CN109256982A - 一种压电驱动马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电驱动马达，包括中轴与输出轮，输出轮与中轴之间径向连接有压电输出模块，压电输出模块包括能够通电输出径向位移的压电陶瓷块，以及与压电陶瓷块限位配合将其输出径向位移转换至切向的柔性铰链组件。采用轮轴式的整体结构，在轮与轴之间设置压电输出对输出轮的旋转驱动达到连续输出，相当于增大输出步距；压电陶瓷块在通电状态下径向伸长，柔性铰链组件的位移转换作用将输出的径向位移转化为切向位移，并通过柔性铰链的位移放大作用在提升输出位移大小的情况下保持位移输出的精度，其精度由柔性铰链的设计保证降低对压电本身的要求，其结构相对较为成熟的尺蠖式传动设计结构更加简单，具有大步距连续性优点。
Description
技术领域
本发明涉及压电位移输出技术领域，更具体地说，涉及一种压电驱动马达。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对高精密自动化控制的需求越来越大。对电机的要求也在不断提高，传统的电磁电机的发展已经有100多年的历史，各方面技术成果已经十分完善，由于工作原理和结构的限制，难以满足在复杂恶劣环境条件中的需求，如力矩大，尺寸小，分辨率高，低速，低噪声，无电磁干扰等，为解决传统电机结构上的问题，提出了压电陶瓷输出位移的结构设计，压电陶瓷具有受恶劣环境影响小，运动精确，可微型化等优点。
不过目前压电陶瓷的位移装置设计技术还不够成熟，主要是存在以下缺点：对压电陶瓷的性能要求极高，压电陶瓷的运动轨迹及对应的控制规划复杂，压电陶瓷材料需要满足向多方向运动的要求。并且压电驱动步骤复杂，常用与压电陶瓷配合的尺蠖机构行程有限，往往只有几个微米，常常难以达到需要的位移输出量。
综上所述，如何有效地解决采用压电原理的运动输出装置存在的材质要求高、控制结构复杂以及输出位移有限等的技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压电驱动马达，该压电驱动马达的结构设计可以有效地解决采用压电原理的运动输出装置存在的材质要求高、控制结构复杂以及输出位移有限等的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种压电驱动马达，包括同轴设置、可转动连接的中轴与输出轮，所述输出轮与中轴之间径向连接有压电输出模块，所述压电输出模块包括能够通电输出径向位移的压电陶瓷块，以及与所述压电陶瓷块限位配合将其输出径向位移转换至切向的柔性铰链组件。
优选地，上述压电驱动马达中，所述柔性铰链组件包括位移输出块，所述位移输出块顶端用于与输出轮的内缘摩擦传动连接，所述压电陶瓷块的两端分别顶紧位移输出块的底面及所述中轴的外周，所述位移输出块的两端连接有非对称柔性铰链结构。
优选地，上述压电驱动马达中，所述柔性铰链组件还包括第一连杆及第二连杆，所述第一连杆及第二连杆分别设置于所述压电陶瓷块的两侧，两根连杆各自的首端均与所述中轴连接固定，第一连杆的尾端通过第一柔性铰链与所述位移输出块的一端连接，第二连杆的尾端通过第二柔性铰链与所述位移输出块的另一端连接，所述第一柔性铰链与第二柔性铰链结构不同。
优选地，上述压电驱动马达中，所述第一柔性铰链与所述位移输出块底面垂直连接；所述第一柔性铰链与位移输出块连接点的外侧为圆弧状连接结构、内侧为直角状连接结构，第一柔性铰链与第一连杆连接点的外侧为直角状连接结构、外侧为直角状连接结构。
优选地，上述压电驱动马达中，所述第二柔性铰链与所述位移输出块底面呈锐角状连接；所述第二柔性铰链与位移输出块连接点内外两侧均呈直面状，第二柔性铰链与第二连杆端部连接点内侧呈直面状、外侧呈圆弧状。
