CN112152507A - 一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，采用由一对压电叠堆、三角形柔性铰链机构和预紧力调节装置；利用三角形柔性铰链机构放大压电叠堆的变形；通过改变预紧力调节装置的位置在推动足与输出圆管之间施加不同的预紧力；在锯齿波电压的激励下，可实现压电旋转马达的双向运动。本发明采用水平线对称结构布局，结构紧凑，不仅可实现大步进角度的双向旋转运动同时可实现微小步进角度的双向运动，可调步进角度范围大。
Description
技术领域
本发明涉及驱动器领域，具体是一种应用一对压电叠堆、三角形柔性铰链机构和预紧力调节装置的配合实现可变步进角度的冲击式压电旋转马达。
背景技术
压电马达具有结构紧凑、体积小、重量轻、响应速度快、优良的力(力矩)和输出保持能力等优点，在微纳米驱动领域具有重要的应用。目前，压电马达按照运动输出形式可实现直线、旋转或多自由度运动，根据其驱动原理一般分为直接驱动式、尺蠖式、冲击式和超声波式。
直接驱动式压电马达通常将压电元件与柔性铰链结合，通过柔性铰链放大压电元件的自身的位移；尺蠖式压电马达通常利用两个箝位机构和一个伸缩机构的配合运动，实现步进位移运动；冲击式压电马达利用压电元件在锯齿波的激励下产生的周期性不对称运动实现步进位移运动。直接驱动式压电马达需要合理设计位移放大机构，结构尺寸往往较大；尺蠖式压电马达需要箝位机构与伸缩机构的配合运动，电路控制较为困难；传统的冲击式压电马达依靠改变锯齿波电压的占空比、驱动电压的幅值等改变步进位移，在一定的驱动频率下，可调整的步进位移范围较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，理论上运动行程无限，在单一驱动频率下，不仅可以实现大步进角度的运动，即实现压电旋转马达的快速运动，而且可实现微小步进角度的精密运动，大大拓宽了冲击式压电旋转马达的运动速度范围，满足不同的运动输出需要。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，包括压电叠堆1、三角形柔性铰链机构2，所述的压电叠堆1一端连接有预紧螺栓7，另一端粘结有三角形柔性铰链机构2，所述的三角形柔性铰链机构2通过螺栓6与基板12相连；所述基板12上通过紧固螺栓9连接有输出圆管底座8，所述的输出圆管底座8上粘结有轴承4；所述的输出圆管底座8通过轴承4与输出圆管3相连；靠近输出圆管3的预紧力调节装置上均开设有椭圆型孔，端部设置有一十字形的支架，支架一末端为半圆形，与输出圆管3线接触，通过改变预紧力调节装置上的调节螺栓11的位置，调节三角形柔性铰链机构2与输出圆管3之间的预紧力。
进一步，所述的三角形柔性铰链机构2为台阶状，设置有台阶状的矩形框架2-1,以及矩形框架2-1内的一对三角形板和一对推动足，一对三角形板包括三角形板A2-2、三角形板B2-5，一对推动足包括推动足A2-3、推动足B2-6，并且三角形板A2-2、三角形板B2-5和推动足A2-3、推动足B2-6关于水平线相互对称；压电叠堆1包括并排设置的压电叠堆A1-1和压电叠堆B1-2，所述的三角形板A2-2的直角端和一锐角端分别加工有柔性铰链，该锐角端连接有矩形框架2-1，直角端与压电叠堆A1-1粘结，三角形板A2-2另一锐角端连接有推动足2-3；所述的三角形板B2-5的直角端和一锐角端分别加工有柔性铰链，该锐角端连接有矩形框架2-1，直角端与压电叠堆B1-2粘结，三角形板B2-5另一锐角端连接有推动足B2-6。
进一步，预紧力调节装置包括并排设置的预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10，三角形柔性铰链机构2的推动足A2-3对应预紧力调节装置B10，三角形柔性铰链机构2的推动足B2-6对应预紧力调节装置A5，通过分别改变预紧力调节装置B10和预紧力调节装置A5的位置，从而分别在推动足A2-3和推动足B2-6与输出圆管3之间施加不同的预紧力。
进一步，与推动足A2-3连接的三角形板A2-2处的锐角角度要远小于与矩形框架2-1连接端的锐角角度，且与推动足B2-6连接的三角形板B2-5处的锐角角度要远小于与矩形框架2-1连接端的锐角角度，根据结构尺寸需要，推荐推动足A2-3连接的三角形板A2-2处的锐角角度和推动足B2-6连接的三角形板B2-5处的锐角角度可为20～30度，因此能分别放大压电叠堆A1-1和B1-2的变形，并分别带动推动足A2-3和推动足B2-6推动输出圆管3实现旋转运动。
