CN103904937B - 基于三个压电堆的旋转式驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于三个压电堆的旋转式驱动装置及方法，该装置包括定子，外圈固定于定子内孔中的精密轴承，输出轴一端固定于精密轴承内圈，另一端固定于连接环，连接环两侧分别通过柔性铰链连接有第一箝位机构和第二箝位机构，第一箝位机构内部安装有第一压电陶瓷驱动器，第二箝位机构内部安装有第二压电陶瓷驱动器，连接环、第一箝位机构和第二箝位机构共同组成偏转结构，在偏转结构上固定有驱动机构，在驱动机构内部安装有第三压电陶瓷驱动器，驱动机构为非对称结构；本发明还提供该驱动装置实现旋转步进的方法；将压电陶瓷驱动器输出的直线位移转变为角位移，并通过多个压电陶瓷驱动器的协调步进实现大行程的角位移输出，并且同时具备结构紧凑，体积小，重量轻的特点。

Description

基于三个压电堆的旋转式驱动装置及方法

技术领域

本发明属于压电陶瓷驱动装置，具体涉及基于三个压电堆的旋转式驱动装置及方法。

背景技术

近年来随着微纳米技术的迅猛发展，压电驱动装置在光学、电子、航空、航天、机械制造、医学及遗传工程等技术领域取得广泛应用。尤其是在航天领域，迫切需要一种体积小，质量轻，驱动力大，分辨力高的驱动装置。压电陶瓷驱动器虽然具有体积小，位移输出分辨力高，易于控制，无杂散磁场等特点，但是由于其位移输出行程较小且只能输出直线位移因此应用范围被大大减小。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于三个压电堆的旋转式驱动装置及方法，将压电陶瓷驱动器输出的直线位移转变为角位移，并通过多个压电陶瓷驱动器的协调步进实现大行程的角位移输出，并且同时具备结构紧凑，体积小，重量轻的特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于三个压电堆的旋转式驱动装置，包括定子，外圈固定于定子内孔中的精密轴承，输出轴一端固定于精密轴承内圈，另一端固定于连接环，连接环两侧分别通过柔性铰链连接有第一箝位机构和第二箝位机构，在第一箝位机构内部安装有第一压电陶瓷驱动器，在第二箝位机构内部安装有第二压电陶瓷驱动器，所述连接环、第一箝位机构和第二箝位机构共同组成偏转结构，在偏转结构上固定有驱动机构，在驱动机构内部安装有第三压电陶瓷驱动器，所述驱动机构为非对称结构。

上述所述驱动装置实现旋转步进的方法：初始状态：第一压电陶瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器和第三压电陶瓷驱动器均不带电，第一箝位机构和第二箝位机构与定子相接触，靠摩擦力进行箝位，系统处于锁止状态；旋转步进时分为三步：第一步，第二压电陶瓷驱动器通电，由于逆压电效应，第二压电陶瓷驱动器伸长，第二箝位机构沿定子径向方向长度减小，不再箝位，同时第一箝位机构继续保持箝位状态；第二步，第三压电陶瓷驱动器通电，由于逆压电效应，第三压电陶瓷驱动器伸长，导致驱动机构沿定子径向方向缩短。由于驱动机构固定于偏转结构上，且驱动机构为非对称结构，因此驱动机构将带动偏转结构发生弯曲；第三步，第一压电陶瓷驱动器通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器伸长，第一箝位机构沿定子径向方向长度减小，不再箝位，此时偏转机构受弹性回复力影响解除弯曲状态，第一箝位机构随偏转结构的回复而步进一定角度；重复上述三步，系统实现旋转步进。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

由于初始状态下第一压电陶瓷驱动器、第二压电陶瓷驱动器和第三压电陶瓷驱动器均不带电，第一箝位机构和第二箝位机构与定子相接触，靠摩擦力进行箝位，系统处于锁止状态，因此该旋转步进式压电陶瓷驱动装置具有断电后位置锁止的功能。同时该压电陶瓷驱动装置由于采用压电陶瓷作为驱动器，因此具有较高的输出精度。并且由于结构简单，体积小，降低了结构的复杂性及尺寸，因此工作稳定可靠，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明驱动装置的结构爆炸示意图。

图2为本发明偏转结构的示意图。

图3为本发明驱动机构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于三压电陶瓷的旋转步进式压电陶瓷驱动装置，包括定子1，外圈固定于定子1内孔中的精密轴承2，输出轴3一端固定于精密轴承2内圈，另一端固定于连接环4，连接环4两侧分别通过柔性铰链连接有第一箝位机构5和第二箝位机构6，在第一箝位机构5内部安装有第一压电陶瓷驱动器7，在第二箝位机构6内部安装有第二压电陶瓷驱动器8，所述连接环4、第一箝位机构5和第二箝位机构6共同组成偏转结构9，在偏转结构9上固定有驱动机构11，在驱动机构11内部安装有第三压电陶瓷驱动器10，所述驱动机构11为非对称结构。驱动机构11一端通过第一螺栓12和第二螺栓13固定在偏转结构9的第二箝位机构6上，另一端通过第三螺栓14和第四螺栓15固定在偏转结构9的第一箝位机构5上。

