CN219322287U - 一种压电惯性电机驱动模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压电惯性电机驱动模块，包括：定子和动子。其中，动子主要由压电元件、第一支撑体和第二支撑体组成。其中，第一支撑体和第二支撑体分别位于压电元件的沿伸缩方向的两端并且连接到压电元件；并且，第一支撑体通过第一铰链可枢转地连接到定子，第二支撑体的一侧设置有摩擦装置；以及预应力加载装置，用于沿压电元件的伸缩方向对第二支撑体施加预应力，从而产生绕第一铰链的枢转轴的转动力矩，转动力矩使摩擦装置压向待驱动元件。本实用新型还提供了一种压电惯性电机。

Description

一种压电惯性电机驱动模块

技术领域

本申请涉及机电技术领域，特别涉及一种压电惯性电机驱动模块。

背景技术

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。

基于压电敏感元件的逆压电效应制成的压电电机，从原理上主要被分为行波式和驻波式，通常由定子、动子以及施加预应力的机构等构成。其驱动机理为利用压电元件将输入的交变电压转化为晶体机械变形。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。通过压电敏感元件的变形，压电电机利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，驱动动子做往复运动。在往复运动的过程中，施加预应力的机构须向动子施加作用力，使得动子与支撑面之间需要存在压力，从而发生摩擦作用。

常见的压电惯性电机中采用的压电元件绝大部分是厚度极化的共烧压电陶瓷堆叠。这种压电陶瓷堆叠作为驱动模块，需要在其运动方向上提供较大的预载；兼有，由于压电惯性电机需要采用摩擦方式驱动，为此还需要在垂直运动方向施加一个压力，增加了压电惯性电机的复杂度。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种压电惯性电机驱动模块，其结构简易，加工制造成本低廉。下面提供了示例性实施例的简要概述，以提供对各种实施例的一些方面的基本理解。应当注意，本概述并非旨在确认基本元素的关键特征或定义实施例的范围，它的唯一目的是以简单的形式引入一些概念，作为下文提供的更详细描述的前序。

在第一方面，提供了一种压电惯性电机驱动模块的示例性实施例，其包括：定子；动子，包括压电元件、以及第一支撑体和第二支撑体，所述第一支撑体和所述第二支撑体分别位于所述压电元件的沿伸缩方向的两端并且连接到所述压电元件，所述第一支撑体通过第一铰链可枢转地连接到所述定子，所述第二支撑体的一侧设置有摩擦装置；以及预应力加载装置，用于沿所述压电元件的伸缩方向对所述第二支撑体施加预应力，从而产生绕所述第一铰链的枢转轴的转动力矩，所述转动力矩使所述摩擦装置压向待驱动元件。

在一些示例性实施例中，所述预应力加载装置包括弹性元件，所述弹性元件的一端固定到固定框架，另一端抵靠在所述第二支撑体上，以向所述第二支撑体施加所述预应力。

在一些示例性实施例中，所述动子还包括设置在所述第二支撑体的与所述压电元件相反一侧的弹性元件，所述预应力加载装置通过所述弹性元件向所述第二支撑体施加所述预应力。

在一些示例性实施例中，所述弹性元件包括与所述第二支撑体一体成型的弹性结构。

在一些示例性实施例中，所述弹性结构包括从所述第二支撑体延伸的弓字型结构、之字型结构或者锯齿型结构。

在一些示例性实施例中，所述弹性元件与所述第一支撑体和所述第二支撑体一体成型，所述第一支撑体包括沿所述压电元件的伸缩方向在所述压电元件、所述第二支撑体和所述弹性元件的一侧延伸的延伸部，所述延伸部连接到所述弹性元件的与所述第二支撑体相反的一端。

