CN109787506A - 一种基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，包括第一固定端、压电片、微悬臂梁、质量块、铰链、惯性轮轴、连杆、惯性轮、交流电源和电源开关；微悬臂梁一端与固定端固定连接，另一端与质量块固定连接；压电片贴在微悬臂梁上，压电片与电路连接导通；连杆一端与质量块连接，另一端与惯性轮连接。闭合电源开关，交流电源给压电片施加交流电压，压电片发生伸缩变形，带动微悬臂梁振动，质量块随微悬臂梁上下运动，推动连杆做平面运动，惯性轮做定轴转动；断开电源开关，压电片恢复原始形态，微悬臂梁恢复静止，惯性轮停止转动。利用振动微悬臂梁位移放大效应，梁右端质量块产生振动位移，能将微悬臂梁的振动转化为驱动惯性轮的转动。

Description

一种基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置及其工作方法

技术领域

本发明属于微机械马达领域，具体涉及一种基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置及其工作方法。

背景技术

微机电系统在通讯、航空航天、医药和农业等领域有着广泛的应用和巨大的前景，微机电系统主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路。执行器在整个系统中起着关键的作用，它的功能是利用不同的原理与执行机构来产生力并实现位移。微型马达是一种典型的微型执行器,微型马达是一种典型的微型执行器,是指体积和容量较小，输出功率较小的电机或应用条件比较特殊的电机。压电马达是微型马达的一个分类，是利用压电片正逆压电效应,把电能转换成机械能。现阶段，压电马达多以定子和转子的结构实现旋转或直线运动，结构较复杂，且加工精度要求较高。

发明内容

针对压电马达现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于微悬臂梁振动的压电驱动微马达装置及其工作方法，结构简单，易加工制造安装，同样可以实现将压电能转化为机械能的效果，并能够实现输出轴角度的控制。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，包括微悬臂梁压电驱动系统、动力输出系统与马达启动停止系统；微悬臂梁压电驱动系统包括第一固定端、压电片和微悬臂梁，动力输出系统包括连杆、惯性轮、惯性轮轴、铰链、质量块和第二固定端，马达启动停止系统包括电路，电路包括电源开关和交流电源；

微悬臂梁一端与第一固定端固定连接，另一端与质量块固定连接；压电片粘贴在微悬臂梁上，压电片与电路连接导通；电源开关与交流电源连接；

连杆一端与质量块连接，另一端与惯性轮连接，惯性轮与惯性轮轴固定连接，惯性轮轴连接在第二固定端上。

进一步，在质量块正下方设有磁铁。

进一步，磁铁与质量块采用同性磁极。

进一步，磁铁与质量块采用异性磁极。

进一步，压电片与微悬臂梁宽度相同。

进一步，连杆一端通过铰链与质量块连接，另一端通过连杆转动轴与惯性轮连接，连杆与连杆转动轴转动连接，连杆转动轴与惯性轮固定连接。

进一步，在惯性轮轮心处安装有轴承，惯性轮轴通过轴承安装在惯性轮轮心处。

本发明还公开了所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置的工作方法，包括以下步骤：

闭合电源开关，电路导通，交流电源给压电片施加交流电压，压电片发生伸缩变形，带动微悬臂梁振动，质量块跟随微悬臂梁上下运动，推动连杆做平面运动，惯性轮和惯性轮轴做定轴转动；

断开电源开关，压电片恢复原始形态，微悬臂梁运动幅值逐步减小，直到静止，惯性轮和惯性轮轴停止转动。

进一步，交流电源给压电片施加交流电压，引起惯性轮轴转动，具体为：

当交流电源给压电片施加正相交流电压时，压电片发生收缩变形，带动微悬臂梁向上运动，质量块随微悬臂梁向上运动，推动连杆做平面运动，连杆带动惯性轮做顺时针转动，惯性轮带动惯性轮轴做顺时针转动；

当交流电源给压电片施加反相交流电压时，压电片发生伸长变形，带动微悬臂梁向下运动，质量块在微悬臂梁带动和重力作用下加速运动，推动连杆做平面运动，连杆带动惯性轮逆时针，惯性轮带动惯性轮轴做逆时针转动。

进一步，当需要快速停止所述压电驱动微马达装置时，断开电源开关，交流电压给压电片施加与上一次相反的交流电压，再闭合电源开关，压电片发生与上一次促进微悬臂梁振动运动方向相反的变形，减小微悬臂梁的运动幅值，直至微悬臂梁静止，连杆停止，惯性轮和惯性轮轴停止转动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，包括压电片、微悬臂梁、质量块、连杆、惯性轮、交流电源和电源开关；微悬臂梁一端固定，另一端与质量块固定连接，压电片贴在微悬臂梁上，压电片通过电源开关与交流电源接通，连杆一端与质量块连接，另一端与惯性轮连接。压电片通电后，因压电效应发生伸缩变形，带动微悬臂梁震动，质量块随微悬臂梁运动，通过连杆带动惯性轮转动，利用振动微悬臂梁位移放大效应，微悬臂梁一端的质量块产生振动位移，能将微悬臂梁的振动转化为驱动惯性轮轴的转动运动，相比较现有压电马达通过“蠕动”实现旋转，本发明响应快、运动精度高，易于控制，并能实现运动方向和角度控制。本发明提供了一种平行移动转化为定轴转动的运动转化装置，将压电能转化为微悬臂梁的机械能，再换化为惯性轮轴的机械能，相比较现有压电马达通过摩擦力传递力矩，本发明能量转递效率较高，且在结构上，较现有定子、转子安装方式简单，同时通过交流电源施加正反相交流电压，使压电片发生正逆压电效应，控制惯性轮轴在一定角度内顺时针旋转或逆时针旋转。

