CN110792746B - 一种压电驱动装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电驱动装置及设备。其中，压电驱动装置包括：液体回路单元、压电致动单元、阀单元及输出单元；液体回路单元，用于形成液体回路，液体回路单元包括连通的回路通道和腔室；其中，腔室内容置压电致动单元；且腔室包括进口和出口；压电致动单元，用于基于逆压电效应发生体积改变；阀单元设置在进口和/或所述出口处，使得随着体积改变驱动液体产生预设的动能；输出单元位于液体回路单元上，用于输出动能。采用本发明的技术方案，通过将压电驱动单元设置在液压腔室内，提高了驱动装置的频率和驱动力。
Description
技术领域
本发明涉及压电驱动技术领域，具体涉及一种压电驱动装置及设备。
背景技术
近些年，压电驱动作为驱动技术领域的新发展，因其具有反应快、精度高和抗干扰、结构简单等优点，因此得到人们的广泛关注。
如图12所示，在现有的一个压电驱动装置的实施例中，将压电部22设置在一弹片L上，当压电部22’没有通电压不发生形变，弹片L’不发生形变；而当压电部22通电发生扩张形变时，驱动弹片L发生形变进而实现液体的驱动。现有的压电驱动装置的缺陷在于，在能量传递转换的过程中，往往存在一定的能耗损失，使得产生的动能无法完全被利用且频率低；另外由于弹片在往复运动过程中容易发生损坏，因此造成驱动装置的可靠性低；再者，受弹片形变的限制，因此往往压电驱动力都较小，因此限制了压电驱动装置的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种压电驱动装置及设备。
本发明提供一种压电驱动装置，所述压电驱动装置包括：液体回路单元、压电致动单元、阀单元及输出单元；
所述液体回路单元，用于形成液体回路，所述液体回路单元包括连通的回路通道和腔室；其中，
所述腔室内容置所述压电致动单元；且所述腔室包括进口和出口；
所述压电致动单元，用于基于逆压电效应发生体积改变；
所述阀单元设置在所述进口和/或所述出口处，使得随着所述体积改变驱动所述液体产生预设的动能；
所述输出单元位于所述液体回路单元上，用于输出所述动能。
进一步，所述阀单元包括单向阀单元，以限定所述液体产生预设方向的动能。
进一步，所述输出单元为多个，分别位于与所述腔室的所述进口和所述出口连通的所述回路通道上，用于分别输出反向的所述动能。
进一步，所述压电制动单元包括压电部和控制电路。
进一步，所述压电制动单元还包括：限位部；
所述限位部设置在所述压电部的预设限位方向上，用于限制所述压电致动单元沿所述预设的限位方向的形变。
进一步，所述限位部为至少沿所述限位方向固定设置的刚性框架，所述限位部与所述压电部通过弹性结构或弹性材料固定连接。
进一步，所述单向阀单元包括进口阀和出口阀；所述进口阀设置在所述进口处，所述出口阀设置在所述出口处；或
所述单向阀单元包括进口阀；所述进口阀设置在所述进口处；或
所述单向阀单元包括出口阀；所述出口阀设置在所述出口处。
进一步，所述阀单元还包括压力阀单元和/或流量阀单元。
进一步，所述压电部包括单个压电片、压电块、同极性压电片的层叠结构和/或相反极性压电片的层叠结构。
进一步，所述输出单元为叶轮结构、齿轮结构和/或柱塞结构。
进一步，所述液体回路单元为密封的液体回路单元。
进一步，所述输出单元位于所述回路通道上。
本发明提供一种设备，所述设备包括上面任一项所述的压电驱动装置。
通过采用本压电驱动装置，通过将压电驱动单元设置在液压腔室内，将压电致动单元发生的形变直接作用在液体上，减少了能量传递过程中的损耗，提高了能量传递过程中的利用率，因此提高了驱动装置的频率和驱动力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例和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它的附图。
图1为本发明实施例提供的压电驱动装置的第一整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的压电驱动装置的第二整体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的压电驱动装置的第三整体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的压电驱动装置的第四整体结构示意图；
图5为本发明实施例提供的压电驱动装置的第五整体结构示意图；
图6为本发明实施例提供的压电驱动装置的第六整体结构示意图；
图7为本发明实施例提供的单向阀单元的工作原理结构示意图；
图8A为本发明实施例提供的单向阀单元的第一结构示意图；图8B为本发明实施例提供的单向阀单元的第二结构示意图；图8C为本发明实施例提供的单向阀单元的第三结构示意图；
图9A为本发明实施例提供的压电部的第一结构示意图；图9B为本发明实施例提供的压电部的第二结构示意图；图9C为本发明实施例提供的压电部的第三结构示意图；图9D为本发明实施例提供的压电部的第四结构示意图；
