專利名稱：微小型微步距角壓電型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，尤其涉及一種基于慣性-摩擦原理的微小型微步距角壓電型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，可實現(xiàn)微步距角、輸出角位移可控、雙向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，屬于機電技術(shù)領(lǐng)域。
關(guān)于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動目前應(yīng)用最多的是旋轉(zhuǎn)電動機，從旋轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動原理來看，很難同時兼顧精密微步距、驅(qū)動大角位移的要求。
壓電驅(qū)動器由于其響應(yīng)頻率高、功重比高、耗能少、發(fā)熱小、可微型化的優(yōu)點被應(yīng)用于精密驅(qū)動和控制中，該驅(qū)動器的不足之處是行程太??；形狀記憶合金驅(qū)動器功重比高、驅(qū)動位移大，但是耗能大、響應(yīng)頻率低。因而，利用壓電驅(qū)動器及先進(jìn)的機構(gòu)組合構(gòu)成新型驅(qū)動器是當(dāng)前微型、精密驅(qū)動的研究重點之一。
發(fā)明專利“微機電旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”(公開號CN1300345A)提出了一種用于響應(yīng)熱的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，該機構(gòu)至少有兩個輪轂輪輻部件響應(yīng)溫度變化，以實現(xiàn)對輪轂施加旋轉(zhuǎn)力。因此，機構(gòu)的運動依賴于溫度的變化，響應(yīng)時間慢，難以實現(xiàn)精確的角位移控制。發(fā)明專利“壓電—電流變旋轉(zhuǎn)步進(jìn)馬達(dá)”(申請?zhí)?2105232)提出一種新型結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)馬達(dá)。該馬達(dá)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)小型化和精密控制。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，基于慣性-摩擦原理設(shè)計了微小型微步距角壓電型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，主要由壓電器件、摩擦體、轉(zhuǎn)子、輸出軸、機架、調(diào)節(jié)裝置和控制器組成。各部件的連接方式為壓電器件一端固定在機架上，另一端與摩擦體相連。轉(zhuǎn)子置于摩擦體上，其上固連輸出軸。通過調(diào)節(jié)裝置對轉(zhuǎn)子施加一定的預(yù)緊力。調(diào)節(jié)裝置包括螺柱、螺母、墊圈和彈簧，其作用是調(diào)節(jié)預(yù)緊力、定位轉(zhuǎn)子。壓電器件由控制器供能、控制。驅(qū)動器的運動原理如下壓電器件帶動摩擦體在控制器輸出的不同控制信號的控制下，實現(xiàn)周期性的突然伸張-緩慢收縮運動或突然收縮-緩慢伸張運動，轉(zhuǎn)子既要保持其慣性，又受到摩擦體給予的摩擦力的作用，因此就有累積的順時針或逆時針的旋轉(zhuǎn)運動，輸出軸也就實現(xiàn)各個方向的轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化，控制方便，輸出精確。
如

圖1所示，本發(fā)明機構(gòu)主要包括壓電器件1、機架2、支撐球3和16、螺柱4和15、彈簧5和13、墊圈6和12、調(diào)節(jié)螺母7和11、緊定螺母8和10、輸出軸9、止推擋板14、轉(zhuǎn)子17、摩擦體18、壓電器件控制器19。
圖2為本發(fā)明壓電器件驅(qū)動信號波形圖。
其中，圖2(a)、圖2(b)分別為壓電器件正、反向驅(qū)動時的信號波形。信號是典型的周期性鋸齒波，即在每一個信號周期里，信號突然升高，然后緩慢下降，或者緩慢升高，然后突然下降。這樣才能控制壓電器件收縮的速度，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子、輸出軸的控制。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由壓電器件1、摩擦體18、轉(zhuǎn)子17、輸出軸9、機架2、調(diào)節(jié)裝置和控制器19組成。各部件的連接方式為壓電器件1一側(cè)固定在機架2上，另一側(cè)與摩擦體18相連。轉(zhuǎn)子17置于摩擦體18上，其上固連輸出軸9，固定在機架2上方的調(diào)節(jié)裝置從兩側(cè)對轉(zhuǎn)子17施加一定的預(yù)緊力。調(diào)節(jié)裝置采用螺柱螺母緊定結(jié)構(gòu)，螺柱4和15固定在機架2上并由緊定螺母8和10鎖緊，調(diào)節(jié)螺母7和11通過墊圈6和12、彈簧5和13壓緊止推擋板14，止推擋板14可以沿螺柱4和15滑動。止推擋板14上的弧形曲面軌道約束了支撐球3和16，并通過支撐球3和16壓緊轉(zhuǎn)子，將由彈簧5和13產(chǎn)生的預(yù)緊力作用于轉(zhuǎn)子17。調(diào)節(jié)螺母7和11的作用是調(diào)節(jié)彈簧的伸縮量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)預(yù)緊力，定位轉(zhuǎn)子的目的。壓電器件1與控制器19相連，由控制器19供能、控制。
