專利名稱：基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于利用壓電效應(yīng)的電壓驅(qū)動(dòng)型驅(qū)動(dòng)器，也屬于能在微細(xì)管道內(nèi)自動(dòng)行走的微型移動(dòng)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
建筑物和工礦企業(yè)中，存在著大量的水管、氣管和油管等配管設(shè)施。其中管壁內(nèi)徑在10mm及以下的細(xì)管應(yīng)用較多。這些管道經(jīng)長(zhǎng)年使用，管內(nèi)會(huì)腐蝕、阻塞，甚至出現(xiàn)裂縫，給正常使用造成極大隱患，有時(shí)會(huì)釀成事故。出于保持安全或衛(wèi)生的需要，必須定期進(jìn)行管內(nèi)檢查和清理。但現(xiàn)在的管道內(nèi)走行機(jī)構(gòu)(或稱為驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人等)，要么徑向尺寸太大，無(wú)法進(jìn)入細(xì)管道；要么輸出的速度和推進(jìn)力過(guò)小，不能滿足管道維護(hù)作業(yè)要求；要么對(duì)管道內(nèi)壁環(huán)境要求苛刻，難以實(shí)用化；要么機(jī)構(gòu)本身存在發(fā)熱、功耗大等問(wèn)題，工作穩(wěn)定性和可靠性差。因此10mm細(xì)管道的驅(qū)動(dòng)器問(wèn)題，長(zhǎng)期沒(méi)有得到很好解決。
現(xiàn)有技術(shù)可以舉出兩個(gè)發(fā)明專利1)日本電裝株式會(huì)社，多層驅(qū)動(dòng)器及其移動(dòng)裝置，日本國(guó)特許廳，公開(kāi)特許公報(bào)，特許公開(kāi)平9-37571，1997年2月7日，出愿番號(hào)特許出愿平7-182964，出愿日1995年7月19日該發(fā)明將多組雙晶壓電薄膜在同一軸線上并列配置，使每一組雙晶壓電薄膜所產(chǎn)生的推進(jìn)力得以疊加。壓電薄膜的使用一方面使驅(qū)動(dòng)電壓降低，能在較低電壓下產(chǎn)生推進(jìn)力；另一方面也可使驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生較大的位移，提高了整體的移動(dòng)速度。
雙晶壓電薄膜是指在薄的彈性金屬片的一面或兩面粘合壓電晶體薄膜片，在外加電場(chǎng)作用下，由于逆壓電效應(yīng)，壓電薄膜和金屬片一起產(chǎn)生中部隆起的翹曲變形。
該發(fā)明的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理如下。每一組雙晶壓電薄膜均為圓盤形，中央都開(kāi)有圓孔，一根中心軸穿過(guò)這些圓孔，將所有雙晶壓電薄膜并聯(lián)連接起來(lái)，中心軸的一端固定有慣性質(zhì)量塊。雙晶壓電薄膜的外緣是用細(xì)長(zhǎng)的彈性材料，把它們相互連接在一起的，該細(xì)長(zhǎng)彈性材料的兩端做成支撐腳并與管道內(nèi)壁保持接觸。當(dāng)雙晶壓電薄膜在產(chǎn)生翹曲變形時(shí)慣性質(zhì)量塊和支撐腳之間便產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)下，可沿管道前進(jìn)或后退行走。鋸齒波使得雙晶壓電薄膜產(chǎn)生雙向翹曲變形的加速度不一致，加速度小時(shí)雙晶壓電薄膜推動(dòng)慣性質(zhì)量塊向前運(yùn)動(dòng)，由于支撐腳與管壁間存在摩擦阻力，因此驅(qū)動(dòng)器本體保持不動(dòng)。加速度大時(shí)由于慣性力的作用，慣性質(zhì)量塊幾乎保持原位不動(dòng)，支撐腳連同驅(qū)動(dòng)器本體向前滑動(dòng)。如此周而復(fù)始，驅(qū)動(dòng)器便一步一步向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)施加反向鋸齒波形電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器便向后運(yùn)動(dòng)。
該發(fā)明存在的問(wèn)題是，在雙晶壓電薄膜之間夾有導(dǎo)電套管，套在中心軸上，并與壓電片的電極保持接觸(壓緊)，以導(dǎo)通各壓電片并形成電回路，此結(jié)構(gòu)在一定程度上限制了雙晶壓電薄膜的翹曲變形，使輸出速度減小，當(dāng)雙晶壓電薄膜的直徑很小時(shí)甚至不能工作。
2)上海大學(xué)，細(xì)小管道管壁缺陷探測(cè)裝置，中國(guó)實(shí)用新型專利，申請(qǐng)?zhí)?0259555.9，申請(qǐng)日2000年12月11日，2001年6月8日授權(quán)。