图10为本发明实施例提供的压电部的第五结构示意图。
图11A为本发明图8实施例提供的压电部的A-A剖面的局部放大第一示意图；图11B为本发明图9实施例提供的压电部的A-A剖面的局部放大第二示意图；
图12为本发明实施例提供的现有压电驱动装置的局部结构示意图。
附图符号说明：10压电驱动装置、11液体回路、12压电致动单元、13 单向阀单元、14输出单元、111回路通道、121压电部、122限位部、123粘胶、112腔室、1121进口、1122出口、F预设方向、X宽度方向、Y高度方向、 Z厚度方向。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明方案，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单元分的实施例，而不是全单元的实施例。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它实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1-6所示，本发明实施例提供一种压电驱动装置10。具体的，该压电驱动装置可以用于实现旋转驱动，也可以用于实现线性驱动。
该压电驱动装置10包括：液体回路单元11、压电致动单元12、阀单元 13及输出单元14。
液体回路单元11，用于形成液体回路，液体回路单元11包括连通的回路通道111和腔室112。
具体的，液体回路可以为能形成液体回路的任意结构形式，比如：形成密封腔回路(如图1-5所示)、或者形成非密封腔回路(如图6所示)。优选形成密封腔的密封液体回路。
具体的，该液体回路可以为一个液体回路(如图1-6所示)，也可以为多个液体回路(省略附图)。
该液体可以为各种类型的液体，比如：油、水等等。
其中，腔室112内容置压电致动单元12；且腔室112包括进口1121和出口1122，进口1121和出口1122分别与回路通道111的出口和进口联通。
具体的，将压电致动单元容置在腔室内，通过压电制动单元体积的变化驱动液体产生动能，则腔室内除了液体，还包括压电致动单元，这样可以将压电致动单元发生的形变直接作用在液体上，减少了能量传递过程中的损耗，提高了能量传递过程中的利用率。
根据上面实施例所述，液体回路可以为一个或者多个，因此腔室可以为一个或者多个，回路通道可以为一个或者多个，对应的腔室和回路通道的进口和出口可以为一个或者多个。如图1-6所示，为方便理解，本具体实施例以一个腔室、一个回路通道、一个腔室和回路通道的进口和出口为例进一步详细说明。
压电致动单元12，用于基于逆压电效应改变体积；该压电致动单元12包括压电部121和该压电部的控制电路(附图中省略)。
具体的，压电部121可以根据需要设计为任意的形状，为方便理解，本具体实施例以矩形压电部为例进一步详细说明。
具体的，该压电部的材料可以但不限于是:压电单晶，如：PMNT、稀土杂化PMNT；织构化压电陶瓷，如：织构化PMNT；压电陶瓷，如：PZT、PMNT、稀土杂化PMNT，及其它现在已有或将来发开的各种压电材料。
其中，压电材料具有压电效应，压电材料因受力形变而产生的电的效应，称为正压电效应。压电材料因加电压而产生形变的效应，称为逆压电效应。在本驱动装置中利用的是逆压电效应，当给压电部一个电压时，压电部体积增大，当撤掉电压或者给相反方向电压，压电部体积复原或缩小，从而可以利用压电部的体积变化进而驱动液体，从而把电能转化为动能。
压电部121可以采用现在已有或将来开发的任何结构形式。具体的，可以包括但不限于是：单个压电片121(如图8A所示)、压电块121(如图8B所示)；同极性压电片的层叠结构(如图8C所示)；和/或相反极性压电片的层叠结构。
其中，同极性压电片的层叠结构包括多个同极性的压电片121层叠构成。在一个实施例中，叠放的多个压电片可以用胶水把多个压电片进行相互粘结，可以根据工作需要来确定压电片的层数。
其中，相反极性压电片的层叠结构包括相反极性压电片121A、121B，且在相反极性的压电片121A、121B之间设置弹性金属片121C，当对相反极性的压电片121A、121B通电压时，二者产生形变的叠加(比如:一个压电片121A 沿宽度方向发生拉伸，一个压电片121B沿宽度方向发生压缩)，从而增大形变量(如图9D所示)。
为方便理解，如图1-6所示，本具体实施例以压电部为同极性压电片的层叠结构为例进一步详细说明。在一个实施例中，由于压电材料通电后，可能会发生多方向的形变，比如：沿长度方向Y发生拉伸，而沿宽度方向X和/或厚度方向Z发生压缩；在某些情况下，可能需要压电部只能向一个预设方向发生形变，因此可以在压电部121需限位方向设置限位部122,以限制压电部121 沿该预设方向发生的形变，比如:如图10所示，为了限制压电部只能沿高度方向Y发生形变，而不能沿宽度方向X和/或厚度方向Z发生形变，可以沿压电部的宽度方向X和/或厚度方向Z设置限位部122，使得无论压电部121如何在长度方向发生形变，整个压电单元沿宽度方向X和厚度方向Z不会发生形变。
