技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明屬于精密微型
驅(qū)動器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。
背景技術(shù)
[0002] 壓電馬達(dá)是一種利用壓電元件的逆
壓電效應(yīng)激發(fā)馬達(dá)中的
定子產(chǎn)生微幅度、高
頻率的機械振動，從而在定子表面的特定點或者特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點運動，并且通過定子與動子之間的相互摩擦耦合以及共振放大來實現(xiàn)機電
能量轉(zhuǎn)換，輸出宏觀上的機械運動的一種新型
電動機。壓電馬達(dá)具有諸多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)緊湊易于小型化、位移
分辨率高、響應(yīng)速度快、能量
密度大、低轉(zhuǎn)速大
力矩、不受外界
電磁干擾等，因此在民用驅(qū)動器、
機器人系統(tǒng)、醫(yī)療器械、微納米
定位等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。
[0003] 按照目前壓電馬達(dá)的驅(qū)動工作原理分類，可分為行波型馬達(dá)、
駐波型馬達(dá)、蠕動型馬達(dá)和慣性沖擊式馬達(dá)四種。行波和駐波馬達(dá)統(tǒng)稱為
超聲波馬達(dá)，該類型馬達(dá)通過壓電定子的雙模態(tài)諧振
疊加形成末端的橢圓運動，進而驅(qū)動定子產(chǎn)生單方向連續(xù)運動。具有速度快、功率大等優(yōu)點，但其位移分辨率較低。蠕動型壓電馬達(dá)根據(jù)仿生尺蠖蟲的運動形態(tài)而來，一般采用三組壓電元件，連接成“工”字形，采用“箝位-驅(qū)動-箝位”的方式運動。該類型馬達(dá)具有高位移分辨率和大行程的優(yōu)點，但對于控制系統(tǒng)的要求很高，驅(qū)動頻率很低，速度較慢。慣性沖擊式馬達(dá)利用壓電陶瓷晶體快速
變形產(chǎn)生的慣性沖擊來實現(xiàn)微位移，具有大行程、
納米級分辨率、結(jié)構(gòu)簡單、定位精準(zhǔn)等優(yōu)點，但驅(qū)動力較小、運動速度較低，一般用
鋸齒波來驅(qū)動。
[0004] 按照目前壓電馬達(dá)的運動輸出方式分類，可分為直線式、旋轉(zhuǎn)式和多
自由度式三種。目前的沖擊式壓電馬達(dá)大多數(shù)為直線型的，而沖擊式旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的相關(guān)成果較少，主要原因是旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)難以簡化，多數(shù)比較復(fù)雜，對生產(chǎn)加工的要求比較高，制作工序也很復(fù)雜，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致馬達(dá)壽命短也是一個需要克服的困難，難以實現(xiàn)馬達(dá)的微型化和批量生產(chǎn)。因此旋轉(zhuǎn)式壓電馬達(dá)在工程領(lǐng)域上的應(yīng)用前景受到了限制。
發(fā)明內(nèi)容
[0005] 本發(fā)明解決的問題在于提供一種沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，通過兩個在空間中傾斜放置的壓電堆的振動來提供驅(qū)動力和一部分預(yù)緊力，解決了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式馬達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以加工制作以及批量生產(chǎn)的難題，適用于高
精度納米驅(qū)動等精密控制領(lǐng)域。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] 一種沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，包括放置在圓柱套筒中空腔體中的壓電疊堆、振動
耦合器和
轉(zhuǎn)子；圓柱套筒的底部
固定板上設(shè)有兩個對稱分布的具有傾斜面的凸臺，振動耦合器的底面以鏡面對稱的方式設(shè)置具有傾斜面的凸臺；兩根以中心線對稱的壓電疊堆傾斜設(shè)置在圓柱套筒的底部固定板與振動耦合器之間，壓電疊堆的兩端面分別設(shè)置在凸臺的傾斜面頂端；轉(zhuǎn)子的一端為與振動耦合器頂端相
接觸的接觸面，另一端為
