CN113014139A - 一种基于多级柔性放大的压电微电机及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级柔性放大的压电微电机及其驱动方法，属于电机技术领域，具体的上盖、转子、膨胀机构、旋转柔性铰链、螺纹轴和底座按从上到下的顺序叠层设计，螺纹轴的下端通过轴承B与底座连接，旋转柔性铰链与壳体相固定，外壳的上部固定有上盖，外壳的下部固定有底座；所述转子内部中空且外部阶梯状，转子上端通过轴承与上盖连接，转子下端与膨胀机构存在一定的间隙；所述旋转柔性铰链带动膨胀机构旋转，膨胀机构带动转子旋转。其有益效果为：通过压电叠堆的伸长变形而使驱动臂抱紧转子并伴随产生旋转角度，在连续驱动信号下输出旋转运动；通过改变输入信号提供的多种工作模式增加了该旋转微电机的工作范围，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于多级柔性放大的压电微电机及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种旋转微电机，尤其涉及一种基于多级柔性放大的压电微电机及其驱动方法。

背景技术

精密驱动技术已经在微型机器人、航空航天、医疗器械以及精密定位等领域发挥重要作用，其中旋转驱动器则是一种广泛被应用的精密驱动装置。压电材料作为一种智能材料，因具有体积小、响应速度快、无电磁干扰等优点而受到关注和应用。压电作为驱动材料主要用于微型机器人、精密定位和旋转微电机，目前基于多级柔性放大的压电微电机相对较少。

公开号为CN108964514的中国发明专利公开了一种压电与形状记忆合金驱动的旋转微电机以及其驱动方法，其包括四层结构，存在结构层级多、部件多，结构不够紧凑导致其应用范围受限，无法作为适用于狭小空间的微型驱动装置使用；同时还存在驱动程序复杂，需要两种不同波形的驱动信号驱动，进一步提升了该微电机的复杂程度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多级柔性放大的压电微电机，该旋转微电机具有结构简单、运行平稳、多级放大等优点。

本发明的具体技术方案如下：

一方面，提供一种多级柔性放大的压电微电机，包括上盖、转子、轴承A、膨胀机构、壳体、旋转柔性铰链、螺纹轴、底座和轴承B，所述上盖、转子、膨胀机构、旋转柔性铰链、螺纹轴和底座按从上到下的顺序叠层设计，螺纹轴的下端通过轴承B与底座连接，旋转柔性铰链与壳体相固定，外壳的上部固定有上盖，外壳的下部固定有底座；所述转子内部中空且外部阶梯状，转子上端通过轴承与上盖连接，转子下端与膨胀机构存在一定的间隙，当膨胀机构膨胀时与其紧固；所述旋转柔性铰链带动膨胀机构旋转，膨胀机构带动转子旋转。

优选的，所述旋转柔性铰链为矩形结构，由放大机构A、放大机构B、接触块A、接触块B和旋转机构构成，放大机构A和放大机构B关于旋转机构中心点对称布置，放大机构A和放大机构B的一端分别连接旋转机构，另一端分别连接接触块A和接触块B，所述压电叠堆A和压电叠堆B沿中心对称布置于旋转柔性铰链的旋转机构左右两侧，压电叠堆A和压电叠堆B的顶端分别通过接触块A和接触块B定位，旋转机构内部设置三个螺纹孔，中间最大的螺纹孔用以和所述螺纹轴连接，其余两个螺纹孔通过螺钉和所述膨胀机构链接。

优选的，所述底座的下表面中心位置处装设有下轴承盖，所述下轴承端盖固定在底座的下表面上。

优选的，压电叠堆A和压电叠堆B的底端分别设置有预紧螺钉用于施加预紧力。

优选的，所述膨胀机构为盘型结构，由盘体、一级放大机构A、一级放大机构B、二级放大机构A、二级放大机构B、接触块C、压电叠堆C、压电叠堆D和接触块D构成，压电叠堆C和压电叠堆D中心对称布置于膨胀机构的中心孔左右两侧，压电叠堆C和压电叠堆D的顶端分别通过接触块C和接触块D定位，其底端分别固定在盘体上；一级放大机构A和一级放大机构B的底端通过柔性铰链分别与接触块C和接触块D相连，一级放大机构A和一级放大机构B的侧壁通过柔性铰链分别与盘体连接，一级放大机构A和一级放大机构B的顶端通过柔性铰链分别与膨胀臂A和膨胀臂B连接，膨胀臂A和膨胀臂B的侧壁通过柔性铰链与盘体连接。