在一些示例性实施例中，所述摩擦装置包括用于提供摩擦面的摩擦块，所述摩擦块通过球铰可转动地连接到所述第二支撑体的一侧。

在一些示例性实施例中，所述压电元件主要组成为所述第一铰链(103)包括轴承或者球铰。

在一些示例性实施例中，所述第一支撑体和所述第二支撑体中的每个都是导电支撑体，所述导电支撑体通过导电胶粘接到所述压电元件。

在第二方面，提供一种压电惯性电机，其包括一个或多个上述任意一项所述的压电惯性电机驱动模块。

当结合附图阅读时，附图举例说明了本申请示例实施例的原理；从以下具体实施例的描述，本申请的示例实施例的其他特征和优点也将是显而易见的。

附图说明

现在，通过非限制性示例的方式，将参考附图描述一些示例实施例。

图1示出了根据本申请的示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块的结构示意图；

图2示出了根据本申请的示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块的工作过程示意图；

图3示出了根据本申请的另一示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块的结构示意图；

图4示出了根据本申请的另一示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块的工作过程示意图；

图5示出了根据本申请的又一示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块的结构示意图；

图6示出了根据本申请的再一示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块的结构示意图；

图7示出了根据本申请的示例性实施例的一种压电惯性电机的示意图。

贯穿所有附图，相同或相似的附图标记指示相同或相似元件。相同元件的重复描述将被省略。

附图标记说明：

101-定子，102-动子，103-连接装置，104-预应力驱动装置，1021-压电元件，1022-第一支撑板，1023-第二支撑板，1024-摩擦装置，105-待驱动元件，201-定子，202-动子，203-连接装置，204-预应力驱动装置，2021-压电元件，2022-第一支撑板，2023-第二支撑板，2024-摩擦装置，2025-弹性元件，205-待驱动元件，301-定子，302-动子，303-连接装置，304-预应力驱动装置，3021-压电元件，3022-第一支撑板，3023-第二支撑板，3024a-球铰，3024b-摩擦块，305-待驱动元件，401-定子，402-动子，403-连接装置，404-预应力驱动装置，4021-压电元件，4022-第一支撑板，4023-第二支撑板，4024a-球铰，4024b-摩擦块，4025-弹性元件，405-待驱动元件。

具体实施方式

以下参考附图详细描述了一些示例实施例。为了提供对各种概念的透彻理解，以下描述包括具体细节。然而，对于本领域技术人员来说，在没有这些具体细节的情况下，显然是可以实施这些概念的。在某些情况下，为了避免混淆所描述的概念和特征，以示意图的形式显示的众所周知的结构、部件和技术。

应当理解，尽管本申请可能使用术语“第一”和“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区别一个元件与另一个元件。例如，在未脱离示例实施例范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。类似地，尽管若干个具体的实现细节被包含在上述讨论中，但是不应被解释为对本申请范围的限制，而是作为可以具体的特定实施例的特征的描述。在单个实施例的上下文中描述的某些特征也可以与单个实施例相结合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征，也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合实现。还应当理解，本申请所使用的诸如“具有”、“包括”以及“包含”等术语，并非排除一个或多个其他元件或组合的存在或附加。

图1示出了根据本申请的示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块100的结构示意图。参考图1中的压电惯性电机驱动模块100，其包括定子101和动子102。定子101是固定元件；在压电惯性电机驱动模块100的工作过程中，定子101在动子102周期性的作用力下不会发生位移。具体地，动子102主要由压电元件1021、第一支撑体1022和第二支撑体1023组成。其中，第一支撑体1022和第二支撑体1023分别位于压电元件1021的沿伸缩方向的两端并且连接到压电元件1021。当压电惯性电机驱动模块100工作时，压电元件1021通电后的形变产生输出力，使得第一支撑体1022和第二支撑体1023之间的距离，随着压电元件1021伸缩形变而变化。第一支撑体1022通过第一铰链103可枢转地连接到定子101，第二支撑体1023的一侧设置有摩擦装置1024；以及预应力加载装置104，用于沿压电元件1021的伸缩方向对第二支撑体1023施加预应力，从而产生绕第一铰链103的枢转轴的转动力矩，转动力矩使摩擦装置1024压向待驱动元件105。该转动力矩相对于摩擦装置1024可以分解得到，使摩擦装置1024压向待驱动元件105的力矩分量。在该力矩分量的作用下，实现驱动元件105受力，进而发生宏观运动。

优选地，压电元件1021可以采用压电片结构，如：压电堆叠；更优选地，压电元件1021也可以是压电陶瓷片堆叠。当压电元件1021由压电陶瓷片堆叠构成时，其中的压电陶瓷片沿厚度方向极化；并且，形成堆叠的多个压电陶瓷片沿其伸缩方向、与第一支撑体1022和第二支撑体1023平行排列相互连接。从原理上讲，在自然状态下的铁电陶瓷，在晶体中带有不平衡的正负电荷，会造成偏电荷，也就是发生自发极化。随着高直流电压的施加，自发极化产生的极轴在相同的方向上对齐，即使去掉电压，极轴也不会随之消失。使自发极化极轴对准的过程称为极化。如果将极化应用于铁电陶瓷，就会生成压电陶瓷。多个压电陶瓷片堆叠在一起，可以产生更大的位移和作用力，形成压电陶瓷片堆叠。

