，进而拉动推片111从其先前卡合的齿槽中滑出并卡合在下一个位置匹配的齿槽中等待下次推进运动。
在本实施例中，将恒流电源120的正极端连接在压电陶瓷极化端的正极上，当压电陶瓷通电时，因为电场方向与压电陶瓷的极化方向相同，压电陶瓷会顺应电场的方向发生伸长，根据恒流电源120能够提供电场大小的不同，本实施例中限定压电陶瓷伸长的距离为0.5μm的1至4的整数倍之间。
当对压电陶瓷两端通电使得压电陶瓷一端伸长0.5μm时，压电陶瓷带动限位杆110向第一方向运动进而带动推片111的动作，推片111因为卡合在相应的齿槽内，当推片111动作时就会推动轮带向第一方向运动0.5μm，因为锯齿在轮带运动方向上的距离以及齿槽在轮带运动方向上的距离为0.5μm，因此控制感应开关121断开使得压电陶瓷一端沿与第一方向相反的第二方向回缩0.5μm恢复至原始状态，从而拉动限位杆110回缩运动，进而拉动推片111从当前齿槽中滑出，使用三角形的轮带锯齿，并且限定三角形的角度在30°到45°之间，既保证推片111能够较为容易的滑出又保证了齿槽的深度，保证了推片111能够稳定的卡合在齿槽中，限位杆110拉动推片111从当前齿槽中滑出并向第二方向回缩0.5μm，使得推片111卡合到第二方向上的下一个齿槽中，完成一次驱动动作。
通过发送驱动信号控制感应开关121的闭合，能够控制压电陶瓷的伸长，实现轮带带动受动轮动作的可控，实现微驱动器的驱动可控，还能够根据实际控制和动作需求，提供一定频率和一定周期间隔的驱动信号控制感应开关121的闭合和断开为压电陶瓷提供一定频率的驱动电场，进而控制压电陶瓷周期性地伸缩运动，从而驱动微驱动器不断运动，实现微驱动器的持续动作。而且根据实际需求，可选择微驱动器的动作精度，即更换不同电压的恒流电源120实现对压电陶瓷形变大小的选择，能够提供多种动作精度的微驱动器。
第二实施例：
请参照图3、图4在本发明的实施例中，提供一种微驱动器，使用另一种驱动原理，并阐述其驱动动作过程。
本微驱动器包括：驱动机构1、传导机构2和受动机构3。
驱动机构包括：由受电应变材料制成的伸缩件10、推进组件11、及控制电路12，具体地，伸缩件10为压电陶瓷，推进组件11包括：限位杆110和推片111，控制电路12包括：恒流电源120、感应开关121和电感122。压电陶瓷的一端是固定的，压电陶瓷的另一端固定有限位杆110，限位杆110的中心固定在压电陶瓷的另一端上，推片111安装在限位杆的两端。
感应开关121感应驱动信号产生闭合动作，恒流电源120的正极与电感122的一端电性连接，电感122的另一端与感应开关121的一端电性连接，感应开关121的另一端与压电陶瓷的极化端的负极电性连接，恒流电源120的负极与所述压电陶瓷的极化端的正极电性连接。因为恒流电源120提供的电场方向与压电陶瓷的极化方向相反，因此当在压电陶瓷两端通电时，压电陶瓷会受电缩短。
传导机构2是轮带，轮带的第一表面20上有三角形的锯齿，在压电陶瓷未通电之前，推片111在限位杆110的限制下被限位在锯齿的齿槽内，受动机构3是受动轮，轮带的第二表面21与受动轮之间啮合，通过啮合作用完成传动。
在本实施例中，整体驱动动作过程为：当压电陶瓷通电收缩时，压电陶瓷一端回缩拉动限位杆110运动，进而拉动推片111从齿槽中滑出，压电陶瓷回缩的距离是可控的在0.5μm的1到4个整数倍的之间。
当对压电陶瓷两端通电使得压电陶瓷压缩0.5μm时，压电陶瓷带动限位杆110向第二方向运动0.5μm，进而拉动推片110向第二方向运动0.5μm，因为锯齿在轮带运动方向上的距离以及齿槽在轮带运动方向上的距离为0.5μm，因此推片110回缩0.5μm后卡合在第二方向上的后一个齿槽内，因此控制感应开关断开使得压电陶瓷一端沿第一方向伸长0.5μm恢复原形，从而通过限位杆110传动以及推片111的推动下，轮带向第一方向运动0.5μm，完成一次驱动动作。
通过发送驱动信号控制感应开关121的闭合，能够控制压电陶瓷的收缩，实现轮带带动受动轮动作的可控，实现微驱动器的驱动可控，还能够根据实际控制和动作需求，提供一定频率和一定周期间隔的驱动信号控制感应开关121的闭合和断开为压电陶瓷提供一定频率的驱动电场，进而控制压电陶瓷周期性地伸缩运动，从而驱动微驱动器不断运动，实现微驱动器的持续动作。而且根据实际需求，可选择微驱动器的动作精度，即更换不同电压的恒流电源实现对压电陶瓷形变大小的选择，能够提供多种动作精度的微驱动器。