如图11A或11B所示，进一步，在一个实施例中，该限位部122为至少沿限位方向固定设置(比如：固定在液压腔室111的内壁上)的刚性的限位框 122，比如：将压电部沿宽度方向X和/或厚度方向Z的外壁分别通过弹性结构 (比如：弹簧)或弹性材料(比如：粘胶123)固定连接在限位框122对应的内壁上，以粘胶为例，由于粘胶123具有一定的弹性形变性，因此可以抵消压电部121在宽度方向X和/或厚度方向Z的形变。具体的，如图11A所示，在压电部沿宽度方向X发生压缩形变时；以及如图11B所示，在压电部沿宽度方向X发生拉伸形变时，由于粘胶123具有一定的弹性形变量，因此抵消了沿宽度方向Z和/或厚度方向的形变，使得压电驱动单元12只沿长度方向Y 发生形变。
阀单元13，设置在进口1121和/或出口1122处，使得随着压电单元的体积改变，使得液体产生预设的动能。
具体的，阀单元并不一定完全对应腔室的出口和/或进口处设置，也可以位于进口和/或出口的附近某个位置。
具体的，该阀单元13包括：控制液体形成预设方向F的动能的单向阀单元；其中，单向阀单元13是指控制流体单向流动的阀单元。
具体的，该单向阀单元13可以为固定某一液流方向的单向阀单元和/或可换向的单向阀单元。
除此之外，在一个实施例中，该阀单元还可以包括：
控制液体动能预设压力的压力阀单元，比如：溢流阀和/或减压阀；和/或
控制液体预设流量的流量阀单元，比如：节流阀和/或调速阀。
如图1或2所示，在一个实施例中，单向阀单元13包括进口阀131和出口阀132；进口阀131设置在进口1221处，出口阀132设置在出口1222处；或，
如图3所示，在一个实施例中，单向阀单元、13包括进口阀131,进口阀131设置在进口1221处；或，
如图4所示，在一个实施例中，单向阀单元13包括出口阀132；出口阀 132设置在出口1222处。
继续如图1或2所示，优选单向阀单元13包括进口阀131和出口阀132，通过两个单向控制的叠加，可以增大液体产生的动能。
具体的，该单向阀单元可以包括但不限于：如图8A所示，特斯拉阀(Tesla Vale)，即通过阀门的结构设计使得单向阀中进口流出比出口流出液体少，实现液体从出口流出，进口流入比出口流入液体多，从而最终实现液体从进口流入， Nozzle-diffuser阀(如图8B所示)，senlin阀(如图8C所示)，上述各个阀门的工作是基于压电部形变驱动液体产生动能后实现的液流单向控制，因此阀门和压电部之间的工作频率协调一致，从而提高了驱动装置控制的精确度；和/ 或某些只能通过单向液流，而反向被截止的阀门，以及其它现在已有或将来开发的各种单向阀。
输出单元14，位于液体回路单元上，用于将液压动能转换成驱动力或将直接将液体动能传递给外部待驱动部件(附图中省略)。
在一个优选实施例中，输出单元14位于回路通道111上。
具体的，输出单元可以包括但不限于是：齿轮结构、叶轮结构和/或柱塞结构、以及其它现在已有或将来开发的各种液压输出单元。
其中，齿轮结构和叶轮结构用于将上述液压动能转换成旋转驱动力；柱塞结构，用将上述液压动能转换成线性驱动力。
以叶轮结构为例，液流由叶轮入口进入由出口流出，液流产生的动能推动叶轮转动，从而将液压动能转换为旋转驱动力。
继续如图1-6所示，当压电片发生体积增大形变时，通过单向阀单元，实现液体只能从腔室的出口1122流出，形成预设方向F的动能；当压电致动单元体积复原或缩小时，通过单向阀单元，实现液体只能从进口1121流入腔室，则仍然形成预设方向F的动能。
具体的，输出单元14可以为一个(如图2或4所示)或者多个(如图1、 3、5或6所示)，在一个优选实施例中，该输出单元14为多个，别位于与腔室112的进口1121和出口1122连通的回路通道111上，由于这两处的动能方向相反，因此可以分别输出反向的动能。通过同一个驱动装置实现双向驱动，减少了压电的液压驱动过程中产生的动能的损耗，提高了动能的利用率。
通过采用本压电驱动装置，将压电致动单元容置在腔室内，将压电致动单元发生的形变直接作用在液体上，减少了能量传递过程中的损耗，提高了能量传递过程中的利用率，从而提高了压电驱动装置的频率和液压驱动力。
另外，由于减少了动能的传递结构，可以提高驱动装置可靠性。
本发明实施例还提供一种设备(省略附图)，该设备包括至少一个上面任一项所述的压电致动装置。
在一些优选实施例中，该设备可以为自动化设备或半自动化设备。
需要说明的是，所述自动化或半自动化设备可以为应用于各个领域，比如：工业、教育、护理、；娱乐或医疗等等。
在一些优选实施例中，机器人(比如：四轴或六轴机械手、人形机器人) 可以看做是高级的自动化设备。
有关压电致动装置的相关描述参见上面的实施例，在此不再重复赘述。