該發(fā)明專利提出了一種由特種機(jī)器人爬行器、探測(cè)器、CCD視頻傳輸接口、監(jiān)視器和電源控制器組成的細(xì)小管道管壁缺陷探測(cè)裝置。其中爬行器部分與上述專利基本一致。所不同的是，圓盤形雙晶壓電薄膜的外緣用圓桶狀框形結(jié)構(gòu)加以?shī)A持和固定，在框架外側(cè)安裝支撐腳。這樣使驅(qū)動(dòng)器的輸出推進(jìn)力得以提高。缺點(diǎn)是此結(jié)構(gòu)在工藝上難以小型化。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種改進(jìn)的基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器，能在低電壓驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生較大輸出推進(jìn)力和前進(jìn)速度，可制成較小尺寸而能在管內(nèi)徑為10mm以下的超細(xì)工業(yè)與民用管道中穩(wěn)定、可靠行走的微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的構(gòu)思是將多枚具有三層結(jié)構(gòu)的雙晶壓電薄膜(3)并聯(lián)在一起，每一枚雙晶壓電薄膜的中部有一貫通的中心軸相連(1)，外圍周邊有一組剛性框架(4、5)相連。由于粘附于雙晶壓電薄膜上的壓電陶瓷片較薄，因此可以在較低的電壓下使雙晶壓電薄膜產(chǎn)生較大的曲率變化。通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐愤B線，使各壓電陶瓷片在同一電場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的曲率變化方向一致，這樣各雙晶壓電薄膜所產(chǎn)生的變形方向也一致，都沿中心軸方向的某一側(cè)。輸出的推進(jìn)力有疊加效果，因此推進(jìn)力較大。為提高驅(qū)動(dòng)器的前進(jìn)速度，在中心軸上用于夾持雙晶壓電薄膜的絕緣隔離套(6)采用錐形結(jié)構(gòu)，同時(shí)外圍的剛性框架在與雙晶壓電薄膜的壓緊部位加工出倒角，這樣就減少了對(duì)雙晶壓電薄膜變形的限制，從而提高驅(qū)動(dòng)器的輸出速度。
驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得驅(qū)動(dòng)器的橫向尺寸減小。具體措施有1)用鋼絲制成的支撐腳(7)不僅作為驅(qū)動(dòng)器在管道內(nèi)的支撐，還充當(dāng)外圍剛性框架的緊固件。2)雙晶壓電薄膜周邊僅用四點(diǎn)緊固。3)僅在雙晶壓電薄膜的有效變形部位粘貼壓電陶瓷片，因此雙晶壓電薄膜的直徑減小。
驅(qū)動(dòng)器的各主要零件的機(jī)械聯(lián)結(jié)均采用套裝、壓合和點(diǎn)焊的方式，零件數(shù)目少，核心零件雙晶壓電薄膜和周邊框架做成方形結(jié)構(gòu)，非常便于加工制造和安裝對(duì)中。
驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓采用脈沖波形，驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)力較大、速度較快，因此支撐腳與管壁的夾緊力可以較大，即使在垂直管道上和曲率較大的彎角處也能克服負(fù)載阻力向前爬行。
根據(jù)上述實(shí)用新型構(gòu)思，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案一種基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器，包括由套裝在中心軸(1)上、兩端分別由慣性質(zhì)量塊(8)和固定套(2)定位、而中間由絕緣隔離套(6)隔離多個(gè)雙晶壓電薄膜(3)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及由雙晶壓電薄膜(3)外圍的剛性框架(4、5)和與剛性框架(4、5)固定連接彈性支撐腳(7)構(gòu)成的移動(dòng)支持機(jī)構(gòu)；所述的雙晶壓電薄膜(3)是由彈性金屬薄片(9)的兩面粘合壓電陶瓷片(10)構(gòu)成，其特征在于雙晶壓電薄膜(3)同外圍的剛性框架(4、5)相對(duì)應(yīng)為圓形、或正四邊形、或正多邊形，在靠近邊緣有周向均布的3～4個(gè)圓形小穿孔；所述的彈性支撐腳(7)為彈性鋼絲，貫穿過(guò)剛性框架(4、5)和雙晶壓電薄膜(3)的圓孔小穿孔而與其相固定連接。
