CN210724601U - 一种基于压电陶瓷的精密旋转机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，包括台体主体、三角形基座和旋转体，台体主体上开设有安放槽，三角形基座的其中一个侧面固定在安放槽的侧壁上，三角形基座的尖角嵌入旋转体内，且三角形基座的另两个侧面与旋转体通过柔性铰链连接，在旋转体的左右两侧分别设有左柔性臂和右柔性臂，且左柔性臂和右柔性臂错位布置，左柔性臂的末端与左陶瓷接触块固定连接，右柔性臂的末端与右陶瓷接触块固定连接，左陶瓷接触块和右陶瓷接触块之间设有压电陶瓷，左陶瓷接触块和右陶瓷接触块和与其邻近的侧壁之间均设有空隙。本实用新型分辨率高、响应频率快、体积小，无摩擦，避免了压电陶瓷直接连接驱动结构器件，降低了压电陶瓷的损坏几率。

Description

一种基于压电陶瓷的精密旋转机构

技术领域

本实用新型属于一种精密旋转机构领域，尤其是涉及一种基于压电陶瓷的精密旋转机构。

背景技术

传统的旋转机构采用电机驱动，存在分辨率低、响应频率慢、体积大、摩擦大等问题，已经很难满足微纳米领域的精密运动要求。目前在微纳米领域的精密运动中，压电陶瓷得到了越来越多的重视。压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料。压电陶瓷能够将机械能和电能相互转换，具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，它频率稳定性好，精度高，但是应用于微纳米精密运动中存在着只能在给定电压下产生推力，在受到拉力、扭力和剪切力等外力作用时其内部结构易损坏的问题，以及目前微纳米运动领域压电陶瓷直接连接驱动结构器件增大压电陶瓷的损坏几率和直接连接驱动结构导致运动方向单一等问题。

发明内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，分辨率高、响应频率快、体积小，无摩擦，避免了压电陶瓷直接连接驱动结构器件，降低了压电陶瓷的损坏几率。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，包括台体主体、三角形基座和旋转体，所述的台体主体上开设有安放槽，所述的三角形基座的其中一个侧面固定在安放槽的侧壁上，所述的三角形基座的尖角嵌入旋转体内，且三角形基座的另两个侧面与旋转体通过柔性铰链连接，在旋转体的左右两侧分别设有倾斜设置的左柔性臂和右柔性臂，且左柔性臂和右柔性臂错位布置，所述的左柔性臂的末端与左陶瓷接触块固定连接，所述的右柔性臂的末端与右陶瓷接触块固定连接，左陶瓷接触块和右陶瓷接触块之间设有压电陶瓷，且压电陶瓷的两端分别与左陶瓷接触块和右陶瓷接触块固定连接，所述的左陶瓷接触块和右陶瓷接触块均通过一凸台与安放槽的正对三角形的尖角的侧壁固定连接，所述的左陶瓷接触块和与其邻近的安放槽的侧壁之间以及右陶瓷接触块和与其邻近的安放槽的侧壁之间均设有空隙，在旋转体上设有两个预留安装孔，通过两个预留安装孔安装负载。

进一步，所述旋转体与三角形基座连接处开设有扇形缺口，所述扇形缺口容纳三角形基座的尖角。

进一步的，与所述左陶瓷接触块连接的凸台为左凸台，与所述右陶瓷接触块连接的凸台为右凸台，所述左凸台和右凸台之间设有间隙。

进一步的，所述左柔性臂、左陶瓷接触块与左凸台和所述右柔性臂、右陶瓷接触块与右凸台均为一体成型结构。

进一步的，所述左柔性臂和右柔性臂平行设置，且左柔性臂位于右柔性臂的上方。

进一步的，所述左柔性臂和右柔性臂均为柔性薄板，且柔性薄板的厚度不大于1mm。

进一步的，两个预留安装孔分别为左预留安装孔和右预留安装孔，且两个预留安装孔关于扇形缺口的中心线对称布置。

进一步的，所述左陶瓷接触块和右陶瓷接触块的顶面均设有防干涉缺口，且每个防干涉缺口正对相应的柔性臂设置。

进一步的，所述空隙为1-2mm。

进一步的，所述台体主体为矩形板，所述安放槽为矩形槽，且矩形槽的长度为台体主体长度的2/3-3/4，所述矩形槽的宽度为台体主体宽度的1/2。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构具有以下优势：

本实用新型所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，

首先，压电陶瓷稳定性好，精度高，解决了传统电机驱动存在的分辨率低、响应频率慢等问题；

其次，避免了压电陶瓷直接连接驱动结构器件，降低了压电陶瓷的损坏几率；

除此之外，核心部分采用线切割一体化加工成型，避免了装配引入的误差；

最后，通过改变结构中左右柔性薄板的倾斜程度，可以改变整个机构的最大旋转角度，最大旋转角度可达5-10mrad。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构的立体图。