当元件被表述“设置在”、“容置于”另一个元件上，它可以固定于另一个元件上，或者相对另一个元件可活动的连接。当一个元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书使用的术语“纵向”、“横向”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的属于只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。
本文术语中“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如：A和/或B,可以表示单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明的权利要求书和说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等等(如果存在)是用来区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如：包括了一系列结构或模块等的产品或设备不必限于清楚地列出的那些结构或模块，而是包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它结构或模块。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
需要说明的是，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的结构和模块并不一定是本发明所必须的。
以上对本发明实施例所提供的压电驱动装置及设备进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，不应理解为对本发明的限制。本技术领域的技术人员，依据本发明的思想，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种压电驱动装置，其特征在于，所述压电驱动装置包括：液体回路单元、压电致动单元、阀单元及输出单元；
所述液体回路单元，用于形成液体回路，所述液体回路单元包括连通的回路通道和腔室；其中，
所述腔室内容置所述压电致动单元，以将所述压电致动单元发生的形变直接作用在位于所述腔室内的所述液体上；且所述腔室包括进口和出口；
所述压电致动单元，用于基于逆压电效应发生体积改变；
所述阀单元设置在所述进口和/或所述出口处，使得随着所述体积改变驱动所述液体产生预设的动能；
所述输出单元位于所述液体回路单元上，用于输出所述动能；
所述压电致动单元还包括：限位部；
所述限位部设置在压电部的预设限位方向上，用于限制所述压电致动单元沿所述预设的限位方向的形变；
所述限位部为至少沿所述限位方向固定设置的刚性的限位框，将所述压电部沿宽度方向和/或厚度方向的外壁分别通过弹性结构固定连接在所述限位框对应的内壁上。
2.根据权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，所述阀单元包括单向阀单元，以限定所述液体产生预设方向的动能。
3.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置，其特征在于，所述输出单元为多个，分别位于与所述腔室的所述进口和所述出口连通的所述回路通道上，用于分别输出反向的所述动能。
4.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置，其特征在于，所述压电致动单元包括压电部和控制电路。
5.根据权利要求2所述的压电驱动装置，其特征在于，所述单向阀单元包括进口阀和出口阀；所述进口阀设置在所述进口处，所述出口阀设置在所述出口处；或
所述单向阀单元包括进口阀；所述进口阀设置在所述进口处；或
所述单向阀单元包括出口阀；所述出口阀设置在所述出口处。
6.根据权利要求2所述的压电驱动装置，其特征在于，所述阀单元还包括压力阀单元和/或流量阀单元。
7.根据权利要求4所述的压电驱动装置，其特征在于，所述压电部包括单个压电片、压电块、同极性压电片的层叠结构和/或相反极性压电片的层叠结构。
8.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置，其特征在于，所述输出单元为叶轮结构、齿轮结构和/或柱塞结构。
9.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置，其特征在于，所述液体回路单元为密封的液体回路单元。
10.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置，其特征在于，所述输出单元位于所述回路通道上。
11.一种自动或半自动化设备，其特征在于，所述设备包括权利要求1-10任一项所述的压电驱动装置。
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