第三实施例：
本发明提供的轮带使用36个齿槽。
请参照图2、图4和图6，图6为使用本发明提供的微驱动器驱动的轮式微机器人，通过在轮带中央的动力输出孔30中插入转轴40和转动轮41将动力输出，转动轮41的半径为r，则转动轮41的周长为2πr(μm)，如果压电陶瓷的动作尺度为5μm，则表示压电陶瓷每次推动轮带行进1个齿槽宽度的距离，则表示轮带带动受动轮转动1/36×360°＝10°的角度，转动轮41因为与受动轮同轴，则转动轮41也转动相同的角度，则表示转动轮41的转动距离为10/360×2πr＝πr/18(μm)，则表示使用5μm动作尺度的压电陶瓷驱动轮式机器人的距离为πr/18(μm)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种微驱动器，其特征在于，包括：可沿固定方向伸缩的驱动机构、与所述驱动机构传动配合的传导机构、以及与所述传导机构传动配合的受动机构；当所述驱动机构沿第一方向伸长时，驱动所述传导机构沿所述第一方向行进，进而带动所述受动机构进行动作；
其中，所述驱动机构包括：由受电应变材料制成的伸缩件、推进组件、及控制电路，所述控制电路用于控制所述伸缩件的周期性伸缩，以使所述伸缩件带动所述推进组件沿所述第一方向运动或沿与所述第一方向相反的第二方向运动；所述推进组件沿所述第一方向的运动用于推动所述传导机构沿所述第一方向行进。
2.根据权利要求1所述的微驱动器，其特征在于，所述推进组件包括：推片和限位杆，所述限位杆的中心固定在所述伸缩件的一个极端上，所述限位杆的两端安装有所述推片。
3.根据权利要求2所述的微驱动器，其特征在于，所述受电应变材料为压电陶瓷，所述压电陶瓷的一端固定，在所述压电陶瓷的两端加送电压，使得所述压电陶瓷的另一端沿所述第一方向伸长或沿所述第二方向压缩，当所述压电陶瓷两端的电压消失时，所述压电陶瓷的另一端沿所述第二方向收缩恢复原状或沿所述第一方向伸长恢复原状，所述压电陶瓷沿所述第一方向的伸长运动带动所述推进组件沿所述第一方向的运动用于推动所述传导机构沿所述第一方向行进。
4.根据权利要求3所述的微驱动器，其特征在于，所述传导机构是轮带，所述轮带的第一表面上设有锯齿，所述推片完全卡合在所述锯齿的齿槽内，所述限位杆限制所述推片在每次动作后都完全卡合在所述齿槽内。
5.根据权利要求4所述的微驱动器，其特征在于，所述锯齿的横截面的形状为三角形且所述三角形与所述轮带表面形成的夹角分别为α和β，则有45°＞α≥30°，β＝90°，多个所述锯齿前后相接环绕整个轮带。
6.根据权利要求5所述的用于驱动微型管道机器人的微驱动器，其特征在于，所述锯齿在所述轮带转动的方向上的长度为0.5μm，所述锯齿的数量为36个，所述压电陶瓷伸长和压缩的距离为0.5μm的N倍，N＝1、2、3、4。
7.根据权利要求6所述的微驱动器，其特征在于，所述受动机构为受动轮，所述受动轮的中心设有动力输出孔，所述受动轮与所述轮带的第二表面接合，受所述轮带的带动转动。
8.根据权利要求7所述的微驱动器，其特征在于，所述受动轮为齿轮，所述第二表面上设有与所述齿轮的轮齿啮合的齿。
9.根据权利要求8所述的微驱动器，其特征在于，所述控制电路包括：第一恒流电源、电感和第一感应开关，所述第一感应开关感应驱动信号产生闭合动作，所述第一恒流电源的正极与所述电感的一端电性连接，所述电感的另一端与所述第一感应开关的一端电性连接，所述第一感应开关的另一端与所述压电陶瓷的极化端的正极电性连接，所述第一恒流电源的负极与所述压电陶瓷的极化端的负极电性连接。
10.根据权利要求8所述的微驱动器，其特征在于，所述控制电路包括：第二恒流电源、电感和第二感应开关，所述第二感应开关感应驱动信号产生闭合动作，所述第二恒流电源的正极与所述电感的一端电性连接，所述电感的另一端与所述第二感应开关的一端电性连接，所述第二感应开关的另一端与所述压电陶瓷的极化端的负极电性连接，所述第二恒流电源的负极与所述压电陶瓷的极化端的正极电性连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180724 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |