CN110445415B - 一种旋转压电驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转压电驱动器。包括转子机构、预紧机构、驱动机构和基座；转子机构包括转子和转子轴；预紧机构包括空心预紧框和一对螺栓，调整一对螺栓的压力实现预紧机构在水平方向的微位移；驱动机构包括由一对质量块、振动杆、凸轮和一对压电片组成的一对振动机构；两对振动机构分别通过振动杆对称连接设于空心预紧框外部两侧；空心预紧框活动设于基座上，转子位于空心预紧框的上方；当一对压电片接收到输入频率为152Hz时，激发一对振动杆的旋转摆动，带动凸轮摆动，改变凸轮与转子接触点的位置，使两者间正压力改变，实现凸轮自锁与滑移的交替进行，自锁时带动转子转动，滑移时与转子分离，高频重复以上动作，实现了转子宏观上的单向转动输出。

Description

一种旋转压电驱动器

技术领域

本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体涉及一种旋转压电驱动器。

背景技术

近年来，压电驱动器由于其体积小，功率密度大，响应快，无电磁干扰等优点广泛应用于精密驱动与定位、生物技术、医疗设备、航天科技等领域。压电驱动器主要包括超声压电驱动器与准静态压电驱动器。其中超声压电驱动器工作在超声频段内，需要配备专用的高频电源，而大多数情况下高频电源比超声压电驱动器本体的体积大的多且成本更高。准静态压电驱动器包括惯性压电驱动器和尺蠖压电驱动器，其中惯性压电驱动器主要采用压电堆叠来驱动，而压电堆叠抗拉能力差不可以连接较大的质量块，且大部分的惯性压电驱动器采用锯齿波驱动，其无法工作在谐振状态下，工作效率很低。

发明内容

本发明为了解决上述压电马达的问题，提供了一种新型的旋转压电驱动器。

一种旋转压电驱动器包括转子机构、预紧机构、驱动机构和基座1；

所述转子机构包括转子2、转子轴22和转子支架3，转子2固定设于转子轴22中部；

所述预紧机构包括八边形的空心预紧框，所述空心预紧框为微位移机构，空心预紧框上设有一对螺栓49，实现所述预紧机构在水平方向微位移的调整；空心预紧框的底部设有一对限位柱45和一对安装板；

所述驱动机构包括一对振动机构，每对振动机构包括一对质量块51、振动杆52、凸轮6和一对压电片53，所述质量块51、凸轮6和一对压电片53均设于振动杆52上；

一对振动机构分别通过振动杆52对称连接设于空心预紧框外部两侧；所述空心预紧框活动设于基座1上，并通过一对限位柱45限制在基座1上位置；所述转子2位于空心预紧框的上方，转子轴22垂直于基座1，转子轴22的两端分别活动连接着基座1和转子支架3，转子支架3固定在基座1上；

当驱动机构上的压电片接收到输入频率为152Hz的谐波电信号，激发一对振动杆52的旋转摆动，带动凸轮6摆动，改变凸轮6与转子2接触点的位置，使两者间正压力改变，实现凸轮6自锁与滑移的交替进行，自锁时带动转子2转动，滑移时与转子2分离，高频重复以上动作，实现了转子2宏观上的单向转动输出。

进一步限定的技术方案如下：

所述转子2为圆环状，其外圆周上设有向下的圆环状的外翻边21，转子2的内圆周上固定设有十字形的加强筋23，所述转子轴22垂直设于转子2中心位置的加强筋23中部，转子轴22的两端分别通过轴承设于转子支架3和基座1上。

所述空心预紧框上相对称的两侧分别为第一连接边框41和第二连接边框47，对称的另两侧分别为第一调节边框46和第二调节边框48；第一连接边框41的外部和第二连接边框47的外侧分别设有第一夹紧块，两侧的第一夹紧块在一条直线上，且平行于第一调节边框46和第二调节边框48；分别与第一调节边框46和第二调节边框48连接的第一连接边框41的内部两侧分别设有柔性铰链，两侧柔性铰链之间的第一连接边框41下部设有安装板；分别与第一调节边框46和第二调节边框48连接的第二连接边框47的内部两侧分别设有柔性铰链，两侧柔性铰链之间的第二连接边框47下部设有安装板；所述一对限位柱45分别固定设于第一调节边框46的底部和第二调节边框48的底部；所述一对螺栓49设于第一调节边框46和第二调节边框48之间。

所述一对质量块51固定设于振动杆52的外端，振动杆52的内端通过第二夹紧块54连接着空心预紧框；所述振动杆52呈水平状，所述一对压电片53固定设于振动杆52的杆身两侧面下部；所述凸轮6的底面开设有贯通的滑槽62，凸轮6通过滑槽62活动设于振动杆52的杆身上部，实现在振动杆52上滑动；凸轮6上设有驱动面61，所述驱动面61为垂直于振动杆52的平面，工作时与转子2接触或分离。

所述基座1为矩形板状，中部开设有轴承孔11，与轴承孔11对称分别开设有一对限位槽12和一对螺纹通孔13；一对限位槽12的中心线和一对螺纹通孔13的中心线呈十字分布，且分别位于基座1的两条对角线方向；所述空心预紧框的底部通过螺纹连接件和一对螺纹通孔13的连接固定在基座1上，空心预紧框底部的一对限位柱45分别对应位于一对限位槽12内，且限位柱45在限位槽12内实现滑动；所述转子支架3呈倒U形，通过螺纹连接件固定在基座1的长度方向上。

所述一对安装板上均开设有腰形孔，通过调整螺纹连接件在腰形孔中的位置，实现调整空心预紧框在基座1上位置。

所述压电片53的材料均为压电陶瓷PZT-4。

所述转子2、转子支架3、空心预紧框、振动杆52、第一夹紧块54和凸轮6所用材料皆为65#Mn钢，所述基座1的材料为铝，所述质量块51的材料为铜。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明相比于其他类型压电驱动器结构简单，匹配电路要求低。经Comsol有限元仿真得到其一阶振动频率为152Hz，因此其工作频率在100-200 Hz的范围内，属于低频驱动，与超声电机相比其所需外部电路要求低得多，所使用驱动电压为90-380V，可以采用普通家庭电路驱动，驱动电路简单，成本低。

2、本发明由于其工作频率较低，且采用谐波驱动，因此压电双晶片处于低频的谐振状态，与传统惯性压电驱动器采用锯齿波驱动相比，因其处于谐振状态，所以产生的噪音极小。

3、本发明采用压电双晶片驱动，相比于传统惯性压电驱动器常用的压电堆叠来说，其具有更高的抗拉强度，因此可承受双向变形，因此可以使用质量块来增加输出力。

4、本发明采用单谐波驱动，可工作在谐振状态下，与传统惯性压电驱动器采用锯齿波驱动相比，凸轮驱动面与转子外翻边内表面理论上是脱离与接触交替进行，避免了滑动摩擦，因此降低了工作时的有害摩擦，降低了摩擦产生的功率损耗，因此提高了压电驱动器的效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明装配爆炸图；

图3为本发明转子示意图；

图4为本发明预紧机构与驱动机构装配图；

图5为本发明预紧机构示意图；

图6为本发明驱动机构示意图；

图6A为图6中的局部放大图；

图7为本发明基座示意图；

图8为本发明压电双晶片驱动原理示意图

图9为本发明顺时针旋转工况示意图；

图10为本发明逆时针旋转工况示意图；

上图中序号：基座1、轴承孔11、限位槽12、螺纹通孔13、 转子2、外翻边21、转子轴22、十字杆23、转子支架3、预紧机构4、第一连接边框41、柔性铰链42、安装板43、通孔44、限位柱45、第一调节边框46、第二连接边框47、第二调节边框48、螺栓49、驱动机构5、质量块51、振动杆52、一对压电片53、第一夹紧块54、凸轮6、驱动面61、滑槽62；

编号说明：双位数序号是对应的单位数序号的子零件，如转子轴22是转子支架2的子零件。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，一种旋转压电驱动器包括转子机构、预紧机构、驱动机构和基座1。

参见图3，转子机构包括转子2、转子轴22和转子支架3。转子2为圆环状，其外圆周上设有向下的圆环状的外翻边21，本实施例外翻边内径为68mm，转子2的内圆周上固定设有十字形的加强筋23，转子轴22垂直固定安装于转子2中心位置的加强筋23中部。

参见图4和图5，预紧机构包括八边形的空心预紧框，空心预紧框为微位移机构。参见图5，空心预紧框上相对称的两侧分别为第一连接边框41和第二连接边框47，对称的另两侧分别为第一调节边框46和第二调节边框48；第一连接边框41的外部和第二连接边框47的外侧分别固定连接着第一夹紧块，两侧的第一夹紧块在一条直线上，且平行于第一调节边框46和第二调节边框48。分别与第一调节边框46和第二调节边框48连接的第一连接边框41的内部两侧分别设有柔性铰链42，两侧柔性铰链42之间的第一连接边框41下部固定连接着呈水平状的安装板43；分别与第一调节边框46和第二调节边框48连接的第二连接边框47的内部两侧分别设有柔性铰链，两侧柔性铰链之间的第二连接边框47下部固定连接着水平状的安装板。一对限位柱45分别固定安装于第一调节边框46的底部和第二调节边框48的底部。参见图4，一对螺栓49安装于第一调节边框46和第二调节边框48之间，实现所述预紧机构在水平方向微位移的调整。

