专利名称：应用光伏供电的二自由度惯性驱动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光伏发电及压电惯性驱动装置。
背景技术：
近年来由化石能源紧缺引起的能源危机逐渐开始影响人类的经济发展和社会生 活，这一趋势直接推动了可再生能源发电特别是太阳光伏发电技术的发展和进步。光伏发 电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。除了并网光伏 发电和离网光伏发电等规模化利用方式，各种远离电网的微小光伏能源(瓦级)产品(如 太阳能计算器、太阳能钟表、太阳能充电器等等)也层出不穷，应用领域不断拓宽。
与此同时，压电陶瓷材料与器件的制备技术越来越成熟，人们利用其逆压电效应 (电能々机械能:)即施加激励电场即可产生机械变形的特性，制作了各种各样的压电致动 器，如超声马达(Ultrasonic Motor)、尺蠖马达(Inchworm Motor)、惯性冲击马达(Impact DriveMechanism)等等，并广泛应用于各类精密仪器、微电子技术与生物医学工程等领域。 随着各种压电器件的功耗不断降低，如何实现在保证这些压电致动器精密运动的同时，能 够摆脱电网的局限达到自我供能，进一步促进其实用化，应当引起人们的思考。
目前，国内外关于微小光伏能源的研究与应用如火如荼，比如专利CN 200580022847. 9描述了将表盘与太阳能电池集成为一体的太阳能钟表，CN 1960117A提出 了一种包含光伏电池、锂离子电池、能量管理模块及无线传感器网络节点的自供电微系统， W02008073630-A2和W0 2008073630-A3提出了应用于驱动机器人的微弱光线时的能量采 集方法，关于太阳能充电器的专利更是不胜枚举。自从1980年代日本的樋口俊朗教授发明 了惯性冲击马达(又称惯性冲击式压电驱动机构)以来，由于结构简单和定位精度高的突 出优点，该致动器的研究和应用近几年发展迅速。比如，专利CN 1434563A设计了一种由压 电双晶片作为致动元件的多自由度精密驱动器，DE 102006052175-A1描述了与惯性冲击原 理相似的压电滞滑式驱动器(Stick-slip Actuator)，其中包括直线型和旋转型运动机构。
传统的惯性冲击马达由主体、压电堆叠元件和配重构成，压电元件一端连接主体， 另一端连接配重，主体部分与工作面接触，压电堆叠元件和配重形成类似悬臂梁的结构，与 工作面无接触，在激励信号作用下，压电元件产生形变，与配重一起带动主体在工作面上自 由移动。激励信号为具有一侧缓慢变化另一侧急剧变化的不对称电压信号，包括锯齿波和 类锯齿波。压电堆叠元件为由多片压电陶瓷片和金属电极相间排列、机械上串联，电气上并 联而成。驱动电源一般由直流电源、信号产生电路和功率放大电路组成，其中直流电源与三 相交流电源相连。图la描述了传统的惯性冲击驱动机构的结构，包括主体l、压电堆叠元件 2和配重3，压电堆叠元件一端与主体1相连接，另一端与配重3相连接，主体1与工作面4 相接触，当该机构中的压电堆叠元件2受到如图lb所示的锯齿信号驱动时，将在工作面4 上产生向右的连续位移。图lb为压电堆叠元件的激励信号-锯齿波形，纵轴为电压以V表 示，横轴为频率以F表示，0表示原点。 综观微小光伏能源及压电惯性冲击技术的发展现状，可以发现光伏能源尚未作为供电电源应用到压电致动器，而目前见诸报道的各类惯性冲击机构仍然采用传统的三相电 源供电，这种能源供应方式限縮了该致动器的使用范围，不利于其推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服目前压电致动器的工作范围受限于电源供应，而且驱动电 源体积普遍过大，不利于便携化和室外应用的缺点，提出一种采用光伏组件供电的二自由 度惯性驱动机构。该机构将光伏组件、驱动控制电路、负载、压电元件、配重集成为一体，在 太阳光照射下光伏组件吸收光能并转换为直流电，驱动控制电路将直流电转换为实现惯性 冲击运动的不对称电压信号，激励压电元件使整个机构产生连续位移。此外，本发明所提出 的驱动机构可实现平面内自由运动。 本发明提出的惯性驱动机构包括光伏电池组件、包含驱动控制电路的驱动盒、负 载、四个规格参数相同的压电堆叠元件、四个材质和规格相同的配重。