优选地，第一铰链103可以是轴承。由于，滑动摩擦会带来很大的能量损耗，也易带来噪声。在一些示例实施例中，更优选地，第一铰链103也可以是球铰，可以降低摩擦损耗。

在一些示例实施例中，压电元件1021可以选择的压电材料有很多种，常见的压电材料还包括有机压电材料，如：聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)；还可以通过共聚、共混、掺杂的方式进一步提高有机压电材料的压电性能，如：PVDF与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混形成复相结构，以提高压电聚合物的温度稳定性。

如图1所示，在压电元件1021伸缩方向的两侧分别设置的第一支撑体1022和第二支撑体1023，对压电元件1021提供支撑作用。第一支撑体1022和第二支撑体1023的构成可以是金属板，也可以是其他具有导电性能的材料制成的支撑体，比如：有机导电材料。鉴于，压电陶瓷片堆叠用来驱动支撑体运动，故压电陶瓷堆叠的形变需要带来一定量的作用力，施加于支撑体上。

在一些示例实施例中，压电元件1021可以通过胶粘接的方式，固定到与第一支撑体1022和第二支撑体1023相接触的表面上，并确保压电元件1021的平整度。在一些示例实施例中，压电陶瓷片堆叠表面的端面平整度甚至可以达到微米量级。

图2示出了根据本申请的示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块的工作过程示意图；以下结合图2，简述压电惯性电机驱动模块的工作原理。

当压电惯性电机驱动模块处于状态A时，预应力加载装置104抵靠在动子102的第二支撑体1023上，预应力加载装置104沿压电元件1021的伸缩方向对第二支撑体1023施加预应力，从而产生与定子101相连的绕第一铰链103的枢转轴的转动力矩，使摩擦装置1024压向待驱动元件105，在摩擦装置和待驱动元件之间产生一定的压力。

当压电惯性电机驱动模块处于状态B时，对第一支撑体1022和第二支撑体1023之间的压电元件1021缓慢通电，压电元件1021在逆压电效应的作用下形变拉伸，在摩擦力的作用下通过摩擦装置1024带动待驱动元件105发生一定的位移。

当压电惯性电机驱动模块处于状态C时，迅速切断施加于第一支撑体1022和第二支撑体1023之间的压电元件1021的电压，致使压电元件1021在逆压电效应消失而快速缩回，带动第二支撑体1023和摩擦装置1024也快速缩回，而此时待驱动元件105由于惯性的存在而未跟随压电陶瓷而缩回。

在状态C时，压电驱动模块已经回到了状态A时的状态，而待驱动元件105却已经发生了一定的位移，如此，通过重复状态B到状态C的过程，可以实现驱动元件105的宏观运动。

图3示出了根据本申请的另一示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块200的结构示意图。参考图3中的压电惯性电机驱动模块200，其包括定子201和动子202。定子201是固定元件；在压电惯性电机驱动模块200的工作过程中，定子201在动子202周期性的作用力下不会发生位移。具体地，动子202主要由压电元件2021、第一支撑体2022和第二支撑体2023组成。其中，第一支撑体2022和第二支撑体2023分别位于压电元件2021的沿伸缩方向的两端并且连接到压电元件2021。与图1示出的压电惯性电机驱动模块100相比，压电惯性电机驱动模块200的不同之处在于：动子202还包括设置在第二支撑体2023的与压电元件2021相反一侧的弹性元件2025，预应力加载装置204通过弹性元件2025向第二支撑体2023施加预应力；并且，第一支撑体2022通过球铰203可枢转地连接到定子201。

弹性元件2025可以包括与第二支撑体2023一体成型的弹性结构，使其成为动子202的一部分；优选地，弹性元件2025的弹性结构可以是从第二支撑体2023延伸的弓字型结构。在一些示例实施例中，弹性元件2025的弹性结构也可以是从第二支撑体2023延伸的之字型结构或者锯齿型结构。如图3所示，弹性元件2025与第一支撑体2022和第二支撑体2023可以一体成型；并且，第一支撑体2022还包括沿压电元件2021的伸缩方向在压电元件2021、第二支撑体2023和弹性元件2025的一侧延伸的延伸部，延伸部连接到弹性元件的与第二支撑体2023相反的一端。