附图标记说明：

1-台体主体，2-三角形基座，3-旋转体，4-柔性铰链，5-1-左柔性臂，5-2-右柔性臂，6-1-左预留安装孔，6-2-右预留安装孔，7-1-左陶瓷接触块，7-2-右陶瓷接触块，8-压电陶瓷，9-左凸台，9-2-右凸台，10-安放槽，11-扇形缺口，12-干涉缺口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1-图2所示，一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，包括台体主体1、三角形基座2和旋转体3，所述的台体主体1上开设有安放槽10，所述的三角形基座2的其中一个侧面固定在安放槽10的侧壁上，所述的三角形基座2的尖角嵌入旋转体3内，且三角形基座2的另两个侧面与旋转体3通过柔性铰链4连接，在旋转体3的左右两侧分别设有左柔性臂5-1和右柔性臂5-2，左柔性臂5-1和右柔性臂5-2均倾斜设置，左右柔性臂的倾斜角度为5-12°，且左柔性臂5-1和右柔性臂5-2错位布置，左柔性臂5-1和右柔性臂5-2平行设置，且左柔性臂5-1位于右柔性臂5-2的上方；通过改变结构中左、右柔性薄板的倾斜程度，可以改变整个机构的最大旋转角度，旋转角度可达5-10mrad。

左柔性臂5-1和右柔性臂5-2均为柔性薄板，且柔性薄板的厚度不大于1mm。所述的左柔性臂5-1的末端与左陶瓷接触块7-1固定连接，所述的右柔性臂5-2的末端与右陶瓷接触块7-2固定连接，左陶瓷接触块7-1和右陶瓷接触块7-2之间设有压电陶瓷8，且压电陶瓷8的两端分别与左陶瓷接触块7-1和右陶瓷接触块7-2固定连接，压电陶瓷8可以是堆叠压电陶瓷，所述的左陶瓷接触块7-1和右陶瓷接触块7-2均通过一凸台与安放槽10的正对三角形的尖角的侧壁固定连接，所述的左陶瓷接触块7-1和与其邻近的安放槽10的侧壁之间以及右陶瓷接触块7-2和与其邻近的安放槽10的侧壁之间均设有空隙，空隙为1-2mm，在旋转体3上设有两个预留安装孔，通过两个预留安装孔安装负载，进而可以实现整个机构带动负载旋转。

旋转体3与三角形基座2连接处开设有扇形缺口11，所述扇形缺口11容纳三角形基座2的尖角。

与左陶瓷接触块7-1连接的凸台为左凸台9-1，与所述右陶瓷接触块7-2连接的凸台为右凸台9-2，所述左凸台9-1和右凸台9-2之间设有间隙，适应压电陶瓷8工作时带动左柔性臂5-1和右柔性臂5-2相反的旋向。

左柔性臂5-1、左陶瓷接触块7-1与左凸台9-1和所述右柔性臂5-2、右陶瓷接触块7-2与右凸台9-2均为一体成型结构。

两个预留安装孔分别为左预留安装孔6-1和右预留安装孔6-2，且两个预留安装孔关于扇形缺口11的中心线对称布置，便于负载安装，且保证了负载在旋转体3上处于平衡状态。

左陶瓷接触块7-1和右陶瓷接触块7-2的顶面均设有防干涉缺口12，且每个防干涉缺口12正对相应的柔性臂设置，防干涉缺口12的设置，使得压电陶瓷8带动左柔性臂5-1和右柔性臂5-2工作时，左柔性臂5-1和右柔性臂5-2与各自的陶瓷接触块之间无干涉，保证精密旋转。

台体主体1为矩形板，所述安放槽10为矩形槽，且矩形槽的长度为台体主体1长度的2/3-3/4，所述矩形槽的宽度为台体主体1宽度的1/2。

本发明的精密旋转机构，它是通过机加工和线切割而成的一体化结构。所述台体主体1是整个机构的主要基座，其结构的四周后续可以根据需求打孔与其他工作平面固定连接，台体主体1内部结构是线切割工序。

所述压电陶瓷8作为驱动原件，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料，具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，它频率稳定性好，精度高。本实用新型专利所述产品选用的是低压叠堆共烧压电陶瓷，该压电陶瓷是将压电陶瓷基片叠层粘结共烧而成，这种工艺的压电陶瓷可以承受很大的压力，刚度大，绝缘在侧边，陶瓷整个截面积均可致动，出力大，性能完好展现，不存在局部电场变形，不易出现点应力，低压叠堆共烧工艺压电陶瓷具有优异的性能及超长使用寿命，特殊的绝缘材料确保在严苛的条件下动态性能最大输出。