光伏电池组件、驱动 盒和负载构成所述惯性驱动机构的主体，光伏电池组件位于主体的最上层，驱动盒位于主 体的中间层，负载位于最下层且与工作面平面接触。四个压电堆叠元件分别位于主体的左、 右、后、前，它们的一端均与主体相连接，另一端分别与四个配重相连接。 本发明设计了供电电源、驱动电路和负载集成为一体的形式。供电电源采用光伏 组件，致动元件为惯性冲击马达的压电堆叠元件，压电堆叠元件一端连接主体部分，另一端 连接配重。光伏组件的尺寸及功率大小可根据压电堆叠元件的驱动功率及整个驱动机构的 负载大小进行选择，构成光伏组件的光伏电池可以是单晶硅电池、多晶硅电池及薄膜电池 等。光伏组件产生的直流电经稳压以后供给驱动控制电路中的信号产生电路，产生不对称 波形，由下一级电路进行功率放大后直接驱动压电堆叠元件，功率放大电路的供电电源也 是光伏组件产生的直流电。另外，由于传统结构仅能实现单自由度运动，限制了惯性冲击马 达的运动范围，本发明采用四个压电堆叠元件作为致动元件，形成一种二自由度驱动机构，
该机构在激励信号作用下分别可以在x、y方向上产生连续位移。 本发明的优点在于所设计的压电惯性驱动机构将光伏电池组件、驱动控制电路和
负载组合为一体，充分利用太阳能无处不在、光伏发电效率高和压电器件功耗低的特点，吸 收环境能源实现自我供电，摆脱电网束缚，扩大作业范围和应用领域，便于集成化、便携化 和自动化。另外，与传统结构相比，本发明设计的结构具有两个自由度，可在平面内自由运 动。
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
图la为传统的惯性冲击驱动机构的结构示意图；
图lb为锯齿电压信号波形； 图2a为应用光伏供电的二自由度惯性驱动机构结构正视图，图中5太阳，6光线， 7光伏电池组件，8包含该机构驱动控制电路的驱动盒，9负载，21、22压电堆叠元件，31 、32、 34配重； 图2b为应用光伏供电的二自由度惯性驱动机构结构俯视图，图中23、24压电堆 叠元件；
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图3为驱动电路原理框图； 图4为8种不对称波形的示例图。
具体实施例方式
图2a为本发明应用光伏供电的二自由度压电惯性驱动机构的正视图。其中光伏 电池组件7、包含驱动控制电路的驱动盒8和负载9构成所述驱动机构的主体，光伏电池组 件7位于主体的最上层，驱动盒8位于中间层，负载9位于最下层且与工作面10平面接触。 压电堆叠元件21 、22的规格参数相同，配重31 、32、34的材质、规格相同。压电堆叠元件21 的一端与主体连接，另一端与配重31连接，位于主体部分左侧，与工作面10无接触。压电堆 叠元件22 —端也与主体连接，另一端与32连接，位于主体部分右侧，与工作面10无接触。
图2b为应用光伏供电的二自由度压电惯性驱动机构的俯视图，4个压电堆叠元件 21、22、23、24的规格参数相同，分别位于主体的左侧、右侧、后侧和前侧，4个压电堆叠元件 21、22、23、24的一端均与主体部分相连接，另一端分别与材质、规格相同的配重31、32、33、 34相连接。4个压电堆叠元件与4个配重分别组成4组驱动器，即第一压电堆叠元件21和 第一配重31为一组，第二压电堆叠元件22和第二配重32为一组，第三压电堆叠元件23和 第三配重33为一组，第四压电堆叠元件24和第四配重34为一组。当其中的一组或二组驱 动器受到形如图4所示的不对称信号驱动时，主体将可在x-y平面内自由移动。
图3为图2a中驱动盒8中的驱动控制电路的原理框图，驱动控制电路包括光伏电 池、稳压电路、储能电路、信号产生电路、功率放大电路。光伏电池组件7在光线6的照射下 产生直流电，经稳压电路处理后向信号产生电路供电，信号产生电路产生形如图4所示的 一侧缓慢变化另一侧急剧变化的不对称电压波形，经功率放大电路放大后便可形成驱动压 电堆叠元件工作的驱动信号。储能电路在光线强烈时储存光伏电池组件7产生的电能，在 光线微弱光伏电池组件7产生的电能不足以供应压电堆叠元件工作时，释放出所储存的电 能以使压电堆叠元件继续工作。 图4为几种典型的不对称波形的示例图。