进一步，在质量块下方设置磁铁，根据不同的运动形式，选择磁铁和质量块的极性，可以改变为压电驱动微马达的左右摆动角度。

进一步，当磁铁与质量块采用同性磁极时，两者同性排斥，在质量块向上运动时，加快质量块向上运动的速度，在质量块向下运动时，减缓质量块向下运动的速度；这样，压电驱动微马达在惯性轮的带动下，顺时针旋转角度大，转动角速度快，逆时针旋转角度小，转动角速度慢。

进一步，当磁铁与质量块采用异性磁极时，两者异性相吸，在质量块向上运动时，减缓质量块向上运动的速度，在质量块向下运动时，加快质量块向下运动的速度。压电驱动微马达在惯性轮的带动下，顺时针旋转角度小，转动角速度慢，逆时针旋转角度大，转动角速度快。

进一步，压电片与微悬臂梁等宽，由于压电片形变作用，微悬臂梁振动幅值较不等宽压电片大，微马达驱动效果明显。

本发明公开的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置的工作方法，通过开闭电源开关来控制电路的导通或断开，进而控制压电片是否变形，达到控制微悬臂梁的振动，最终控制惯性轮旋转或停止，实现微马达的驱动利用压电片的压电效应带动微悬臂梁震动实现惯性轮轴的旋转运动，实现了压电马达的作用。

附图说明

图1为基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置示意图；

图2为基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置正视图；

其中，1为第一固定端；2为电源开关；3为交流电源；4为.压电片；5为微悬臂梁；6为连杆；7为连杆转动轴；8为惯性轮；9为惯性轮轴；10为铰链；11为质量块；12为磁铁；13为导线；14为第二固定端。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，是对本发明的解释而不是限定。

如图1～2所示，本发明的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置包括微悬臂梁压电驱动系统、动力输出系统和马达启动停止系统三部分。微悬臂梁压电驱动系统包括第一固定端1、压电片4和微悬臂梁5；动力输出系统包括质量块11、铰链10、惯性轮轴9、连杆6和惯性轮8；马达启动停止系统包括电路，电路包括电源开关2和交流电源3。

微悬臂梁5左端与第一固定端1固定连接，右端与质量块11固定连接，微悬臂梁5上粘贴压电片4，通过金属导线13与电路连接导通；电源开关2左端连接压电片4，右端连接交流电源3，交流电源3右端连接压电片4。

连杆6下端通过铰链10与质量块11转动连接，上端通过轴承与连杆转动轴7右端转动连接，连杆转动轴7与惯性轮8通过轴承连接，惯性轮8轮心安装有惯性轮轴9，惯性轮8与惯性轮轴9固定连接，惯性轮轴9与第二固定端14通过轴承连接。在连杆6运动带动下，经连杆转动轴7，惯性轮8与惯性轮轴9一起做旋转运动，经由第二固定端14，惯性轮轴9作为输出轴，对外输出动力。

压电片4可以粘贴于微悬臂梁5上表面，也可以粘贴于微悬臂梁5下表面，一般选择放置在易粘贴、较容易促使微悬臂梁5振动的位置。

更优地，可在质量块11正下方安放磁铁12。当磁铁12与质量块11采用同性磁极时，两者同性排斥，在质量块11向上运动时，加快质量块11向上运动的速度，在质量块11向下运动时，减缓质量块11向下运动的速度；当磁铁12与质量块11采用异性磁极时，两者异性相吸，在质量块11向上运动时，减缓质量块11向上运动的速度，在质量块11向下运动时，加快质量块11向下运动的速度。由此，可以选择压电驱动微马达惯性轮轴9的运动模式，采用未放置磁铁12时，惯性轮轴9为顺逆等角度旋转，采用放置同性磁铁时，惯性轮轴9为偏顺时针运动，采用放置异性磁铁时，惯性轮轴9为偏逆时针运动。

压电片4与微悬臂梁5等宽，同样长度下，等宽压电片驱动微马达的效果要比不等宽效果好。

本发明的微马达装置的工作方法如下：初始，微悬臂梁5处于平衡状态，当闭合电源开关2，交流电源3给压电片4施加正相交流电压时，压电片4因逆压电效应发生收缩变形，带动微悬臂梁5向上运动，质量块11克服重力的作用，随微悬臂梁5运动，推动连杆6做平面运动，连杆6带动惯性轮8顺时针转动，旋转一定角度，惯性轮轴9跟随惯性轮8运动，顺时针旋转相同角度。当交流电源3给压电片4施加反相交流电压时，压电片4发生伸长变形，带动微悬臂梁5向下运动，质量块11在微悬臂梁5带动下向下运动，推动连杆6做平面运动，连杆6带动惯性轮8逆时针转动，惯性轮轴9随惯性轮8逆时针旋转相同角度。