优选地，上述压电驱动马达中，所述第一连杆的杆径大于第二连杆的杆径。
优选地，上述压电驱动马达中，所述输出轮与中轴之间间隔预设角度均匀设置有六组所述压电输出模块，所述压电输出模块包括间隔设置的三组正向输出模块及三组逆向输出模块，所述正向输出模块相对逆向输出模块中各自的第一连杆及第二连杆方向反置。
优选地，上述压电驱动马达中，所述位移输出块的顶端面与输出轮的内圆周面均设置有静摩擦阻尼面，令二者之间的位移传动减少滑动摩擦。
优选地，上述压电驱动马达中，每组所述正向输出模块及逆向输出模块均连接有输出控制模块，用于分别控制正向输出模块及逆向输出模块的中的全部或部分输出位移。
本发明提供的压电驱动马达，包括同轴设置、可转动连接的中轴与输出轮，所述输出轮与中轴之间径向连接有压电输出模块，所述压电输出模块包括能够通电输出径向位移的压电陶瓷块，以及与所述压电陶瓷块限位配合将其输出径向位移转换至切向的柔性铰链组件。该压电驱动马达的设计采用轮轴式的整体结构，通过在输出轮与中轴设置压电输出模块实现输出轮的旋转驱动，从而实现位移的连续输出，以实现输出步距的增大；具体的通过压电输出模块中压电陶瓷块在通电状态下径向伸长，在柔性铰链组件的位移转换作用下，将原本输出的径向位移转化为沿输出轮切向的位移，并通过柔性铰链的位移放大作用在提升输出位移大小的情况下保持位移输出的精度。该设计通过柔性铰链的设计实现位移的换向及放大，其精度由柔性铰链的设计保证降低对压电本身的要求，其结构相对较为成熟的尺蠖式传动设计结构更加简单，并最终通过轮轴式输出位移保证位移输出的大步距及连续性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的压电驱动马达的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的压电驱动马达的柔性铰链组件部分的局部结构示意图。
附图中标记如下：
输出轮1、中轴2、压电陶瓷块3、柔性铰链组件4、位移输出块5、第一柔性铰链6、第一连杆7、第二柔性铰链8、第二连杆9。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种压电驱动马达，以解决采用压电原理的运动输出装置存在的材质要求高、控制结构复杂以及输出位移有限的技术问题。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1，图2，图1为本发明实施例提供的压电驱动马达的结构示意图；图2为本发明实施例提供的压电驱动马达的柔性铰链组件部分的局部结构示意图。
本发明的实施例提供的压电驱动马达，包括同轴设置、可转动连接的中轴2与输出轮1，输出轮1与中轴2之间径向连接有压电输出模块，压电输出模块包括能够通电输出径向位移的压电陶瓷块3，以及与压电陶瓷块3限位配合将其输出径向位移转换至切向的柔性铰链组件4。
其中需要说明的是，压电输出模块在输出轮1与中轴2之间沿径向布置，可根据位移输出的实际需要布置多组这种压电输出模块，以获得更大的转矩或更大的输出位移。
该压电驱动马达的设计采用轮轴式的整体结构，通过在输出轮1与中轴2设置压电输出模块实现输出轮1的旋转驱动，从而实现位移的连续输出，以实现输出步距的增大；具体的通过压电输出模块中压电陶瓷块3在通电状态下径向伸长，在柔性铰链组件4的位移转换作用下，将原本输出的径向位移转化为沿输出轮1切向的位移，并通过柔性铰链的位移放大作用在提升输出位移大小的情况下保持位移输出的精度。该设计通过柔性铰链的设计实现位移的换向及放大，其精度由柔性铰链的设计保证降低对压电本身的要求，其结构相对较为成熟的尺蠖式传动设计结构更加简单，并最终通过轮轴式输出位移保证位移输出的大步距及连续性。