图4a-h均以电压V为纵轴，频率F为横 轴，0为原点。其中a、b、c、d为正向电压信号，在一个周期内具有先缓慢上升再急剧下降的 共同特点，a为标准锯齿信号，b为上升部分为上凸抛物线的类锯齿信号，c为峰顶削平的类 锯齿信号，d为上升部分是上凸抛物线且下降部分是下凸抛物线的类锯齿信号；而e、f、g、h 为分别对应于a、b、c、d的反向电压信号。当图2b中的压电堆叠元件22受到图4a-d中任 一种正向信号驱动，而压电堆叠元件21受到图4e-h中任一种反向信号驱动时，将在x方向 上运动；反之，如果压电堆叠元件21受到正向信号驱动而压电堆叠元件22受到反向信号驱 动时，将在-x方向上运动。相同的，如果压电堆叠元件23受到图4a-d中任一种正向信号 驱动，而压电堆叠元件24受到图4e-h中任一种反向信号驱动时，将在y方向上运动；反之， 如果压电堆叠元件24受到正向信号驱动而压电堆叠元件23受到反向信号驱动时，将在-y 方向上运动。 综上所述，可见本发明的优点在于所设计的压电惯性驱动机构不仅可以实现在平 面内的自由移动，而且不需外接三相电源，利用自身携带的光伏电池组件实现自我供给能 源，摆脱了电网限制，另外还可以集成化和便携化。 本发明可应用于野外通讯与情报收集、极端环境与特殊场合信息监测、建筑物(桥梁、楼宇等)和大型机械(飞行器、轮船等)的结构健康修复、智能武器装备、危险物品 排除等需要能源自治的领域。
权利要求
一种应用光伏供电的二自由度惯性驱动机构，其特征是所述惯性驱动机构包括光伏电池组件(7)，包含驱动控制电路的驱动盒(8)，负载(9)；第一、二、三、四四个规格参数相同的压电堆叠元件(21、22、23、24)，第一、二、三、四四个材质和规格相同的配重(31、32、33、34)；光伏电池组件(7)、驱动盒(8)和负载(9)构成所述惯性驱动机构的主体，光伏电池组件(7)位于主体的最上层，驱动盒(8)位于主体的中间层，负载(9)位于最下层且与工作面(10)平面接触；第一、二、三、四压电堆叠元件(21、22、23、24)分别位于主体的左、右、后、前，第一、二、三、四压电堆叠元件(21、22、23、24)一端均与主体相连接，第一、二、三、四压电堆叠元件(21、22、23、24)的另一端分别与第一、二、三、四配重(31、32、33、34)相连接。
2. 如权利要求1所述的应用光伏供电的二自由度惯性驱动机构，其特征是在太阳光 源(5)的照射下，光伏电池组件(7)吸收光线(6)后产生直流电，经所述的驱动控制电路处 理后，产生不对称波形，激励第一、二、三、四压电堆叠元件(21、22、23、24)，驱动由光伏电池 组件(7)、驱动盒(8)和负载(9)组成的主体产生连续位移。
3. 如权利要求1所述的应用光伏供电的二自由度惯性驱动机构，其特征是由第一压 电堆叠元件(21)和第一配重(31)，第二压电堆叠元件(22)和第二配重(32)，第三压电堆 叠元件(23)和第三配重(33)，第四压电堆叠元件(24)和第四配重(34)构成4组驱动器， 当这4组驱动器中的任意一组或两组受到不对称波形的激励时，可带动主体产生直线运动 或平面运动。
4. 如权利要求1所述的应用光伏供电的二自由度惯性驱动机构，其特征是所述的驱动盒(8)中的驱动控制电路只要产生具有不对称特征的电压信号，由所述的驱动控制电路 驱动所述的惯性驱动机构中的第一、二、三、四压电堆叠元件(21、22、23、24)，均可实现所述 的惯性驱动机构的运动。
全文摘要
应用光伏供电的二自由度惯性驱动机构，包括光伏组件(7)、包含驱动控制电路的驱动盒(8)、负载(9)、4个压电堆叠元件和4个配重。光伏组件(7)、驱动盒(8)和负载(9)集成为主体，与工作面(10)相接触，4个压电堆叠元件位于主体部分的前、后、左、右。4个压电堆叠元件一端与主体连接，另一端与4个配重连接。在太阳光线(6)的照射下光伏组件(7)产生直流电，供给驱动盒(8)中的驱动控制电路后产生不对称电压信号，激励压电堆叠元件，使本发明惯性驱动机构可在x-y平面内产生连续位移。
文档编号H02N6/00GK101719740SQ20091024355
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者姜楠, 许洪华, 赵斌 申请人:中国科学院电工研究所