进一步，所述预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10具有弹性，通过改变预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10的位置，分别在推动足A2-3与输出圆管3及推动足B2-6与输出圆管3之间提供合适的预紧力，
进一步，预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10的材料为弹簧钢。
进一步，单独向一组压电叠堆A1-1施加占空比为100％的锯齿波电压信号，调整预紧力调节装置使得三角形柔性铰链机构2与输出圆管3之间具有预紧力，保障在电压快速上升时，压电叠堆A1-1的伸长变形能够推动连接的三角形板A2-2运动，并能够放大位移量，使得推动足A2-3顺时针推动输出圆管3实现输出圆管3的顺时针旋转运动；在电压快速下降时，压电叠堆A1-1和三角形板A2-2、推动足A2-3回到初始位置，而输出圆管3保持不动，从而在一个工作周期后产生一个顺时针的步进角度；改变压电叠堆A1-1的驱动电压的占空比能实现压电旋转马达的反向运动；
同理，单独向另一组压电叠堆B1-2施加占空比为0％的锯齿波，可使得在一个工作周期后产生顺时针的步进角度；因此，若两组压电叠堆A1-1和B1-2同时分别施加占空比为100％和0％或者0％和100％的驱动电压，可以实现顺时针或逆时针的大幅度步进角度的运动，若两组压电叠堆A1-1和B1-2同时分别施加占空比为100％和100％或者0％和0％的驱动电压，通过调整两者电压之间的关系，可实现顺时针或逆时针的微小步进角度的运动。
本发明中，通过两组压电叠堆的配合运动或一组压电叠堆的运动可实现不同步进角度的旋转运动，每组压电叠堆有对应的预紧力调节装置，并通过三角形板和柔性铰链放大压电叠堆自身的位移，从而实现输出圆管的大幅度步进角度的旋转运动或微小步进角度的精密旋转运动。
与已有技术相比本发明的优点在于：
本发明采用压电叠堆为驱动元件，可以有效降低驱动电压，利用柔性铰链放大机构可以放大压电叠堆的驱动位移，整体采用水平轴对称方式，结构简单、紧凑，可以适用于微型化。在不改变驱动频率的条件下，只通过改变两组压电叠堆的激励电压的幅值或者改变锯齿波的占空比(只考虑100％和0％)即可调整旋转运动的步进角度，相比单一压电元件驱动的压电旋转马达，可以有效提高压电旋转马达的运动速度并实现微纳米级别的定位精度。
附图说明
图1为本发明结构的轴测示意图。
图2为本发明去除基板的俯视图。
图3为本发明的一组压电叠堆在一个工作周期内的简化的运动原理。
具体实施方式
图1－图3所示，一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，包括压电叠堆1、三角形柔性铰链机构2，所述的压电叠堆1一端连接有预紧螺栓7，另一端粘结有三角形柔性铰链机构2，所述的三角形柔性铰链机构2通过螺栓6与基板12相连；所述的输出圆管底座8一端粘结有轴承4，另一端通过紧固螺栓9与基板12连接；所述的输出圆管3通过轴承4与输出圆管底座8相连；所述的预紧力调节装置5和10开设有椭圆型孔，端部设置有一十字形的支架，支架一末端为半圆形，与输出圆管3线接触，通过改变调节螺栓11的位置，调节三角形柔性铰链机构2与输出圆管3之间的预紧力；
所述的三角形柔性铰链机构2为台阶状，设置有台阶状的矩形框架2-1,以及矩形框架2-1内的一对三角形板和一对推动足，一对三角形板包括三角形板A2-2、三角形板B2-5，一对推动足包括推动足A2-3、推动足B2-6，并且三角形板A2-2、三角形板B2-5和推动足A2-3、推动足B2-6关于水平线相互对称；压电叠堆1包括并排设置的压电叠堆A1-1和压电叠堆B1-2，所述的三角形板A2-2的直角端和一锐角端分别加工有柔性铰链，直角端与压电叠堆A1-1粘结、该锐角端连接有矩形框架2-1，三角形板A2-2的另一末端连接有推动足A2-3；所述的三角形板B2-5的直角端和一锐角端分别加工有柔性铰链，直角端与压电叠堆B1-2粘结、该锐角端连接有矩形框架2-1，三角形板B2-5的另一末端连接有推动足B2-6。
所述预紧力调节装置包括并排设置的预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10，三角形柔性铰链机构2的推动足A2-3对应预紧力调节装置B10，三角形柔性铰链机构2的推动足B2-6对应预紧力调节装置A5，通过分别改变预紧力调节装置B10和预紧力调节装置A5的位置，从而分别在推动足A2-3和推动足B2-6与输出圆管3之间施加不同的预紧力。与推动足A2-3连接的三角形板A2-2处的锐角角度要远小于与矩形框架2-1连接端的锐角角度，且与推动足B2-6连接的三角形板B2-5处的锐角角度要远小于与矩形框架2-1连接端的锐角角度，根据结构尺寸需要，推荐推动足A2-3连接的三角形板A2-2处的锐角角度和推动足B2-6连接的三角形板B2-5处的锐角角度可为20～30度，因此能分别放大压电叠堆A1-1和B1-2的变形，并分别带动推动足A2-3和推动足B2-6推动输出圆管3实现旋转运动。
