一種步進式壓電驅(qū)動器及其驅(qū)動實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種步進式壓電驅(qū)動器，包括具有內(nèi)齒圈的剛輪、具有外齒圈的柔輪和嵌置在柔輪中的壓電換能器，在柔輪上鏤空槽中設有與柔輪外齒相對設置的位移放大結(jié)構(gòu)，位移放大結(jié)構(gòu)為中空對稱結(jié)構(gòu)，一種步進式壓電驅(qū)動器的驅(qū)動實現(xiàn)方法包括如下步驟：（1)給第一組層疊式壓電陶瓷堆輸入驅(qū)動信號而產(chǎn)生橫向變形并推動剛輪繞其中心軸擺動一個相應的方位；（2)接著按步進脈沖序列給第一組層疊式壓電陶瓷堆任意一側(cè)的第二組層疊式壓電陶瓷堆輸入端分別輸入驅(qū)動信號，此時第二組層疊式壓電陶瓷堆正上方的柔輪齒同樣推動剛輪繞其中心軸擺動一個相應的方位；（3)按順序依次將三組層疊式壓電陶瓷堆均施加一次高電平信號，整個柔輪完成一個周期的形變，同時在這個過程中，作為振子的剛輪在柔輪驅(qū)動下也完成了一個圓周步進運動。
【專利說明】一種步進式壓電驅(qū)動器及其驅(qū)動實現(xiàn)方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種驅(qū)動器，具體來講是一種步進式壓電驅(qū)動器，還涉及該驅(qū)動器的 驅(qū)動實現(xiàn)方法。

【背景技術】
[0002] 1992年，Sugawara等人公布了命名為"彈珠式"的金屬陶瓷復合壓電致動器，能把 壓電陶瓷的徑向位移轉(zhuǎn)換成軸向位移并把位移放大（10倍左右)。美國賓州大學國際致動器 和換能器中心的Aydin Dogan等人研制出了鈸形致動器，由夾在二個截錐形金屬帽蓋之間 的園柱形壓電陶瓷元件組成，它產(chǎn)生的位移量是同樣尺寸的陶瓷元件的40倍左右。彈珠式 和鈸形致動器在汽車工業(yè)上有很大應用潛力，可用作傳感器和減振器元件，閥門的開關元 件以及一些對致動器要求尺寸小、響應快的場合，Omron公司已成功地將其用于光掃描器、 高密度記憶貯存驅(qū)動器等場合；目前，對于步進式壓電電機，由于對放大倍數(shù)和驅(qū)動力矩的 要求較高，因此業(yè)內(nèi)還沒有這方面研制成功的報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種精度高、傳動力矩大的步進式壓電驅(qū)動 器，同時還提供該驅(qū)動器的驅(qū)動方法。
[0004] 本發(fā)明解決以上技術問題的技術方案： 一種步進式壓電驅(qū)動器，包括具有內(nèi)齒圈的剛輪、同軸布置于剛輪內(nèi)具有外齒圈的柔 輪和嵌置在柔輪中的壓電換能器，所述的定子組件由類似于諧波傳動的柔輪和位移放大器 形復合壓電換能器組成，位移放大器形復合壓電換能器鑲嵌于柔輪的內(nèi)槽中，其中的位移 放大器形復合壓電換能器為一個位移放大器和層疊式壓電陶瓷堆組成。所述的環(huán)形動子為 一定位于柔輪和套筒、軸承之間的帶齒剛輪；在柔輪上沿其徑向開有鏤空槽，在鏤空槽的外 端延伸出與柔輪外齒相對設置的位移放大結(jié)構(gòu)，位移放大結(jié)構(gòu)為中空對稱結(jié)構(gòu)，并且位移 放大結(jié)構(gòu)的對稱軸與其對應柔輪外齒的徑向線重疊；壓電換能器利用預壓力方式鑲嵌在與 位移放大結(jié)構(gòu)交叉處的鏤空槽中，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)：采用預壓力方式安裝壓電換能器，可顯著增 加輸出位移，同時減小遲滯度減??；該驅(qū)動器是通過同軸設置的位移放大結(jié)構(gòu)將壓電換能 器橫向應變放大，并將其累加到柔輪齒頂端的總變形上，使其具有更大的位移輸出，從而推 動剛輪齒轉(zhuǎn)動。
[0005] 本發(fā)明進一步限定的技術方案為： 進一步的，位移放大結(jié)構(gòu)主要由等腰三角形和矩形的第一鏤空槽和第二鏤空槽組合形 成，所述第一鏤空槽的頂角與柔輪外齒相對設置，三角形鏤空槽的底角度數(shù)S與放大倍數(shù) β之間的關系可由如下公式確定：