如图2所示，偏转结构9包括连接环4，通过柔性铰链固定于连接环4一端的第一箝位机构5，通过柔性铰链固定于连接环4另一端的第二箝位机构6，安装于第一箝位机构5内部的第一压电陶瓷驱动器7，安装于第二箝位机构6内部的第二压电陶瓷驱动器8。

如图3所示，第三压电陶瓷驱动器10安装于驱动机构11内部，驱动机构11为非对称结构。第三压电陶瓷驱动器10通电，由于逆压电效应，第三压电陶瓷驱动器10伸长，导致驱动机构11沿定子径向方向缩短。由于驱动机构11固定于偏转结构9上，且驱动机构11为非对称结构，因此驱动机构11将带动偏转机构9发生弯曲。

本发明实现旋转步进的过程为：初始状态：第一压电陶瓷驱动器7、第二压电陶瓷驱动器8和第三压电陶瓷驱动器10均不带电，第一箝位机构5和第二箝位机构6与定子1相接触，靠摩擦力进行箝位，系统处于锁止状态。旋转步进时分为三步。第一步：第二压电陶瓷驱动器8通电，由于逆压电效应，第二压电陶瓷驱动器8伸长，第二箝位机构6沿定子径向方向长度减小，不再箝位，同时第一箝位机构5继续保持箝位状态；第二步，第三压电陶瓷驱动器10通电，由于逆压电效应，第三压电陶瓷驱动器10伸长，导致驱动机构11沿定子径向方向缩短。由于驱动机构11固定于偏转结构9上，且驱动机构11为非对称结构，因此驱动机构将带动偏转结构9发生弯曲。第三步，第一压电陶瓷驱动器7通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器7伸长，第一箝位机构5沿定子径向方向长度减小，不再箝位。此时偏转机构9受弹性回复力影响解除弯曲状态，第一箝位机构5随偏转结构9的回复而步进一定角度。重复上述三步，系统实现旋转步进。

本发明整个装置按照严格的时序逻辑进行，改变时序可以改变旋转方向，并且可以实现大行程运动，旋转运动输出等功能。

Claims (1)

1.基于三个压电堆的旋转式驱动装置实现旋转步进的方法：所述旋转式驱动装置包括定子(1)，外圈固定于定子(1)内孔中的精密轴承(2)，输出轴(3)一端固定于精密轴承(2)内圈，另一端固定于连接环(4)，连接环(4)两侧分别通过柔性铰链连接有第一箝位机构(5)和第二箝位机构(6)，在第一箝位机构(5)内部安装有第一压电陶瓷驱动器(7)，在第二箝位机构(6)内部安装有第二压电陶瓷驱动器(8)，所述连接环(4)、第一箝位机构(5)和第二箝位机构(6)共同组成偏转结构(9)，在偏转结构(9)上固定有驱动机构(11)，在驱动机构(11)内部安装有第三压电陶瓷驱动器(10)，所述驱动机构(11)为非对称结构；其特征在于：所述方法如下：初始状态：第一压电陶瓷驱动器(7)、第二压电陶瓷驱动器(8)和第三压电陶瓷驱动器(10)均不带电，第一箝位机构(5)和第二箝位机构(6)与定子(1)相接触，靠摩擦力进行箝位，系统处于锁止状态；旋转步进时分为三步：第一步，第二压电陶瓷驱动器(8)通电，由于逆压电效应，第二压电陶瓷驱动器(8)伸长，第二箝位机构(6)沿定子径向方向长度减小，不再箝位，同时第一箝位机构(5)继续保持箝位状态；第二步，第三压电陶瓷驱动器(10)通电，由于逆压电效应，第三压电陶瓷驱动器(10)伸长，导致驱动机构(11)沿定子径向方向缩短；由于驱动机构(11)固定于偏转结构(9)上，且驱动机构(11)为非对称结构，因此驱动机构将带动偏转结构(9)发生弯曲；第三步，第一压电陶瓷驱动器(7)通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器(7)伸长，第一箝位机构(5)沿定子径向方向长度减小，不再箝位；此时偏转机构(9)受弹性回复力影响解除弯曲状态，第一箝位机构(5)随偏转结构(9)的回复而步进一定角度；重复上述三步，系统实现旋转步进。