参见图6，驱动机构包括一对振动机构，每对振动机构包括一对质量块51、振动杆52、凸轮6和一对压电片53。质量块51的材料为铜，质量块51质量为6g -18g，本实施例采用9g的质量块，质量块过轻会起不到增大驱动机构输出力的功用，过重则会影响振动杆振动，振动杆52为50mm * 12mm * 0.6mm的矩形片，压电片53的材料为压电陶瓷PZT-4，其规格为30mm * 10mm * 0.2mm。质量块51、凸轮6和一对压电片53均设于振动杆52上；一对质量块51固定安装于振动杆52的外端，一对振动杆52的内端分别通过第二夹紧块54连接着空心预紧框外部两侧的第一夹紧块。振动杆52呈水平状，一对压电片53固定安装于振动杆52的杆身两侧面下部；参见图6A，凸轮6的底面开设有贯通的滑槽62，凸轮6通过滑槽62活动安装于振动杆52的杆身上部，实现在振动杆52上滑动；凸轮6上设有驱动面61，驱动面61为垂直于振动杆52的平面，工作时与转子2接触或分离。

参见图7，基座1为矩形板状，基座1的材料为铝，中部开设有轴承孔11，与轴承孔11对称分别开设有一对限位槽12和一对螺纹通孔13；一对限位槽12的中心线和一对螺纹通孔13的中心线呈十字分布，且分别位于基座1的两条对角线方向。空心预紧框的通过一对安装板、螺纹连接件和一对螺纹通孔13的螺纹连接固定在基座1上，一对安装板上均开设有腰形孔，通过调整螺纹连接件在腰形孔中的位置，实现调整空心预紧框在基座1上位置。空心预紧框底部的一对限位柱45分别对应位于一对限位槽12内，且限位柱45在限位槽12内实现滑动。参见图1和图2，转子轴22垂直于基座1，转子轴22的两端分别通过轴承连接着基座1和转子支架3，转子支架3呈倒U形，通过螺纹连接件固定在基座1的长度方向上，使转子2位于空心预紧框的上方。

转子2、转子支架3、空心预紧框、振动杆52和凸轮6的材料皆为65#Mn钢。

参见图8、9、10，压电驱动器的工作原理说明如下：工作时，向驱动机构5上的四个压电片53裸露在外的一侧，同时输入频率为152 Hz的谐波。参见图8a，施加高电平时，四个压电片53由于压电逆效应产生形变，左侧上压电片收缩，下压电片伸张，使左侧振动杆52产生顺时针摆动的位移，同理右侧上压电片伸张，下压电片收缩，使右侧振动杆52产生顺时针摆动的位移，参见图9，此时凸轮6与转子2内表面接触点曲率半径减小，凸轮6脱离转子2表面，转子不随之摆动。参见图8b，施加低电平时，四个压电片53由于压电逆效应产生形变，左侧上压电片伸张，下压电片收缩，使左侧振动杆52产生逆时针摆动的位移，同理右侧上压电片收缩，下压电片伸张，使右侧振动杆52产生逆时针摆动的位移，参见图10，此时凸轮6与转子2内表面接触点曲率半径增大，接触表面正压力增大摩擦力增大，使转子随之摆动，完成这一动作时就是一个周期结束，由此转子2会产生一个逆时针方向的步距θ，持续输入谐波后重复以上动作便会激发出转子2的单向旋转输出。

Claims (7)

1.一种旋转压电驱动器，其特征在于：包括转子机构、预紧机构、驱动机构和基座（1）；

所述转子机构包括转子（2）、转子轴（22）和转子支架（3），转子（2）同轴固定设于转子轴（22）的中部；

所述预紧机构包括八边形的空心预紧框，所述空心预紧框为微位移机构，空心预紧框上设有一对螺栓（49），实现所述预紧机构在水平方向微位移的调整；空心预紧框的底部设有一对限位柱（45）和一对安装板；