輸出軸，輸出軸上還套設(shè)有預(yù)緊
彈簧；輸出軸伸出固定在端蓋上的
軸承。
[0008] 所述的壓電疊堆垂直于凸臺的傾斜面，凸臺與
水平面所成
角度為20°～30°；所有的傾斜面上全部
覆蓋有
氧化
鋁薄片。
[0009] 整體結(jié)構(gòu)關(guān)于圓柱套筒的中心線對稱；底部固定板與振動耦合器的底面均垂直于中心線。
[0010] 所述的轉(zhuǎn)子的接觸面為紡錘形，振動耦合器的頂端設(shè)有相對應(yīng)的餅狀凹陷，接觸面與餅狀凹陷進行摩擦耦合。
[0011] 所述的底部固定板上開設(shè)有供壓電疊堆的引線伸出圓柱套筒外的通孔；
[0012] 所述的圓柱套筒內(nèi)壁底部設(shè)有圓環(huán)凸起，以便于轉(zhuǎn)子的裝配和底部固定板的固定。
[0013] 使用鋸齒波
信號激勵壓電疊堆，使壓電疊堆產(chǎn)生快速伸長和收縮變形的振動；該振動被分解到水平和垂直兩個方向，其中垂直振動為機構(gòu)提供預(yù)緊力，增大壓電疊堆和接觸面之間的
摩擦力，水平振動則為接觸面提供水平轉(zhuǎn)矩；通過水平振動不斷使得馬達(dá)定子振動，垂直振動與預(yù)緊彈簧為壓電疊堆提供預(yù)緊力，實現(xiàn)定子帶動轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動，使得沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)按照固定的方向進行旋轉(zhuǎn)。
[0014] 所述的鋸齒波信號參數(shù)設(shè)置為：對稱性0％或100％，
電壓幅值30V～70V，激勵頻率400Hz～2kHz。
[0015] 在鋸齒波的一個周期內(nèi)，摩擦前進階段和打滑后退階段兩個工作階段組成；在摩擦前進階段時，驅(qū)動電壓為緩慢上升部分，該驅(qū)動電壓使壓電疊堆與接觸面之間產(chǎn)生靜摩擦力，并且該靜摩擦力大于接觸面的
慣性力，壓電疊堆帶動接觸面一起做微移動；
[0016] 在打滑后退階段，驅(qū)動電壓快速下降回到初始
位置，此時接觸面的慣性力大于其與壓電疊堆之間的摩擦力，使得壓電疊堆與接觸面之間產(chǎn)生一個相對滑動，因此接觸面繼續(xù)向前移動，而壓電疊堆回到起始位置；
[0017] 兩個階段組合起來成為鋸齒波的一個激勵周期，使得接觸面所在的軸承部分產(chǎn)生一個微位移；連續(xù)重復(fù)兩個階段，實現(xiàn)了馬達(dá)的連續(xù)轉(zhuǎn)動。
[0018] 與
現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0019] 本發(fā)明提供的沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，通過對壓電疊堆組成的振子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，由兩個在空間中對稱傾斜放置的壓電堆的振動來提供驅(qū)動力和一部分預(yù)緊力。由于壓電疊堆的安裝與底部固定板成一定角度，因此該振動可分解到水平和垂直兩個方向。其中垂直振動可以為機構(gòu)提供預(yù)緊力，增大壓電堆和接觸面之間的摩擦力。兩個壓電疊堆的水平振動則為接觸面提供水平轉(zhuǎn)矩。通過水平振動和垂直振動的有序結(jié)合，使得機構(gòu)按照固定的方向進行旋轉(zhuǎn)。
[0020] 本發(fā)明用于驅(qū)動壓電元件的驅(qū)動電壓為鋸齒波，在一個周期內(nèi)由摩擦前進階段和打滑后退階段兩個工作階段組成。在摩擦前進階段時壓電振子帶動接觸面一起做微小的移動。在打滑后退階段，接觸面繼續(xù)向前移動，而壓電振子回到起始位置。兩個階段組合起來成為鋸齒波的一個激勵周期，使得接觸面所在的軸承部分產(chǎn)生一個微小的位移。連續(xù)重復(fù)兩個階段，實現(xiàn)了馬達(dá)的連續(xù)轉(zhuǎn)動。同理，當(dāng)兩個階段相反，即使鋸齒波的
波形反向時，馬達(dá)可以實現(xiàn)反向運動。
[0021] 本發(fā)明提供的沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，相對于現(xiàn)有沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，原理簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的微型化，很好的解決了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式馬達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以加工制作以及批量生產(chǎn)的難題，適用于高精度納米驅(qū)動等精密控制領(lǐng)域。