工作原理如下：

压电陶瓷8与左陶瓷接触块7-1右陶瓷接触块7-2固连，根据陶瓷的逆压电效应：在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，形变位移△L有如下关系式：

△L＝d₃₃ n U

其中：d₃₃：应变系数(m/V)；n：压电陶瓷片个数；U：驱动电压(V)。

所以压电陶瓷8两端接电后产生位移通过左右陶瓷接触块传递到左右柔性薄板，左右两个柔性薄板的不对称性带动旋转体3绕三角形基座2旋转运动，旋转体3通过左预留安装孔6-1右预留安装孔6-2与负载固定连接，进而带动负载可实现精密旋转运动。

采用压电陶瓷作为驱动原件，压电陶瓷与左右陶瓷接触块固连，压电陶瓷两端接电后产生位移通过左右陶瓷接触块传递到左右柔性薄板，左右两个柔性薄板的不对称性带动旋转体绕三角形基座旋转运动，旋转体通过左右预留安装孔与负载固定连接，进而带动负载可实现精密旋转运动，无摩擦，无回差。

整个机构体积小巧，结构紧凑，非常易于集成到精密旋转设备中。内置传感器配套闭环控制器可以实现微弧度的定位精度，在光路精密角度调整中起着非常重要的作用。本产品可用于光学精密角度调节、精瞄系统、航空航天技术、精密定位等领域。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：包括台体主体(1)、三角形基座(2)和旋转体(3)，所述的台体主体(1)上开设有安放槽(10)，所述的三角形基座(2)的其中一个侧面固定在安放槽(10)的侧壁上，所述的三角形基座(2)的尖角嵌入旋转体(3)内，且三角形基座(2)的另两个侧面与旋转体(3)通过柔性铰链(4)连接，在旋转体(3)的左右两侧分别设有倾斜设置的左柔性臂(5-1)和右柔性臂(5-2)，且左柔性臂(5-1)和右柔性臂(5-2)错位布置，所述的左柔性臂(5-1)的末端与左陶瓷接触块(7-1)固定连接，所述的右柔性臂(5-2)的末端与右陶瓷接触块(7-2)固定连接，左陶瓷接触块(7-1)和右陶瓷接触块(7-2)之间设有压电陶瓷(8)，且压电陶瓷(8)的两端分别与左陶瓷接触块(7-1)和右陶瓷接触块(7-2)固定连接，所述的左陶瓷接触块(7-1)和右陶瓷接触块(7-2)均通过一凸台与安放槽(10)的正对三角形的尖角的侧壁固定连接，所述的左陶瓷接触块(7-1)和与其邻近的安放槽(10)的侧壁之间以及右陶瓷接触块(7-2)和与其邻近的安放槽(10)的侧壁之间均设有空隙，在旋转体(3)上设有两个预留安装孔，通过两个预留安装孔安装负载。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：所述旋转体(3)与三角形基座(2)连接处开设有扇形缺口(11)，所述扇形缺口(11)容纳三角形基座(2)的尖角。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：与所述左陶瓷接触块(7-1)连接的凸台为左凸台(9-1)，与所述右陶瓷接触块(7-2)连接的凸台为右凸台(9-2)，所述左凸台(9-1)和右凸台(9-2)之间设有间隙。

4.根据权利要求3所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：所述左柔性臂(5-1)、左陶瓷接触块(7-1)与左凸台(9-1)和所述右柔性臂(5-2)、右陶瓷接触块(7-2)与右凸台(9-2)均为一体成型结构。

5.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：所述左柔性臂(5-1)和右柔性臂(5-2)平行设置，且左柔性臂(5-1)位于右柔性臂(5-2)的上方。

6.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：所述左柔性臂(5-1)和右柔性臂(5-2)均为柔性薄板，且柔性薄板的厚度不大于1mm。

7.根据权利要求2所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：两个预留安装孔分别为左预留安装孔(6-1)和右预留安装孔(6-2)，且两个预留安装孔关于扇形缺口(11)的中心线对称布置。

8.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：所述左陶瓷接触块(7-1)和右陶瓷接触块(7-2)的顶面均设有防干涉缺口(12)，且每个防干涉缺口(12)正对相应的柔性臂设置。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：所述空隙为1-2mm。

10.根据权利要求9所述的一种基于压电陶瓷的精密旋转机构，其特征在于：所述台体主体(1)为矩形板，所述安放槽(10)为矩形槽，且矩形槽的长度为台体主体(1)长度的2/3-3/4，所述矩形槽的宽度为台体主体(1)宽度的1/2。

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