交流电源持续给压电片4施加交流电压，压电片4持续产生伸缩变形，带动微悬臂梁5做周期性振动，质量块11跟随微悬臂梁5推动连杆6做周期性平面运动，连杆6推动惯性轮8转动，惯性轮轴9做定轴转动，根据质量块11下方磁铁12有无极性，微马达可选择顺逆等角度旋转、偏顺时针旋转或偏逆时针旋转。

停止微马达装置时，断开电源开关2，微悬臂梁5在自身阻尼的作用下运动幅值逐步减小，直到静止，惯性轮8停止。需要快速停止微马达装置时，断开电源开关2，使交流电压3给压电片4施加一个与上一次相反的交流电压，闭合电源开关2，压电片4发生与上一次促进微悬臂梁5振动运动方向相反的变形，进一步减小微悬臂梁5的运动幅值，直至微悬臂梁5静止，惯性轮8停止，惯性轮轴9停止。

Claims (10)

1.一种基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，其特征在于，包括微悬臂梁压电驱动系统、动力输出系统与马达启动停止系统；微悬臂梁压电驱动系统包括第一固定端(1)、压电片(4)和微悬臂梁(5)，动力输出系统包括连杆(6)、惯性轮(8)、惯性轮轴(9)、铰链(10)、质量块(11)和第二固定端(14)，马达启动停止系统包括电路，电路包括电源开关(2)和交流电源(3)；

微悬臂梁(5)一端与第一固定端(1)固定连接，另一端与质量块(11)固定连接；压电片(4)粘贴在微悬臂梁(5)上，压电片(4)与电路连接导通；电源开关(2)与交流电源(3)连接；

连杆(6)一端与质量块(11)连接，另一端与惯性轮(8)连接，惯性轮(8)与惯性轮轴(9)固定连接，惯性轮轴(9)连接在第二固定端(14)上。

2.根据权利要求1所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，其特征在于，在质量块(11)正下方设有磁铁(12)。

3.根据权利要求2所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，其特征在于，磁铁(12)与质量块(11)采用同性磁极。

4.根据权利要求2所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，其特征在于，磁铁(12)与质量块(11)采用异性磁极。

5.根据权利要求1所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，其特征在于，压电片(4)与微悬臂梁(5)宽度相同。

6.根据权利要求1所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，其特征在于，连杆(6)一端通过铰链(10)与质量块(11)连接，另一端通过连杆转动轴(7)与惯性轮(8)连接，连杆(6)与连杆转动轴(7)转动连接，连杆转动轴(7)与惯性轮(8)固定连接。

7.根据权利要求1所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置，其特征在于，在惯性轮(8)轮心处安装有轴承，惯性轮轴(9)通过轴承安装在惯性轮(8)轮心处。

8.权利要求1～7任意一项所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

闭合电源开关(2)，电路导通，交流电源(3)给压电片(4)施加交流电压，压电片(4)发生伸缩变形，带动微悬臂梁(5)振动，质量块(11)跟随微悬臂梁(5)上下运动，推动连杆(6)做平面运动，惯性轮(8)和惯性轮轴(9)做定轴转动；

断开电源开关(2)，压电片(4)恢复原始形态，微悬臂梁(5)运动幅值逐步减小，直到静止，惯性轮(8)和惯性轮轴(9)停止转动。

9.根据权利要求8所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置的工作方法，其特征在于，交流电源(3)给压电片(4)施加交流电压，引起惯性轮轴(9)转动，具体为：

当交流电源(3)给压电片(4)施加正相交流电压时，压电片(4)发生收缩变形，带动微悬臂梁(5)向上运动，质量块随微悬臂梁(5)向上运动，推动连杆(6)做平面运动，连杆(6)带动惯性轮(8)做顺时针转动，惯性轮(8)带动惯性轮轴(9)做顺时针转动；

当交流电源(3)给压电片(4)施加反相交流电压时，压电片(4)发生伸长变形，带动微悬臂梁(5)向下运动，质量块在微悬臂梁(5)带动和重力作用下加速运动，推动连杆(6)做平面运动，连杆(6)带动惯性轮(8)逆时针，惯性轮(8)带动惯性轮轴(9)做逆时针转动。

10.根据权利要求8所述的基于悬臂梁振动的压电驱动微马达装置的工作方法，其特征在于，当需要快速停止所述压电驱动微马达装置时，断开电源开关(2)，交流电压给压电片(4)施加与上一次相反的交流电压，再闭合电源开关(2)，压电片(4)发生与上一次促进微悬臂梁(5)振动运动方向相反的变形，减小微悬臂梁(5)的运动幅值，直至微悬臂梁(5)静止，连杆(6)停止，惯性轮(8)和惯性轮轴(9)停止转动。