附圖說明
[0022] 圖1是本發(fā)明沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的軸側(cè)示意圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子示意圖；
[0024] 圖3是本發(fā)明沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的振動耦合器示意圖；
[0025] 圖4是本發(fā)明沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的底部固定板示意圖及氧化鋁薄片局部放大圖；
[0026] 圖5是本發(fā)明沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的鋸齒波驅(qū)動電壓波形圖；
[0027] 圖6是壓電馬達(dá)
激勵信號電壓幅值、頻率與壓電馬達(dá)轉(zhuǎn)速的關(guān)系示意圖。
具體實施方式
[0028] 下面結(jié)合具體的
實施例對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0029] 參見圖1-圖4，一種沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，包括放置在圓柱套筒3中空腔體中的壓電疊堆2、振動耦合器8和轉(zhuǎn)子7；圓柱套筒3的底部固定板1上設(shè)有兩個對稱分布的具有傾斜面的凸臺，振動耦合器8的底面以鏡面對稱的方式設(shè)置具有傾斜面的凸臺；兩根以中心線對稱的壓電疊堆2傾斜設(shè)置在圓柱套筒3的底部固定板1與振動耦合器8之間，壓電疊堆2的兩端面分別設(shè)置在凸臺的傾斜面頂端；轉(zhuǎn)子7的一端為與振動耦合器8頂端相接觸的接觸面7-1，另一端為輸出軸7-2，輸出軸7-2上還套設(shè)有預(yù)緊彈簧6；輸出軸7-2伸出固定在端蓋5上的軸承4。
[0030] 進一步的，所述的壓電疊堆2垂直于凸臺的傾斜面，凸臺與水平面所成角度為20～30°；所有的傾斜面上全部覆蓋有氧化鋁薄片13。
[0031] 整體結(jié)構(gòu)關(guān)于圓柱套筒3的中心線對稱；底部固定板1與振動耦合器8的底面均垂直于中心線。
[0032] 具體的，所述的轉(zhuǎn)子7的接觸面7-1為紡錘形，振動耦合器8的頂端設(shè)有相對應(yīng)的餅狀凹陷11，接觸面7-1與餅狀凹陷11進行摩擦耦合。
[0033] 所述的底部固定板1上開設(shè)有供壓電疊堆2的引線伸出圓柱套筒3外的通孔；
[0034] 所述的圓柱套筒3內(nèi)壁底部設(shè)有圓環(huán)凸起9，以便于轉(zhuǎn)子7的裝配和底部固定板1的固定。
[0035] 下面給出具體的實施例。
[0036] 參見圖1-圖4，一種沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，多種零件安裝在一個圓柱套筒3中，是一種關(guān)于中心線對稱的結(jié)構(gòu)；圓柱套筒的腔體中，底部為壓電疊堆2的底部固定板1，中間為一對傾斜放置的壓電疊堆2，壓電疊堆2頂部為振動耦合器8，振動耦合器8和底部固定板1上均有一對傾斜的凸臺(10-1,10-2位于振動耦合器上，10-3,10-4位于底部固定板上)，用于放置壓電疊堆2。底部固定板1與振動耦合器8的端面均垂直于中心線，兩板中間安裝兩個傾斜放置且成中心線對稱的壓電疊堆2；腔體內(nèi)的上邊為與振動耦合器接觸的轉(zhuǎn)子7，轉(zhuǎn)子7是一個底部帶有圓弧凸起的結(jié)構(gòu)，以利于與振動耦合器良好接觸，轉(zhuǎn)子的輸出軸7-2上安裝有預(yù)緊彈簧6，用于提供部分預(yù)緊力；腔體的頂部為帶有輸出軸軸承4的端蓋5。
[0037] 底部固定板1帶有兩個圓柱形的小孔12-1與12-2貫穿整個底部固定板1，用于將壓電疊堆2的引線接到壓電馬達(dá)的腔體外。在底部固定板1與振動耦合器8的放置壓電疊堆2的傾斜凸臺(10-1至10-4)上，固定與凸臺傾斜面面積相同的氧化鋁薄片13，氧化鋁薄片13之間再固定壓電疊堆2。
[0038] 轉(zhuǎn)子7一端為與振動耦合器8相接觸的成紡錘形的接觸面7-1，以利于馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)過程中始終與定子良好接觸，另一端為圓柱輸出軸7-2。
[0039] 圓柱套筒3、底部固定板1、振動耦合器8、轉(zhuǎn)子7、端蓋5材質(zhì)均為45號
鋼。
[0040] 底部固定板1與振動耦合器8、氧化鋁薄片13、壓電疊堆2之間使用DP膠進行固定。