柔性铰链组件4包括位移输出块5，位移输出块5顶端用于与输出轮1的内缘摩擦传动连接，压电陶瓷块3的两端分别顶紧位移输出块5的底面及中轴2的外周，位移输出块5的两端连接有非对称柔性铰链结构。
本实施例提供的技术方案进一步优化了柔性铰链组件4的设计，通过位移输出块5的结构实现位移从压电陶瓷块3向输出轮1的传递，位移输出块5在输出方向的前后两端均连接柔性铰链，通过非对称的铰链设计，令位移输出块5在压电陶瓷块3的顶紧输出作用下，输出沿输出轮1切向的单向位移，同时伴随径向的位移。
柔性铰链组件4还包括第一连杆7及第二连杆9，第一连杆7及第二连杆9分别设置于压电陶瓷块3的两侧，两根连杆各自的首端均与中轴2连接固定，第一连杆7的尾端通过第一柔性铰链6与位移输出块5的一端连接，第二连杆9的尾端通过第二柔性铰链8与位移输出块5的另一端连接，第一柔性铰链6与第二柔性铰链8结构不同。
本实施例提供的技术方案适应上述实施例中的位移输出块5设计，通过提供连杆的结构对压电陶瓷块3限位，以便将其纵向位移向横向换向，两根连杆分别设置于沿位移输出块5的切向输出方向的两端，其中一端均与中轴2连接固定，另一端设置柔性铰链的结构与位移输出块5连接，两根连杆端头位置的柔性铰链本身结构差异化设计，以便到达在给出的径向力相同时，转换至切向的位移能够单向输出。
本实施例提供的技术方案主要是为了具体优化柔性铰链的设计，具体给出柔性铰链如何实现位移的单向转换输出：第一柔性铰链6与位移输出块5底面垂直连接；第一柔性铰链6与位移输出块5连接点的外侧为圆弧状连接结构、内侧为直角状连接结构，第一柔性铰链6与第一连杆7连接点的外侧为直角状连接结构、外侧为直角状连接结构；
进一步的，第二柔性铰链8与位移输出块5底面呈锐角状连接；第二柔性铰链8与位移输出块5连接点内外两侧均呈直面状，第二柔性铰链8与第二连杆9端部连接点内侧呈直面状、外侧呈圆弧状。
在上述实施例基础上进一步通过连杆而当区别设计，对位移的单向输出效果优化，第一连杆7的杆径大于第二连杆9的杆径。
以上实施例提供的技术方案中，第一柔性铰链6伸出方向平行于第一连杆7轴向，并且与位移输出块5的底面垂直，与之相对第二柔性铰链8整体与第二连杆9呈钝角，即从结构上来看，两根连杆基部之间的距离小于两个柔性铰链与位移输出块5的端部连接位置之间的距离，这样在位移输出块5底部被压电陶瓷块3竖直向上顶起时，由于两侧柔性铰链对位移输出块5的限位，将原本径向的位移分离一部分沿切向输出，由于铰链角度设计，第二柔性铰链8沿径向提供的向内(压电陶瓷块3方向)的限位力小于第一柔性铰链6，因此位移输出块5整体产生逆时针的旋转，从而在位移输出块5的顶端输出朝向第一连杆7方向的切向位移。
为优化具体的柔性铰链限位情况，优化柔性铰链端部与连杆及位移输出块5之间的连接点结构，可将每个连接点结构局部视为不同的柔性铰链单元结构，通过第一柔性铰链6两侧对应位置采用不同的圆弧状或直角状的连接点设计，对应的令第一柔性铰链6对位移输出块5的限位，令位移输出块5更容易的产生逆时针方向的选装，与之同理的，第二柔性铰链8与位移输出块5及第二连杆9的连接点设计也同理，优化了机构整体的切向输出性能，令柔性铰链连接在一定的径向力输出作用下，保证精度的同时也能够实现较大的切向位移放大输出。
同理的第一及第二连杆9本身外结构杆径的区别设计，也是为了令第一柔性铰链6对位移输出块5的径向限位与第二柔性铰链8的差值更大，令位移输出块5能够更容易的实现切向位移放大输出。
位移输出块5的顶端面与输出轮1的内圆周面均设置有静摩擦阻尼面，令二者之间的位移传动减少滑动摩擦。通过位移输出块5顶端面与输出轮1的内圆周面的优化设计，可以增大二者接触时的静摩擦力，有效减少二者之间出现滑动摩擦的可能，从而确保切向位移由位移输出块5传递至输出轮1减少不必要的损耗，提升装置整体的位移放大输出精度。