本發(fā)明通過不同的驅(qū)動信號來實現(xiàn)驅(qū)動器輸出軸的雙向旋轉(zhuǎn)運動。具體工作原理如下
控制器19輸出圖2(a)所示的波形時(1)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)；(2)在0時刻，控制器19電壓突然達(dá)到峰值，峰值大小視壓電材料和控制器輸出的不同而有不同的值；壓電器件1帶動摩擦體18在瞬間突然伸張，摩擦體18上的轉(zhuǎn)子17及輸出軸9由于慣性，在此微小的時間段內(nèi)保持不動，摩擦體18相對于轉(zhuǎn)子17有一微小切向線位移；(3)在0時刻之后，控制器19電壓緩慢下降到0，壓電器件1帶動摩擦體18慢慢收縮；由于靜摩擦力的作用，轉(zhuǎn)子17及輸出軸9被摩擦體17帶動順時針旋轉(zhuǎn)一微小角位移；(4)重復(fù)(2)～(3)的控制過程，轉(zhuǎn)子17帶動輸出軸9順時針連續(xù)轉(zhuǎn)動。若改變控制信號的頻率，就可以控制輸出軸的轉(zhuǎn)速。
控制器19輸出圖2(b)所示的波形時(1)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)；(2)從0時刻開始的一個波形周期里，控制器19輸出電壓緩慢升高到峰值，峰值大小視壓電材料和控制器輸出的不同而有不同的值；壓電器件1帶動摩擦體18緩慢伸張，由于靜摩擦力的作用，轉(zhuǎn)子17及輸出軸9被摩擦體18帶動逆時針旋轉(zhuǎn)一微小角位移；(3)控制器19輸出電壓突然從峰值降到0，壓電器件1帶動摩擦體18突然回縮，摩擦體18上的轉(zhuǎn)子17及輸出軸9由于慣性，在此微小的時間段內(nèi)保持不動；(4)重復(fù)(2)～(3)的控制過程，轉(zhuǎn)子17帶動輸出軸9逆時針連續(xù)轉(zhuǎn)動。若改變控制信號的頻率，就可以控制輸出軸的轉(zhuǎn)速。
權(quán)利要求
1.一種微小型微步距角壓電型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于主要由壓電器件(1)、摩擦體(18)、轉(zhuǎn)子(17)、輸出軸(9)、機架(2)、調(diào)節(jié)裝置和控制器(19)組成，固定在機架(2)上的壓電器件(1)與摩擦體(18)固定連接，轉(zhuǎn)子(17)置于摩擦體(18)上，其上固連輸出軸(9)，固定在機架(2)上方的調(diào)節(jié)裝置從兩側(cè)對轉(zhuǎn)子(17)施加預(yù)緊力，壓電器件(1)與控制器(19)相連。
2.如權(quán)利要求1所說的微小型微步距角壓電型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于調(diào)節(jié)裝置中，螺柱(4、15)固定在機架(2)上并由緊定螺母(8、10)鎖緊，調(diào)節(jié)螺母(7、11)通過墊圈(6、12)、彈簧(5、13)壓緊可以沿螺柱(4、15)滑動的止推擋板(14)，止推擋板(14)通過受其弧形曲面軌道約束的支撐球(3、16)壓緊轉(zhuǎn)子(17)。
3.如權(quán)利要求1所說的微小型微步距角壓電型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于控制器(19)的控制信號為周期性鋸齒波。
全文摘要
一種微小型微步距角壓電型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，基于慣性－摩擦原理設(shè)計，固定在機架上的壓電器件與摩擦體相連，轉(zhuǎn)子置于摩擦體上，其上固連輸出軸，通過調(diào)節(jié)裝置對轉(zhuǎn)子定位，調(diào)節(jié)預(yù)緊力，壓電器件由控制器供能、控制。壓電器件帶動摩擦體在控制器不同信號的控制下，實現(xiàn)周期性的突然伸張－緩慢收縮運動或突然收縮－緩慢伸張運動，轉(zhuǎn)子既要保持其慣性，又受到摩擦體給予的摩擦力作用，因此有累積的順時針或逆時針的旋轉(zhuǎn)運動，通過輸出軸實現(xiàn)各個方向的轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化，控制方便，輸出精確。
文檔編號H02N2/14GK1404211SQ0213717
公開日2003年3月19日 申請日期2002年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月26日
發(fā)明者顏國正, 遲冬祥, 丁國清, 顏德田 申請人:上海交通大學(xué)