优选的，所述膨胀臂A和膨胀臂B均为弯折结构，其与转子接触处为弧面，以增大了与转子的接触面积。

优选的，压电叠堆C和压电叠堆D的底端设置预紧螺钉用于其施加预紧力。

一种基于多级柔性放大的压电微电机的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在初始时刻t=0时，旋转柔性铰链未发生转动，膨胀机构与转子之间具有一定的间隙；

S2：在0<t<T时，旋转柔情铰链在驱动信号下发生一定转角，由于旋转柔性铰链和膨胀机构通过螺钉连接，使得膨胀机构也发生一定转角，同时膨胀机构发生膨胀形变与转子紧密接触，在膨胀结构的带动下转子发生转动，当时间t接近整周期即t=T-时，驱动电压接近U1，，转子转过了α 角度，此时膨胀机构与转子之间仍然紧密接触；

S3：当时间t刚好越过整周期即t=T+时，驱动信号恢复到0电压，旋转机构恢复初始状态，同时膨胀机构恢复初始状态并且与转子分离，经过一个周期转子转过θ角。

优选的，所述旋转柔性铰链和膨胀机构的驱动信号均为锯齿波，每个时间周期只有上升波。

本发明的有益效果为，通过压电叠堆的伸长变形而使驱动臂抱紧转子并伴随产生旋转角度，在连续驱动信号下输出旋转运动；本发明与现有技术相比，将压电微电机定子与转子的夹持与旋转相结合，并可选择采用一个或两个压电叠堆提供驱动，通过改变输入信号提供的多种工作模式增加了该旋转微电机的工作范围，故本发明使得压电旋转微电机具有更加广阔的应用前景。

附图说明

图1为基于多级柔性放大的压电微电机的爆炸图；

图2为基于多级柔性放大的压电微电机的立体图；

图3为基于多级柔性放大的压电微电机的旋转柔性铰链零件图；

图4为基于多级柔性放大的压电微电机的膨胀机构零件图；

图5为基于多级柔性放大的压电微电机的驱动信号；

图6为基于多级柔性放大的压电微电机中旋转柔性铰链的工作原理；

图7为基于多级柔性放大的压电微电机中膨胀机构的工作原理。

标识说明：1-螺钉A、2-上盖、3-转子、4-轴承A、5-壳体、6-螺钉B、7-螺钉C、8-旋转柔性铰链、9-螺纹轴、10-下轴承盖、11-螺钉D、12-底座、13-螺钉E、14-压电叠堆A、15-轴承B、16-螺钉F、17-螺钉G、18-膨胀机构、19-压电叠堆C；

8-1：放大机构A、8-2：放大机构B、8-3：旋转机构、8-4：接触块A、8-5：接触块B、14-1压电叠堆A、14-2压电叠堆B;

18-膨胀机构、18-1：一级放大机构A、18-2：二级放大机构A、18-2-1：膨胀臂A、18-3：一级放大机构B、18-4：二级放大机构B、18-4-1：膨胀臂B、18-5：接触块C、18-6：接触块D、19-1压电叠堆C、19-2压电叠堆D。

四 具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1-4所示，一种基于多级柔性放大的压电微电机，主要螺钉A1、上盖2、转子3、轴承A4、壳体5、螺钉B6、螺钉C7、旋转柔性铰链8、螺纹轴9、下轴承盖10、螺钉D11、底座12、螺钉E13、压电叠堆A14、轴承B15、螺钉F16、螺钉G17、膨胀机构18和压电叠堆B19；所述上盖2、转子3、膨胀机构18、旋转柔性铰链8、螺纹轴9和底座12按从上到下的顺序叠层设计，且在所述的底座12的下表面中心位置处装设下轴承盖10，所述轴承端盖10通过螺钉D11固定在所示底座的下表面上；