本实施例提供的技术方案主要是为了优化压电马达本身的实用性，输出轮1与中轴2之间间隔预设角度均匀设置有六组压电输出模块，压电输出模块包括间隔设置的三组正向输出模块及三组逆向输出模块，正向输出模块相对逆向输出模块中各自的第一连杆7及第二连杆9方向反置。
在此设计的基础上，进一步的：每组正向输出模块及逆向输出模块均连接有输出控制模块，用于分别控制正向输出模块及逆向输出模块的中的全部或部分输出位移。
以上实施例提出的技术方案中，在输出轮1的内缘与中轴2之间设置多组上述的压电输出模块，而压电输出模块包括能够在压电陶瓷块3顶紧作用下输出顺时针切向位移，以及输出逆时针切向位移的两种不同结构，区别仅在于两类输出模块各自的连杆及柔性铰链的布置沿切向均相反。
通过该设计，能够令压电驱动马达输出两种方向相反的位移，而通过输出控制模块的控制，即具体的不同输出模块的供电切换，能够改变参与输出的输出模块数量及方向，以此提供不同的转矩、位移输出量以及方向的个性化输出，令压电驱动马达能够适应不同的应用场景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种压电驱动马达，其特征在于，包括同轴设置、可转动连接的中轴与输出轮，所述输出轮与中轴之间径向连接有压电输出模块，所述压电输出模块包括能够通电输出径向位移的压电陶瓷块，以及与所述压电陶瓷块限位配合将其输出径向位移转换至切向的柔性铰链组件。
2.根据权利要求1所述的压电驱动马达，其特征在于，所述柔性铰链组件包括位移输出块，所述位移输出块顶端用于与输出轮的内缘摩擦传动连接，所述压电陶瓷块的两端分别顶紧位移输出块的底面及所述中轴的外周，所述位移输出块的两端连接有非对称柔性铰链结构。
3.根据权利要求2所述的压电驱动马达，其特征在于，所述柔性铰链组件还包括第一连杆及第二连杆，所述第一连杆及第二连杆分别设置于所述压电陶瓷块的两侧，两根连杆各自的首端均与所述中轴连接固定，第一连杆的尾端通过第一柔性铰链与所述位移输出块的一端连接，第二连杆的尾端通过第二柔性铰链与所述位移输出块的另一端连接，所述第一柔性铰链与第二柔性铰链结构不同。
4.根据权利要求3所述的压电驱动马达，其特征在于，所述第一柔性铰链与所述位移输出块底面垂直连接；所述第一柔性铰链与位移输出块连接点的外侧为圆弧状连接结构、内侧为直角状连接结构，第一柔性铰链与第一连杆连接点的外侧为直角状连接结构、外侧为直角状连接结构。
5.根据权利要求4所述的压电驱动马达，其特征在于，所述第二柔性铰链与所述位移输出块底面呈锐角状连接；所述第二柔性铰链与位移输出块连接点内外两侧均呈直面状，第二柔性铰链与第二连杆端部连接点内侧呈直面状、外侧呈圆弧状。
6.根据权利要求4所述的压电驱动马达，其特征在于，所述第一连杆的杆径大于第二连杆的杆径。
7.根据权利要求3至6任一项所述的压电驱动马达，其特征在于，所述输出轮与中轴之间间隔预设角度均匀设置有六组所述压电输出模块，所述压电输出模块包括间隔设置的三组正向输出模块及三组逆向输出模块，所述正向输出模块相对逆向输出模块中各自的第一连杆及第二连杆方向反置。
8.根据权利要求7所述的压电驱动马达，其特征在于，所述位移输出块的顶端面与输出轮的内圆周面均设置有静摩擦阻尼面，令二者之间的位移传动减少滑动摩擦。
9.根据权利要求7所述的压电驱动马达，其特征在于，每组所述正向输出模块及逆向输出模块均连接有输出控制模块，用于分别控制正向输出模块及逆向输出模块的中的全部或部分输出位移。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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