上述的雙晶壓電薄膜(3)又由其彈性金屬薄片(9)受剛性框架(4、5)所夾，彈性金屬薄片(9)只在剛性框架(4、5)內(nèi)框以內(nèi)的有效變形區(qū)上粘合壓電陶瓷片(10)；而且剛性框架(4、5)在與雙晶壓薄膜(3)的壓緊部位內(nèi)側(cè)邊加工出倒角，避免妨礙雙晶壓電薄膜(2)的變形。
上述的絕緣隔離套(6)與雙晶壓電薄膜(3)接觸端為錐形結(jié)構(gòu)，減少兩者接觸面積，減小妨礙雙晶壓電薄膜(3)的變形。
上述的雙晶壓電薄膜(3)的驅(qū)動(dòng)電壓采用脈沖波形電壓。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型中的彈性支撐腳將已有技術(shù)中固定于剛性框架外緣而改進(jìn)為貫穿剛性框架的小穿孔相互固定，則使彈性支撐腳的固定位置向中心軸方向內(nèi)移，這樣，在確保彈性支撐腳有足夠長(zhǎng)的外露彎折段保持其彈性的情況下，增大了剛性框架的外圍尺寸，也即增大了雙晶壓電薄膜的有效變形面積，增大了其驅(qū)動(dòng)力，增加了驅(qū)動(dòng)器的速度。此外，只在雙晶壓電薄膜的有效變形區(qū)上粘合壓電陶瓷片，剛性框架內(nèi)倒邊進(jìn)行倒角，絕緣隔離套制成錐形結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電壓采用脈沖波電壓等改進(jìn)措施，均有效改善對(duì)驅(qū)動(dòng)力的增大，提高驅(qū)動(dòng)速度，在同樣的驅(qū)動(dòng)力下，可制出體積較小，橫向尺寸小的驅(qū)動(dòng)器。
本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；體積小，特別是橫向尺寸小，可以用于超細(xì)管道機(jī)器人的推進(jìn)驅(qū)動(dòng)；響應(yīng)快、控制性好，功耗低，發(fā)熱??；工作穩(wěn)定性和可靠性較高；可以在內(nèi)壁直徑較均勻的直、彎管道中行走，可前后雙向行走，前進(jìn)速度可無(wú)級(jí)調(diào)整；輸出的推進(jìn)力較大，前進(jìn)速度較快。
圖1是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中的雙晶壓電薄膜的一種結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的圖(a)為主視圖，圖(b)為中部剖視圖。
圖3是圖1中的雙晶壓電薄膜的另一種結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的圖(c)為主視圖，圖(d)為側(cè)視圖。
圖4是圖1中端部剛性框架的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的圖(e)為主視圖，圖(f)為中部剖視圖。
圖5是圖1中的中部剛性框架的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的圖(g)為主視圖，圖(h)為中部剖視圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖說(shuō)明如下參見(jiàn)圖1，基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器共有以下零件組成中心軸1，固定套2，雙晶壓電薄膜3，端部剛性框架4，中部剛性框架5，絕緣隔離套6，彈性支撐腳7，慣性質(zhì)量塊8。
慣性質(zhì)量塊3套裝在中心軸1的一端，數(shù)枚雙晶壓電薄膜3套裝在中心軸的中部，片與片之間用絕緣的隔離套6隔開(kāi)，固定套2從中心軸1的另一端套入，并壓緊隔離套6，使各雙晶壓電薄膜3沿中心軸1的軸線方向緊固，然后將固定套2在中心軸1上焊死。中部剛性框架5將雙晶壓電薄膜3隔開(kāi)，并用端部剛性框架4把它們壓緊，壓緊后將支撐腳7穿過(guò)端部和中部剛性框架4、5的四個(gè)頂角部位的孔中，將支撐腳7與端部剛性框架4焊死。
雙晶壓電薄膜可以做成兩種結(jié)構(gòu)形狀。如附圖2，彈性基片9為方形，壓電陶瓷片10為圓形，壓電陶瓷片10的直徑由計(jì)算得出，使其覆蓋范圍不超過(guò)雙晶壓電薄膜產(chǎn)生最大翹曲時(shí)的曲率變化拐點(diǎn)處。如附圖3，彈性基片9為方形，壓電陶瓷片10為外邊緣與彈性基片9相切的八邊形，這樣在粘貼壓電陶瓷片10時(shí)很容易對(duì)中，減小了微型化后的制造難度。
