专利名称：微小型微步距角压电型旋转驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电型旋转驱动器，尤其涉及一种基于惯性-摩擦原理的微小型微步距角压电型旋转驱动器，可实现微步距角、输出角位移可控、双向旋转驱动，属于机电技术领域。
关于旋转驱动目前应用最多的是旋转电动机，从旋转电动机驱动原理来看，很难同时兼顾精密微步距、驱动大角位移的要求。
压电驱动器由于其响应频率高、功重比高、耗能少、发热小、可微型化的优点被应用于精密驱动和控制中，该驱动器的不足之处是行程太小；形状记忆合金驱动器功重比高、驱动位移大，但是耗能大、响应频率低。因而，利用压电驱动器及先进的机构组合构成新型驱动器是当前微型、精密驱动的研究重点之一。
发明专利“微机电旋转结构”(公开号CN1300345A)提出了一种用于响应热的旋转驱动机构，该机构至少有两个轮毂轮辐部件响应温度变化，以实现对轮毂施加旋转力。因此，机构的运动依赖于温度的变化，响应时间慢，难以实现精确的角位移控制。发明专利“压电—电流变旋转步进马达”(申请号92105232)提出一种新型结构的旋转步进马达。该马达的复杂结构，难以实现小型化和精密控制。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中，基于惯性-摩擦原理设计了微小型微步距角压电型旋转驱动器，主要由压电器件、摩擦体、转子、输出轴、机架、调节装置和控制器组成。各部件的连接方式为压电器件一端固定在机架上，另一端与摩擦体相连。转子置于摩擦体上，其上固连输出轴。通过调节装置对转子施加一定的预紧力。调节装置包括螺柱、螺母、垫圈和弹簧，其作用是调节预紧力、定位转子。压电器件由控制器供能、控制。驱动器的运动原理如下压电器件带动摩擦体在控制器输出的不同控制信号的控制下，实现周期性的突然伸张-缓慢收缩运动或突然收缩-缓慢伸张运动，转子既要保持其惯性，又受到摩擦体给予的摩擦力的作用，因此就有累积的顺时针或逆时针的旋转运动，输出轴也就实现各个方向的转动。
本发明的结构简单，易于小型化，控制方便，输出精确。
如
图1所示，本发明机构主要包括压电器件1、机架2、支撑球3和16、螺柱4和15、弹簧5和13、垫圈6和12、调节螺母7和11、紧定螺母8和10、输出轴9、止推挡板14、转子17、摩擦体18、压电器件控制器19。
图2为本发明压电器件驱动信号波形图。
其中，图2(a)、图2(b)分别为压电器件正、反向驱动时的信号波形。信号是典型的周期性锯齿波，即在每一个信号周期里，信号突然升高，然后缓慢下降，或者缓慢升高，然后突然下降。这样才能控制压电器件收缩的速度，从而实现对转子、输出轴的控制。
本发明的结构如图1所示，主要由压电器件1、摩擦体18、转子17、输出轴9、机架2、调节装置和控制器19组成。各部件的连接方式为压电器件1一侧固定在机架2上，另一侧与摩擦体18相连。转子17置于摩擦体18上，其上固连输出轴9，固定在机架2上方的调节装置从两侧对转子17施加一定的预紧力。调节装置采用螺柱螺母紧定结构，螺柱4和15固定在机架2上并由紧定螺母8和10锁紧，调节螺母7和11通过垫圈6和12、弹簧5和13压紧止推挡板14，止推挡板14可以沿螺柱4和15滑动。止推挡板14上的弧形曲面轨道约束了支撑球3和16，并通过支撑球3和16压紧转子，将由弹簧5和13产生的预紧力作用于转子17。调节螺母7和11的作用是调节弹簧的伸缩量，从而达到调节预紧力，定位转子的目的。压电器件1与控制器19相连，由控制器19供能、控制。
本发明通过不同的驱动信号来实现驱动器输出轴的双向旋转运动。具体工作原理如下
控制器19输出图2(a)所示的波形时(1)系统处于初始状态；(2)在0时刻，控制器19电压突然达到峰值，峰值大小视压电材料和控制器输出的不同而有不同的值；压电器件1带动摩擦体18在瞬间突然伸张，摩擦体18上的转子17及输出轴9由于惯性，在此微小的时间段内保持不动，摩擦体18相对于转子17有一微小切向线位移；(3)在0时刻之后，控制器19电压缓慢下降到0，压电器件1带动摩擦体18慢慢收缩；由于静摩擦力的作用，转子17及输出轴9被摩擦体17带动顺时针旋转一微小角位移；(4)重复(2)～(3)的控制过程，转子17带动输出轴9顺时针连续转动。若改变控制信号的频率，就可以控制输出轴的转速。
控制器19输出图2(b)所示的波形时(1)系统处于初始状态；(2)从0时刻开始的一个波形周期里，控制器19输出电压缓慢升高到峰值，峰值大小视压电材料和控制器输出的不同而有不同的值；压电器件1带动摩擦体18缓慢伸张，由于静摩擦力的作用，转子17及输出轴9被摩擦体18带动逆时针旋转一微小角位移；(3)控制器19输出电压突然从峰值降到0，压电器件1带动摩擦体18突然回缩，摩擦体18上的转子17及输出轴9由于惯性，在此微小的时间段内保持不动；(4)重复(2)～(3)的控制过程，转子17带动输出轴9逆时针连续转动。若改变控制信号的频率，就可以控制输出轴的转速。
权利要求
1.一种微小型微步距角压电型旋转驱动器，其特征在于主要由压电器件(1)、摩擦体(18)、转子(17)、输出轴(9)、机架(2)、调节装置和控制器(19)组成，固定在机架(2)上的压电器件(1)与摩擦体(18)固定连接，转子(17)置于摩擦体(18)上，其上固连输出轴(9)，固定在机架(2)上方的调节装置从两侧对转子(17)施加预紧力，压电器件(1)与控制器(19)相连。
2.如权利要求1所说的微小型微步距角压电型旋转驱动器，其特征在于调节装置中，螺柱(4、15)固定在机架(2)上并由紧定螺母(8、10)锁紧，调节螺母(7、11)通过垫圈(6、12)、弹簧(5、13)压紧可以沿螺柱(4、15)滑动的止推挡板(14)，止推挡板(14)通过受其弧形曲面轨道约束的支撑球(3、16)压紧转子(17)。
3.如权利要求1所说的微小型微步距角压电型旋转驱动器，其特征在于控制器(19)的控制信号为周期性锯齿波。
全文摘要
一种微小型微步距角压电型旋转驱动器，基于惯性－摩擦原理设计，固定在机架上的压电器件与摩擦体相连，转子置于摩擦体上，其上固连输出轴，通过调节装置对转子定位，调节预紧力，压电器件由控制器供能、控制。压电器件带动摩擦体在控制器不同信号的控制下，实现周期性的突然伸张－缓慢收缩运动或突然收缩－缓慢伸张运动，转子既要保持其惯性，又受到摩擦体给予的摩擦力作用，因此有累积的顺时针或逆时针的旋转运动，通过输出轴实现各个方向的转动。本发明的结构简单，易于小型化，控制方便，输出精确。
文档编号H02N2/14GK1404211SQ0213717
公开日2003年3月19日 申请日期2002年9月26日 优先权日2002年9月26日
发明者颜国正, 迟冬祥, 丁国清, 颜德田 申请人:上海交通大学