所述预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10具有弹性，通过改变预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10的位置，分别在推动足A2-3与输出圆管3及推动足B2-6与输出圆管3之间提供合适的预紧力，预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10的材料为弹簧钢。
本发明的目的是提供一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，只通过改变两组压电叠堆的激励电压的幅值或者改变锯齿波的占空比(只考虑100％和0％)即可调整旋转运动的步进角度，以解决现有技术需要通过调整电压幅值、占空比和驱动频率实现步进角度可调、结构复杂的问题。
具体实施例：
本实施例中，压电叠堆A1-1在图3所示的驱动电压驱动下伸缩变形，带动推动足2-3推动输出圆管3实现顺时针旋转运动，由于整个装置关于水平线对称，因此，压电叠堆B1-2在图3所示的驱动电压下伸缩变形，可带动推动足B2-6推动输出圆管3实现逆时针运动。
当未安装预紧力调节装置A5和预紧力调节装置B10时，推动足A2-3和推动足B2-6与输出圆管3之间有少量的间隙，从而保障两组压电叠堆A1-1和压电叠堆B1-2的运动相互独立，从而使得当只有一组压电叠堆A1-1运动时，另一组压电叠堆B1-2不会接触输出圆管3，从而能降低磨损。所述的输出圆管3通过轴承4与输出圆管底座8相连，不仅起到导向作用，同时减小运动过程中的摩擦阻力。
如图3所示，当只有压电叠堆A1-1工作时，初始时，通过设定推动足A2-3与输出圆管3之间的预紧力大小，利用调节螺栓11固定预紧力调节装置B10的位置，预紧力调节装置A5未安装。
一个工作循环包含以下分解过程：
1)压电叠堆A1-1在缓慢上升的锯齿波电压的激励下缓慢伸长，带动柔性铰链发生变形，利用三角形板A2-2的结构放大推动足A2-3末端的变形，驱动电压上升速率要保证推动足A2-3驱动输出圆管3同步运动所需的驱动力小于其间的最大静摩擦力从而使得推动足A2-3同步带动输出圆管3顺时针旋转一角度α；
2)压电叠堆A1-1在快速下降的锯齿波电压的激励下，快速收缩回到初始位置，并带动三角形板A2-2和推动足A2-3回到初始变形位置，然而输出圆管3却基本保持不变，从而产生步进顺时针旋转角度α。
同理，当只有压电叠堆B1-2工作时，初始时，通过设定推动足B2-6与输出圆管3之间的预紧力大小，利用调节螺栓11固定预紧力调节装置A5的位置，预紧力调节装置B10未安装。在图3所示的占空比为100％的相同的锯齿波电压激励下，实现步进逆时针旋转角度α。
因此，通过合理调节预紧力装置B10和调节预紧力装置A5的位置，当压电叠堆A1-1施加占空比为100％的锯齿波电压且压电叠堆B1-2同时施加0％的锯齿波电压时，输出圆管3能实现大步进角度的顺时针旋转运动，而当压电叠堆A1-1施加占空比为0％的锯齿波电压且压电叠堆B1-2同时施加100％的锯齿波电压时，输出圆管3能实现大步进角度的逆时针旋转运动，从而实现压电旋转马达的快速运动。
通过合理调节预紧力调节装置B10和预紧力调节装置A5的位置，当压电叠堆A1-1施加占空比为100％的锯齿波电压且压电叠堆B1-2同时施加100％的锯齿波电压时，或压电叠堆A1-1施加占空比为0％的锯齿波电压且压电叠堆B1-2同时施加0％的锯齿波电压时，输出圆管3能实现微小步进角度的运动，从而实现压电旋转马达的精密运动。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，其特征在于：包括压电叠堆(1)、三角形柔性铰链机构(2)，所述的压电叠堆(1)一端连接有预紧螺栓(7)，另一端粘结有三角形柔性铰链机构(2)，所述的三角形柔性铰链机构(2)通过螺栓(6)与基板(12)相连；所述基板(12)上通过紧固螺栓(9)连接有输出圆管底座(8)，所述的输出圆管底座(8)上粘结有轴承(4)；所述的输出圆管底座(8)通过轴承(4)与输出圆管(3)相连；靠近输出圆管(3)的预紧力调节装置上均开设有椭圆型孔，预紧力调节装置的端部设置有一十字形的支架，支架一末端为半圆形，与输出圆管(3)线接触，通过改变预紧力调节装置上的调节螺栓(11)的位置，调节三角形柔性铰链机构(2)与输出圆管(3)之间的预紧力。