所述旋转柔性铰链8为矩形结构，主要由放大机构A8-1、放大机构B8-2、接触块A8-4、接触块B8-5和旋转机构8-3构成，且放大机构A8-1和放大机构B8-2关于旋转机构8-3中心点对称布置，旋转机构8-3内部打三个螺纹孔，中间最大的螺纹孔用以和所述螺纹轴9连接，其余两个螺纹孔通过螺钉B6用以和所述膨胀机构18连接，整体旋转柔性铰链8通过螺钉C7与壳体5相固定。

所述压电叠堆A14-1和压电叠堆B14-2沿中心对称布置于旋转柔性铰链8的旋转机构8-3左右两侧，压电叠堆A14-1和压电叠堆B14-2的顶端通过接触块A8-4和接触块B8-5定位,压电叠堆A14-1和压电叠堆B14-2的底端设置预紧螺钉F16用于对压电叠堆施加预紧力；

所述膨胀机构18为盘型结构，主要由一级放大机构A18-1、一级放大机构B18-4、二级放大机构A18-2、二级放大机构B18-4、接触块A18-5和接触块B18-6构成，且一级放大机构A18-1和一级放大机构B18-4均由驱动臂和柔性铰链构成，一级放大机构A18-1和一级放大机构B18-4通过柔性铰链分别与接触块A18-5和接触块B18-6相连，二级放大机构A18-2和二级放大机构B18-4均由膨胀臂和柔性铰链构成；所述膨胀臂为弯折结构，与转子接触处为弧面，增大了与转子的接触面积。

所述压电叠堆C19-1和压电叠堆D19-2沿中心对称布置于膨胀机构的中心孔机构左右两侧，压电叠堆C19-1和压电叠堆D19-2的顶端分别通过接触块A18-5和接触块B18-6定位,压电叠堆C19-1和压电叠堆D19-2的底端设置预紧螺钉G17用于对压电叠堆施加预紧力；

所述转子3为内部中空外部阶梯状，转子3上端通过轴承A4与上盖2连接，转子3下端与膨胀机构18存在一定的间隙，当膨胀机构18膨胀时与其紧固；通过多重嵌套的结构，将驱动、旋转以及传动装置集成在单层结构内，体积更小，旋转柔性铰链8以及膨胀机构18紧密连接且都为圆盘状，最大限度的节省了空间，起到了简化结构的效果，并且旋转柔性铰链8与膨胀机构18的驱动信号波形相同且同步，简化了驱动的电信号，在狭小空间内可以节约出至少一组驱动线路的体积，更有利于结构的微型化，更加适用于狭小空间的微型驱动。

此外，本发明还提供了一种基于多级柔性放大的压电微电机的驱动方法，应用于上述的旋转微电机，如图5至图7所示，所述驱动方法包括步骤：

工作步骤：

S1：工作运行时，四个压电叠堆均参与工作，且驱动信号均为锯齿波，每个时间周期只有上升波，压电叠堆A14-1和压电叠堆B14-2的驱动信号最大电压为U1，压电叠堆C19-1和压电叠堆D19-2的驱动信号最大电压为U2；

S2：在初始时刻t=0时，压电叠堆A14-1和压电叠堆B14-2处于原长，旋转机构8-3未发生转动，压电叠堆C19-1和压电叠堆D19-2处于原长，膨胀臂与转子3之间具有一定的间隙；

S3：在0<t<T时，压电叠堆A14-1和压电叠堆B14-2在驱动信号下发生伸长变形，变形量通过放大机构A8-1和放大机构B8-2使得旋转机构8-3沿柔性铰链发生一定转角，由于旋转柔性铰链8和膨胀机构18通过螺钉B6连接，使得膨胀机构18也发生一定转角，同时由于压电叠堆C19-1和压电叠堆D19-2在驱动信号下发生伸长变形，通过放大机构使得膨胀臂发生一定的偏移，使得膨胀臂A18-2-1和膨胀臂18-4-1B与转子3紧密接触，在膨胀臂的带动下驱动转子3发生转动，当时间t接近整周期即t=T-时，驱动电压接近U1，压电叠堆A14-1（或压电叠堆B14-2）的变形量为dc，转子3转过了α 角度，此时膨胀臂与转子3之间仍然紧密接触；