所述驱动机构包括一对振动机构，每对振动机构包括一对质量块（51）、振动杆（52）、凸轮（6）和一对压电片（53），所述质量块（51）、凸轮（6）和一对压电片（53）均设于振动杆（52）上；

一对振动机构分别通过振动杆（52）对称连接设于空心预紧框外部两侧；

所述一对质量块（51）固定设于振动杆（52）的外端，振动杆（52）的内端通过第二夹紧块（54）连接着空心预紧框；所述振动杆（52）呈水平状，所述一对压电片（53）固定设于振动杆（52）的杆身两侧面下部；所述凸轮（6）的底面开设有贯通的滑槽（62），凸轮（6）通过滑槽（62）活动设于振动杆（52）的杆身上部，实现在振动杆（52）上滑动；凸轮（6）上设有驱动面（61），所述驱动面（61）为垂直于振动杆（52）的平面，工作时与转子（2）接触或分离；

所述空心预紧框活动设于基座（1）上，并通过一对限位柱（45）限制在基座（1）上位置；所述转子（2）位于空心预紧框的上方，转子轴（22）垂直于基座（1），转子轴（22）的两端分别活动连接着基座（1）和转子支架（3），转子支架（3）固定在基座（1）上；

当驱动机构上的压电片接收到输入频率为152Hz的谐波电信号，激发一对振动杆（52）的旋转摆动，带动凸轮（6）摆动，改变凸轮（6）与转子（2）接触点的位置，使两者间正压力改变，实现凸轮（6）自锁与滑移的交替进行，自锁时带动转子（2）转动，滑移时与转子（2）分离，重复以上动作，实现了转子（2）宏观上的单向转动输出。

2.根据权利要求1所述的一种旋转压电驱动器，其特征在于：所述转子（2）为圆环状，其外圆周上设有向下的圆环状的外翻边（21），转子（2）的内圆周上固定设有十字形的加强筋（23），所述转子轴（22）垂直设于转子（2）中心位置的加强筋（23）中部，转子轴（22）的两端分别通过轴承设于转子支架（3）和基座（1）上。

3.根据权利要求1所述的一种旋转压电驱动器，其特征在于：所述空心预紧框上相对称的两侧分别为第一连接边框（41）和第二连接边框（47），对称的另两侧分别为第一调节边框（46）和第二调节边框（48）；第一连接边框（41）的外部和第二连接边框（47）的外侧分别设有第一夹紧块，两侧的第一夹紧块在一条直线上，且平行于第一调节边框（46）和第二调节边框（48）；所述第一连接边框（41）的两端分别通过柔性铰链固定连接着第一调节边框（46）的一端和第二调节边框（48）的一端；两侧柔性铰链之间的第一连接边框（41）下部设有安装板；所述第二连接边框（47）的两端分别通过柔性铰链固定连接着第一调节边框（46）的另一端和第二调节边框（48）的另一端，两侧柔性铰链之间的第二连接边框（47）下部设有安装板；所述一对螺栓（49）设于第一调节边框（46）和第二调节边框（48）之间，所述一对限位柱（45）分别固定设于第一调节边框（46）的底部和第二调节边框（48）的底部。

4.根据权利要求1所述的一种旋转压电驱动器，其特征在于：所述基座（1）为矩形板状，中部开设有轴承孔（11），与轴承孔（11）对称分别开设有一对限位槽（12）和一对螺纹通孔（13）；一对限位槽（12）的中心线和一对螺纹通孔（13）的中心线呈十字分布，且分别位于基座（1）的两条对角线方向；所述空心预紧框的底部通过螺纹连接件和一对螺纹通孔（13）的连接固定在基座（1）上，空心预紧框底部的一对限位柱（45）分别对应位于一对限位槽（12）内，且限位柱（45）在限位槽（12）内实现滑动；所述转子支架（3）呈倒U形，通过螺纹连接件固定在基座（1）的长度方向上。

5.根据权利要求4所述的一种旋转压电驱动器，其特征在于：所述一对安装板上均开设有腰形孔，通过调整螺纹连接件在腰形孔中的位置，实现调整空心预紧框在基座（1）上位置。

6.根据权利要求1所述的一种旋转压电驱动器，其特征在于：所述压电片（53）的材料均为压电陶瓷PZT-4。

7.根据权利要求1所述的一种旋转压电驱动器，其特征在于：所述转子（2）、转子支架（3）、空心预紧框、振动杆（52）、第一夹紧块（54）和凸轮（6）所用材料皆为65#Mn钢，所述基座（1）的材料为铝，所述质量块（51）的材料为铜。

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