[0041] 圓柱腔體內(nèi)壁底部有一個圓環(huán)凸起9，方便馬達(dá)定轉(zhuǎn)子7的裝配和底部固定板1的固定。
[0042] 振動耦合器8的上端面有一個餅狀凹陷11，便于耦合器8與轉(zhuǎn)子7的紡錘形接觸面7-1進行摩擦耦合。
[0043] 進一步的，壓電驅(qū)動元件選用兩個尺寸相同的壓電疊堆2，兩個疊堆對稱傾斜布置。當(dāng)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)工作時，使用鋸齒波信號激勵振子，使振子產(chǎn)生快速伸長和收縮變形。由于壓電疊堆2的安裝與底部固定板1成一定角度(24.6°)，因此該振動可分解到水平和垂直兩個方向。其中垂直振動可以為機構(gòu)提供預(yù)緊力，增大壓電堆和接觸面之間的摩擦力。兩個壓電疊堆的水平振動則為接觸面提供水平轉(zhuǎn)矩。通過水平振動和垂直振動的有序結(jié)合，使得機構(gòu)按照固定的方向進行旋轉(zhuǎn)。機構(gòu)的前端采用預(yù)緊彈簧6，為壓電疊堆2提供一定的預(yù)緊力。所有的連接均使用環(huán)氧
樹脂DP膠連接。
[0044] 使用鋸齒波信號(參見圖5)激勵壓電疊堆2，使壓電疊堆2產(chǎn)生快速伸長和收縮變形的振動；該振動被分解到水平和垂直兩個方向，其中垂直振動為機構(gòu)提供預(yù)緊力，增大壓電疊堆2和接觸面之間的摩擦力，水平振動則為接觸面提供水平轉(zhuǎn)矩；通過水平振動不斷使得馬達(dá)定子振動，垂直振動與預(yù)緊彈簧為壓電疊堆提供預(yù)緊力，實現(xiàn)定子帶動轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動，使得沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)按照固定的方向進行旋轉(zhuǎn)。
[0045] 具體的，所述的鋸齒波信號參數(shù)設(shè)置為：對稱性0％或100％，電壓幅值30V～70V，激勵頻率400Hz～2kHz。
[0046] 在鋸齒波的一個周期內(nèi)，摩擦前進階段和打滑后退階段兩個工作階段組成；在摩擦前進階段時，驅(qū)動電壓為緩慢上升部分，該驅(qū)動電壓使壓電疊堆2與接觸面之間產(chǎn)生靜摩擦力，并且該靜摩擦力大于接觸面的慣性力，壓電疊堆2帶動接觸面一起做微移動；
[0047] 在打滑后退階段，驅(qū)動電壓快速下降回到初始位置，此時接觸面的慣性力大于其與壓電疊堆2之間的摩擦力，使得壓電疊堆2與接觸面之間產(chǎn)生一個相對滑動，因此接觸面繼續(xù)向前移動，而壓電疊堆2回到起始位置；
[0048] 兩個階段組合起來成為鋸齒波的一個激勵周期，使得接觸面所在的軸承部分產(chǎn)生一個微位移；連續(xù)重復(fù)兩個階段，實現(xiàn)了馬達(dá)的連續(xù)轉(zhuǎn)動。
[0049] 通過實驗，測得壓電馬達(dá)激勵信號電壓幅值、頻率以及壓電馬達(dá)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下表及圖6所示。
[0050]
[0051]
[0052] 具體的可以從表格中看出，當(dāng)激勵電壓為50V，頻率設(shè)置為2kHz時，壓電馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周用了大約8s的時間，轉(zhuǎn)速為7.5r/min。
[0053] 本發(fā)明提供的沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，相對于現(xiàn)有沖擊式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，原理簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的微型化，很好的解決了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)式馬達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以加工制作以及批量生產(chǎn)的難題，適用于高精度納米驅(qū)動等精密控制領(lǐng)域。
[0054] 以上給出的實施例是實現(xiàn)本發(fā)明較優(yōu)的例子，本發(fā)明不限于上述實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的技術(shù)特征所做出的任何非本質(zhì)的添加、替換，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