S4：当时间t刚好越过整周期即t=T+时，驱动信号恢复到0电压，压电叠堆A14-1和压电叠堆B14-2恢复原长，旋转机构恢复初始状态，同时压电叠堆C19-1和压电叠堆D19-2恢复原长，膨胀臂恢复初始状态并且与转子分离，经过一个周期转子已经转过了θ角。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种基于多级柔性放大的压电微电机，包括上盖、转子、壳体、螺纹轴、底座和轴承B，所述上盖、转子、螺纹轴和底座按从上到下的顺序叠层设计，螺纹轴的下端通过轴承B与底座连接，外壳的上部固定有上盖，外壳的下部固定有底座；其特征在于，还包括轴承A、膨胀机构、旋转柔性铰链，旋转柔性铰链与壳体的内壁相固定，所述转子内部中空且外部呈阶梯状，转子上端通过轴承与上盖连接，转子下端与膨胀机构存在一定的间隙；所述旋转柔性铰链带动膨胀机构旋转，同时膨胀机构与转子内壁紧固，膨胀机构带动转子旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于多级柔性放大的压电微电机，其特征在于，所述旋转柔性铰链为矩形结构，由放大机构A、放大机构B、接触块A、接触块B和旋转机构构成，放大机构A和放大机构B关于旋转机构中心点对称布置，放大机构A和放大机构B的一端分别连接旋转机构，另一端分别连接接触块A和接触块B，所述压电叠堆A和压电叠堆B沿中心对称布置于旋转柔性铰链的旋转机构左右两侧，压电叠堆A和压电叠堆B的顶端分别通过接触块A和接触块B定位，旋转机构内部设置三个螺纹孔，中间最大的螺纹孔用以和所述螺纹轴连接，其余两个螺纹孔通过螺钉和所述膨胀机构链接。

3.根据权利要求1所述的一种基于多级柔性放大的压电微电机，其特征在于，所述底座的下表面中心位置处装设有下轴承盖，所述下轴承端盖固定在底座的下表面上。

4.根据权利要求2所述的一种基于多级柔性放大的压电微电机，其特征在于，压电叠堆A和压电叠堆B的底端分别设置有预紧螺钉用于施加预紧力。

5.根据权利要求1所述的一种基于多级柔性放大的压电微电机，其特征在于，所述膨胀机构为盘型结构，由盘体、一级放大机构A、一级放大机构B、二级放大机构A、二级放大机构B、接触块C、压电叠堆C、压电叠堆D和接触块D构成，压电叠堆C和压电叠堆D中心对称布置于膨胀机构的中心孔左右两侧，压电叠堆C和压电叠堆D的顶端分别通过接触块C和接触块D定位，其底端分别固定在盘体上；一级放大机构A和一级放大机构B的底端通过柔性铰链分别与接触块C和接触块D相连，一级放大机构A和一级放大机构B的侧壁通过柔性铰链分别与盘体连接，一级放大机构A和一级放大机构B的顶端通过柔性铰链分别与膨胀臂A和膨胀臂B连接，膨胀臂A和膨胀臂B的侧壁通过柔性铰链与盘体连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于多级柔性放大的压电微电机，其特征在于，所述膨胀臂A和膨胀臂B均为弯折结构，其与转子接触处为弧面，以增大了与转子的接触面积。

7.根据权利要求5所述的一种基于多级柔性放大的压电微电机，其特征在于，压电叠堆C和压电叠堆D的底端设置预紧螺钉用于其施加预紧力。

8.一种基于多级柔性放大的压电微电机的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在初始时刻t=0时，旋转柔性铰链未发生转动，膨胀机构与转子之间具有一定的间隙；

S2：在0<t<T时，旋转柔性铰链在驱动信号下发生一定转角，由于旋转柔性铰链和膨胀机构通过螺钉连接，使得膨胀机构也发生一定转角，同时膨胀机构发生膨胀形变与转子紧密接触，在膨胀结构的带动下转子发生转动，当时间t接近整周期即t=T-时，驱动电压接近U1，转子转过了α 角度，此时膨胀机构与转子之间仍然紧密接触；

S3：当时间t刚好越过整周期即t=T+时，驱动信号恢复到0电压，旋转机构恢复初始状态，同时膨胀机构恢复初始状态并且与转子分离，经过一个周期转子转过θ角。

9.根据权利要求8所述的一种基于多级柔性放大的压电微电机的驱动方法，其特征在于，所述旋转柔性铰链和膨胀机构的驱动信号均为锯齿波，每个时间周期只有上升波。

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