当压电惯性电机驱动模块200工作时，压电元件2021通电后的形变产生输出力，使得第一支撑体2022和第二支撑体2023之间的距离，随着压电元件2021伸缩形变而变化。第二支撑体2023的一侧设置有摩擦装置2024。预应力加载装置204，通过弹性元件2025沿压电元件2021的伸缩方向对第二支撑体2023施加预应力，从而产生绕球铰203的枢转轴的转动力矩，转动力矩使摩擦装置2024压向待驱动元件205。该转动力矩相对于摩擦装置2024可以分解得到，使摩擦装置2024压向待驱动元件205的力矩分量。在该力矩分量的作用下，实现驱动元件205受力，进而发生宏观运动。

应当理解的是，在实施例压电惯性电机驱动模块200中，弹性元件2025与与第二支撑体2023一体成型，成为动子202的一部分。预应力加载装置204可以是不具有弹性结构的器件，比如：螺钉。不同的是，在另一些示例实施例中，预应力加载装置也可以包括弹性元件，比如：弹簧；弹性元件的一端固定到固定框架，另一端抵靠在第二支撑体上，以向第二支撑体施加预应力。在这种情况下，含有弹性元件的预应力加载装置，通过弹性元件沿压电元件的伸缩方向对第二支撑体施加预应力，从而产生绕球铰的枢转轴的转动力矩。该转动力矩相对于摩擦装置可以分解得到，使摩擦装置压向待驱动元件的力矩分量(未示出)。

图4示出了根据本申请的另一示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块的工作过程示意图。以下结合图4，简述弹性元件与与第二支撑体一体成型，成为动子的一部分的压电惯性电机驱动模块的工作原理。

当压电惯性电机驱动模块处于状态a时，预应力加载装置204抵靠在动子202的第二支撑体2023上，预应力加载装置204沿压电元件2021的伸缩方向对弹性元件2025施加预应力，从而产生与定子201相连的绕球铰203的枢转轴的转动力矩，使摩擦装置2024压向待驱动元件205，在摩擦装置和待驱动元件之间产生一定的压力。

当压电惯性电机驱动模块处于状态b时，对第一支撑体2022和第二支撑体2023之间的压电元件2021缓慢通电，压电元件2021在逆压电效应的作用下形变拉伸，在摩擦力的作用下通过摩擦装置2024带动待驱动元件205发生一定的位移。

当压电惯性电机驱动模块处于状态c时，迅速切断施加于第一支撑体2022和第二支撑体2023之间的压电元件2021的电压，致使压电元件2021在逆压电效应消失而快速缩回，带动第二支撑体2023和摩擦装置2024也快速缩回，而此时待驱动元件205由于惯性的存在而未跟随压电陶瓷而缩回。

在状态c时，压电驱动模块已经回到了状态a时的状态，而待驱动元件205却已经发生了一定的位移，如此，通过重复状态b到状态c的过程，可以实现驱动元件205的宏观运动。

图5示出了根据本申请的又一示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块300的结构示意图。参考图5中的压电惯性电机驱动模块300，其包括定子301和动子302。定子301是固定元件；在压电惯性电机驱动模块300的工作过程中，定子301在动子302周期性的作用力下不会发生位移。具体地，动子302主要由压电元件3021、第一支撑体3022和第二支撑体3023组成。其中，第一支撑体3022和第二支撑体3023分别位于压电元件3021的沿伸缩方向的两端并且连接到压电元件3021。与图1示出的压电惯性电机驱动模块100相比，压电惯性电机驱动模块300的不同之处在于：摩擦装置还包括用于提供摩擦面的摩擦块3024b，摩擦块通过球铰3024a可转动地连接到第二支撑体3023的一侧。在这种情况下，球铰3024a和摩擦块3024b相配合，有利于减少摩擦损耗。

当压电惯性电机驱动模块300工作时，压电元件3021通电后的形变产生输出力，使得第一支撑体3022和第二支撑体3023之间的距离，随着压电元件3021伸缩形变而变化。预应力加载装置304沿压电元件3021的伸缩方向对第二支撑体3023施加预应力，从而产生绕第一铰链303的枢转轴的转动力矩，转动力矩使球铰3024a压向摩擦块3024b和待驱动元件305。该转动力矩相对于摩擦块3024b可以分解得到，使摩擦块3024b压向待驱动元件305的力矩分量。在该力矩分量的作用下，实现驱动元件305受力，进而发生宏观运动。