2.根据权利要求1所述的一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，其特征在于：所述的三角形柔性铰链机构(2)为台阶状，设置有台阶状的矩形框架(2-1),以及矩形框架(2-1)内的一对三角形板和一对推动足，一对三角形板包括三角形板A(2-2)、三角形板B(2-5)，一对推动足包括推动足A(2-3)、推动足B(2-6)，并且三角形板A(2-2)、三角形板B(2-5)和推动足A(2-3)、推动足B(2-6)关于水平线相互对称；压电叠堆(1)包括并排设置的压电叠堆A(1-1)和压电叠堆B(1-2)，所述的三角形板A(2-2)的直角端和一锐角端分别加工有柔性铰链，该锐角端连接有矩形框架(2-1)，直角端与压电叠堆A(1-1)粘结，三角形板A(2-2)另一锐角端连接有推动足A(2-3)；所述的三角形板B(2-5)的直角端和一锐角端分别加工有柔性铰链，该锐角端连接有矩形框架(2-1)，直角端与压电叠堆B(1-2)粘结，三角形板B(2-5)另一锐角端连接有推动足B(2-6)。
3.根据权利要求2所述的一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，其特征在于：预紧力调节装置包括并排设置的预紧力调节装置A(5)和预紧力调节装置B(10)，三角形柔性铰链机构(2)的推动足A(2-3)对应预紧力调节装置B(10)，三角形柔性铰链机构(2)的推动足B(2-6)对应预紧力调节装置A(5)，通过分别改变预紧力调节装置B(10)和预紧力调节装置A(5)的位置，从而分别在推动足A(2-3)和推动足B(2-6)与输出圆管(3)之间施加不同的预紧力。
4.根据权利要求3所述的一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，其特征在于：与推动足A(2-3)连接的三角形板A(2-2)处的锐角角度要远小于与矩形框架(2-1)连接端的锐角角度，且与推动足B(2-6)连接的三角形板B(2-5)处的锐角角度要远小于与矩形框架(2-1)连接端的锐角角度，因此能分别放大压电叠堆A(1-1)和B(1-2)的变形，并分别带动推动足A(2-3)和推动足B(2-6)推动输出圆管(3)实现旋转运动。
5.根据权利要求3所述的一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，其特征在于：所述预紧力调节装置A(5)和预紧力调节装置B(10)具有弹性，通过改变预紧力调节装置A(5)和预紧力调节装置B(10)的位置，分别在推动足A(2-3)与输出圆管(3)及推动足B(2-6)与输出圆管(3)之间提供合适的预紧力。
6.根据权利要求5所述的一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，其特征在于：预紧力调节装置A(5)和预紧力调节装置B(10)的材料为弹簧钢。
7.根据权利要求2所述的一种可变步进角度的冲击式压电旋转马达，其特征在于：单独向一组压电叠堆A(1-1)施加占空比为100％的锯齿波电压信号，调整预紧力调节装置使得三角形柔性铰链机构(2)与输出圆管(3)之间具有预紧力，保障在电压快速上升时，压电叠堆A(1-1)的伸长变形能够推动连接的三角形板A(2-2)运动，并能够放大位移量，使得推动足A(2-3)顺时针推动输出圆管(3)实现输出圆管(3)的顺时针旋转运动；在电压快速下降时，压电叠堆A(1-1)和三角形板A(2-2)、推动足A(2-3)回到初始位置，而输出圆管(3)保持不动，从而在一个工作周期后产生一个顺时针的步进角度；改变压电叠堆A(1-1)的驱动电压的占空比能实现压电旋转马达的反向运动；
同理，单独向另一组压电叠堆B(1-2)施加占空比为0％的锯齿波，可使得在一个工作周期后产生顺时针的步进角度；因此，若两组压电叠堆A(1-1)和压电叠堆B(1-2)同时分别施加占空比为100％和0％或者0％和100％的驱动电压，可以实现顺时针或逆时针的大幅度步进角度的运动，若两组压电叠堆A(1-1)和压电叠堆B(1-2)同时分别施加占空比为100％和100％或者0％和0％的驱动电压，通过调整两者电压之间的关系，可实现顺时针或逆时针的微小步进角度的运动。
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2020
- 2020-08-25 CN CN202010864043.XA patent/CN112152507B/zh active Active
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