【權利要求】
1. 一種步進式壓電驅(qū)動器，包括具有內(nèi)齒圈的剛輪、同軸布置于剛輪內(nèi)具有外齒圈的 柔輪和嵌在柔輪中的壓電換能器，其特征在于：在所述柔輪上沿其徑向開有鏤空槽，在所述 鏤空槽的外端延伸出與柔輪外齒相對設置的位移放大結(jié)構(gòu)，所述位移放大結(jié)構(gòu)為中空對稱 結(jié)構(gòu)，并且所述位移放大結(jié)構(gòu)的對稱軸與其對應柔輪外齒的徑向線重疊；所述壓電換能器 經(jīng)過預壓力作用后嵌置在與位移放大結(jié)構(gòu)相連并關于中心點成扇形對稱的鏤空槽中。
2. 根據(jù)權利要求1所述的步進式壓電驅(qū)動器，其特征在于：所述位移放大結(jié)構(gòu)主要由 等腰三角形和矩形的第一鏤空槽和第二鏤空槽相連形成，所述第一鏤空槽的頂角與柔輪外 齒相對設置，所述三角形鏤空槽的底角度數(shù)S與放大倍數(shù)β之間的關系可由如下公式確 定：
其中Λ y為位移放大結(jié)構(gòu)徑向形變量，Λ X為位移放大器橫向形變量。
3. 根據(jù)權利要求2所述的步進式壓電驅(qū)動器，其特征在于：還包括底座、立在底座上的 套筒、周向固定在套筒中的軸向緩沖件，所述剛輪設在軸向緩沖件中與所述軸向緩沖件形 成轉(zhuǎn)動副，所述柔輪通過其芯部的預緊裝置緊固在所述底座上；所述柔輪具有壓電換能器 變形并通過位移放大結(jié)構(gòu)放大后帶動外齒圈發(fā)生形變，外齒圈的輪齒與剛輪內(nèi)齒圈輪齒相 互擠壓的第一狀態(tài)，以及外齒圈的齒輪恢復原狀后與剛輪內(nèi)齒圈輪齒相分離的第二狀態(tài)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的步進式壓電驅(qū)動器，其特征在于：所述預緊裝置包含定位銷 套、螺母、調(diào)整墊片、銷和定位銷，定位銷套穿過柔輪中心處嵌在底座內(nèi)，定位銷立于定 位銷套中，所述銷的一端穿過定位銷套外壁上開設的銷孔與定位銷相抵，所述銷的另一端 抵在壓電換能器的側(cè)端上。
5. -種步進式壓電驅(qū)動器的驅(qū)動實現(xiàn)方法，其特征在于：包括如下步驟： (1) 先給第一組層疊式壓電陶瓷堆輸入端輸入驅(qū)動信號；此時只有一組層疊式壓電陶 瓷堆由于驅(qū)動電壓處于高電平而產(chǎn)生橫向變形，這一橫向變形經(jīng)柔輪頂部的位移放大結(jié) 構(gòu)將其放大并轉(zhuǎn)化為柔輪的徑向形變并對相接觸的剛輪在嚙合面產(chǎn)生一定的擠壓作用， 同時在預緊系統(tǒng)所提供的一定預壓力作用下，可推動剛輪的齒沿二者接觸面的切平面繞其 中心軸擺動一個相應的方位； (2) 接著按步進脈沖序列給第一組層疊式壓電陶瓷堆任意一側(cè)的第二組層疊式壓電陶 瓷堆驅(qū)動信號因輸入端分別輸入驅(qū)動信號驅(qū)動電壓處于高電平時，此時另外組的層疊式壓 電陶瓷堆因驅(qū)動信號處于低電平，其陶瓷片不產(chǎn)生靜致變形，則此時只有第二組層疊式壓 電陶瓷堆正上方的柔輪的齒受其影響產(chǎn)生伸縮變形推動其接觸位置處的剛輪的齒沿二者 接觸面的切平面繞其中心軸擺動一個相應的方位； (3) 按順序?qū)盈B式壓電陶瓷堆均施加一次高電平信號，整個柔輪完成一個周期的形 變，同時在這個過程中，作為振子的剛輪也完成了一個圓周步進運動。
6. 根據(jù)權利要求7所述的步進式壓電驅(qū)動器的驅(qū)動實現(xiàn)方法，其特征在于：所述驅(qū)動 信號為E=-Vsinc〇t和E=-Vcosc〇t，式中：V為電壓值；ω為振子的工作模態(tài)頻率；t為時間。
【文檔編號】H02N2/14GK104218846SQ201410489412
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權日:2014年9月23日
【發(fā)明者】劉坤, 裴愛芳, 李向華, 任軍民, 杜良智趙, 倩 申請人:江蘇釜鼎能源科技有限公司