图6示出了根据本申请的再一示例性实施例的一种压电惯性电机驱动模块400的结构示意图。参考图5中的压电惯性电机驱动模块400，其包括定子401和动子402。定子401是固定元件；在压电惯性电机驱动模块400的工作过程中，定子401在动子402周期性的作用力下不会发生位移。具体地，动子402主要由压电元件4021、第一支撑体4022和第二支撑体4023组成。其中，第一支撑体4022和第二支撑体4023分别位于压电元件4021的沿伸缩方向的两端并且连接到压电元件4021。预应力加载装置404通过弹性元件4025向第二支撑体4023施加预应力；并且，第一支撑体4022通过球铰403可枢转地连接到定子201。弹性元件4025可以包括与第二支撑体4023一体成型的弓字型弹性结构，使其成为动子402的一部分。与图1示出的压电惯性电机驱动模块100相比，压电惯性电机驱动模块400的不同之处在于：摩擦装置还包括用于提供摩擦面的摩擦块4024b，摩擦块通过球铰4024a可转动地连接到第二支撑体4023的一侧。

当压电惯性电机驱动模块400工作时，压电元件4021通电后的形变产生输出力，使得第一支撑体4022和第二支撑体4023之间的距离，随着压电元件4021伸缩形变而变化。预应力加载装置404通过弹性元件4025沿压电元件4021的伸缩方向对第二支撑体4023施加预应力，从而产生绕球铰403的枢转轴的转动力矩，转动力矩使球铰4024a压向摩擦块4024b和待驱动元件405。该转动力矩相对于摩擦块4024b可以分解得到，使摩擦块4024b压向待驱动元件405的力矩分量。在该力矩分量的作用下，实现驱动元件405受力，进而发生宏观运动。

图7示出了根据本申请的示例性实施例的一种压电惯性电机的示意图。具体地，该压电惯性电机可以包括一个或多个本申请公开的压电惯性电机驱动模块。本领域技术人员根据本申请公开的技术方案，在未付出创造性劳动的情况下，作出的简单变形，仍然落入本申请要求保护的范围。

尽管主题已经用具体的结构特征和/或方法动作的语言描述，应当理解，所附权利要求中限定的主题不限于上述具体的特征或动作。相反，上述具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例。

Claims (10)

1.一种压电惯性电机驱动模块，其特征在于包括：

定子；

动子，包括压电元件、以及第一支撑体和第二支撑体，所述第一支撑体和所述第二支撑体分别位于所述压电元件的沿伸缩方向的两端并且连接到所述压电元件，所述第一支撑体通过第一铰链可枢转地连接到所述定子，所述第二支撑体的一侧设置有摩擦装置；以及

预应力加载装置，用于沿所述压电元件的伸缩方向对所述第二支撑体施加预应力，从而产生绕所述第一铰链的枢转轴的转动力矩，所述转动力矩使所述摩擦装置压向待驱动元件。

2.根据权利要求1所述的压电惯性电机驱动模块，其特征在于，所述预应力加载装置包括弹性元件，所述弹性元件的一端固定到固定框架，另一端抵靠在所述第二支撑体上，以向所述第二支撑体施加所述预应力。

3.根据权利要求1所述的压电惯性电机驱动模块，其特征在于，所述动子还包括设置在所述第二支撑体的与所述压电元件相反一侧的弹性元件，所述预应力加载装置通过所述弹性元件向所述第二支撑体施加所述预应力。

4.根据权利要求3所述的压电惯性电机驱动模块，其特征在于，所述弹性元件包括与所述第二支撑体一体成型的弹性结构。

5.根据权利要求4所述的压电惯性电机驱动模块，其特征在于，所述弹性结构包括从所述第二支撑体延伸的弓字型结构、之字型结构或者锯齿型结构。

6.根据权利要求4所述的压电惯性电机驱动模块，其特征在于，所述弹性元件与所述第一支撑体和所述第二支撑体一体成型，所述第一支撑体包括沿所述压电元件的伸缩方向在所述压电元件、所述第二支撑体和所述弹性元件的一侧延伸的延伸部，所述延伸部连接到所述弹性元件的与所述第二支撑体相反的一端。

7.根据权利要求1所述的压电惯性电机驱动模块，其特征在于，所述摩擦装置包括用于提供摩擦面的摩擦块，所述摩擦块通过球铰可转动地连接到所述第二支撑体的一侧。

8.根据权利要求1所述的压电惯性电机驱动模块，其特征在于，所述第一铰链包括轴承或者球铰。

9.根据权利要求1所述的压电惯性电机驱动模块，其特征在于，所述第一支撑体和所述第二支撑体中的每个都是导电支撑体，所述导电支撑体通过导电胶粘接到所述压电元件。

10.一种压电惯性电机，其特征在于，包括一个或多个权利要求1-9中的任意一项所述的压电惯性电机驱动模块。

Images