動(dòng)作原理慣性質(zhì)量塊8、中心軸1、隔離套6和固定套2一起構(gòu)成第一質(zhì)量塊，端部、中部剛性框架和支撐腳一起構(gòu)成第二質(zhì)量塊。第一質(zhì)量塊與第二質(zhì)量塊的質(zhì)量之比比較大。兩部質(zhì)量塊介于雙晶壓電薄膜3形成彈性聯(lián)結(jié)，兩者可以沿中心軸1方向做同軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以受雙晶壓電薄膜3曲率變化的控制。對(duì)雙晶壓電薄膜3施加固定周期的交變電壓，電壓變化規(guī)律可以是脈沖波形，也可以是緩慢加壓與迅速減壓相交替的鋸齒波形。在脈沖波形作用下，激勵(lì)頻率調(diào)諧到驅(qū)動(dòng)器的共振頻率附近，由于共振和慣性的復(fù)合作用，驅(qū)動(dòng)器獲得持續(xù)不斷的前進(jìn)沖量，向前行走。在緩慢加壓過(guò)程中，各雙晶壓電薄膜3均朝慣性質(zhì)量塊方向突起，使第一質(zhì)量塊和第二質(zhì)量塊之間產(chǎn)生位移，此時(shí)由于靜摩擦力的作用，支撐腳7與管壁之間保持不動(dòng)。在迅速減壓過(guò)程中，由于第一質(zhì)量塊的慣性比第二質(zhì)量塊的慣性大，因此第一質(zhì)量塊的慣性力將克服支撐腳7與管壁間的摩擦力，使其打滑，并使第二質(zhì)量塊向慣性質(zhì)量塊方向前進(jìn)一步。如此周而復(fù)始，驅(qū)動(dòng)器便產(chǎn)生一步一步地向前步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求1.一種基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器，包括由套裝在中心軸(1)上、兩端分別由慣性質(zhì)量塊(8)和固定套(2)定位、而中間由絕緣隔離套(6)隔離多個(gè)雙晶壓電薄膜(3)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及由雙晶壓電薄膜(3)外圍的剛性框架(4、5)和與剛性框架(4、5)固定連接彈性支撐腳(7)構(gòu)成的移動(dòng)支持機(jī)構(gòu)；所述的雙晶壓電薄膜(3)是由彈性金屬薄片(9)的兩面粘合壓電陶瓷片(10)構(gòu)成，其特征在于雙晶壓電薄膜(3)同外圍的剛性框架(4、5)相對(duì)應(yīng)為圓形、或正四邊形、或正多邊形，在靠近邊緣有周向均布的3～4個(gè)圓形小穿孔；所述的彈性支撐腳(7)為彈性鋼絲，貫穿過(guò)剛性框架(4、5)和雙晶壓電薄膜(3)的圓孔小穿孔而與其相固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的雙晶壓電薄膜(3)又由其彈性金屬薄片(9)受剛性框架(4、5)所夾，彈性金屬薄片(9)只在剛性框架(4、5)內(nèi)框以內(nèi)的有效變形區(qū)上粘合壓電陶瓷片(10)；而且剛性框架(4、5)在與雙晶壓薄膜(3)的壓緊部位內(nèi)側(cè)邊加工出倒角，避免妨礙雙晶壓電薄膜(2)的變形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的絕緣隔離套(6)與雙晶壓電薄膜(3)接觸端為錐形結(jié)構(gòu)，減少兩者接觸面積，減小妨礙雙晶壓電薄膜(3)的變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器，其特征在于對(duì)所述的雙晶壓電薄膜(3)的驅(qū)動(dòng)電壓采用脈沖波形電壓。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于雙晶壓電薄膜的微型直線驅(qū)動(dòng)器。它包括由套裝在中心軸上、兩端分別由慣性質(zhì)量塊和固定套定位、而中間由絕緣隔離套隔離多個(gè)雙晶壓電薄膜構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及由雙晶壓電薄膜外圍的剛性框架和與剛性框架固定連接彈性支撐腳構(gòu)成的移動(dòng)支持機(jī)構(gòu)；所述的雙晶壓電薄膜是由彈性金屬薄片的兩面粘合壓電陶瓷片構(gòu)成，其特征在于雙晶壓電薄膜同外圍的剛性框架相對(duì)應(yīng)為圓形、或正四邊形、或正多邊形，在靠近邊緣有周向均布的3～4個(gè)圓形小穿孔；所述的彈性支撐腳為彈性鋼絲，貫穿過(guò)剛性框架和雙晶壓電薄膜的圓孔小穿孔而與其相固定連接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，推進(jìn)力較大，前進(jìn)速度較快，適用于內(nèi)徑為10mm以下超細(xì)管道中的微機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。
文檔編號(hào)H02N2/04GK2814795SQ20052004298
公開(kāi)日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者孫麟治, 龔振邦, 李朝東, 章亞男 申請(qǐng)人:上海大學(xué)