压电粘滑旋转电机

1.本发明属于微纳米定位技术领域，涉及压电旋转驱动器，特别涉及一种压电粘滑旋转电机。


背景技术：

2.压电粘滑旋转电机是一种既能实现360
°
转角的大行程、又能实现微纳弧度级高分辨率的精密旋转位移驱动器。它基于压电执行器在锯齿波电压作用下的不对称振动所造成的动子与定子间动静摩擦力之差，将压电执行器的微小位移不断累加，从而成为连续的大行程位移。相对于电磁式旋转电机，压电粘滑旋转电机具有无磁场、易于控制、不存在端部效应及推力波动等优点；相对于超声谐振式、尺蠖驱动式等压电旋转电机，具有易于微小化、驱动控制简单、快速运动时可忽略压电执行器迟滞非线性的影响等优点。因此，在需要微型化、轻量化、无磁场的微纳操作技术领域，如mems组装、细胞操作等，压电粘滑旋转电机展现出独特优势。但目前的压电粘滑旋转电机还存在以下不足：1)电机体积大，结构复杂；2)定动子间的装配、调节过程复杂；3)难以实现超360
°
的旋转运动；4)电机转角位移回带大，转速及驱动力小。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供结构布局合理、定动子间装配及调节简单、能实现超360
°
的旋转运动、驱动力及转速大的压电粘滑旋转电机。
4.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：压电粘滑旋转电机，包括作为输出部件的动子，动子设有第一锥形坑和第二锥形坑，第一锥形坑和第二锥形坑的朝向相反并且同轴；第一锥形坑的外侧设有第一驱动机构，第二锥形坑的外侧设有第二驱动机构；第一驱动机构包括第一环形件，以及位于第一环形件内的第一转动件，还包括设置在第一环形件和第一转动件之间的第一压电驱动组和第一柔性连接件，第一转动件上设有插在第一锥形坑内的第一锥体；第二驱动机构包括第二环形件，以及位于第二环形件内的第二转动件，还包括设置在第二环形件和第二转动件之间的第二压电驱动组和第二柔性连接件，第二转动件上设有插在第二锥形坑内的第二锥体；第一压电驱动组和第二压电驱动组通电后的的输出方向相同。
5.第一压电驱动组带动第一转动件转动，第一转动件同步带动第一锥体转动，第一锥体通过与第一锥形坑之间的静摩擦力带动动子转动；第二压电驱动组带动第二转动件转动，第二转动件同步带动第二锥体转动，第二锥体通过与第二锥形坑之间的静摩擦力带动动子转动。
6.当动子需要持续转动时，给第一压电驱动组施加电压，电压强度从0缓慢升至峰值，第一锥体缓慢带动动子转动，等电压达到峰值后迅速降至0,第一锥体迅速复位，重复循环；第二压电驱动组所施加电压的波形与第一压电驱动组相同，不同之处在于第二压电驱动组施加电压的时刻是在第一压电驱动组的电压从0到峰值的过程中，这样使第一锥体在复位的时候，第二锥体依然带动动子转动，同样，在下一个周期内，第二锥体在复位的时候，第一锥体依然带动动子转动，最终在一个周期内动子正向旋转一定角度；重复上述步骤即可实现电机的连续旋转运动，并且继续转动的第二锥体能修正第一锥体复位时对动子的回退误差。
7.为优化上述技术方案，采取的措施还包括：作为本发明的进一步优化，第一环形件设有第一基座，第二环形件设有第二基座，第一基座和第二基座共同放置在底座上；第一基座上设有通向底座的槽形孔，第二基座上设有通向底座的沉孔，槽形孔内装有第一紧固螺钉，沉孔内装有第二紧固螺钉。松开第一紧固螺钉，第一基座就能在底座上移动，从而调节第一锥体与第一锥形坑之间的距离，以及调节第二锥体与第二锥形坑之间的距离。
8.作为本发明的进一步优化，第一锥形坑和第二锥形坑之间设有第一贯通孔，第一锥体设有电机轴，第一贯通孔间隙套设在电机轴外部；第二锥体和第二转动件设有供电机轴转动的第二贯通孔。电机轴一方面能保证第一锥体和第二锥体的同轴度，另一方面便于装置安装时动子的准确定位。
9.作为本发明的进一步优化，电机轴的末端设有螺纹段，并配有预紧螺母，预紧螺母和第二环形件之间顺次设有轴承和垫圈，轴承套在电机轴上。旋紧预紧螺母能够推动轴承向第一驱动机构方向移动，从而缩小第一驱动机构和第二驱动机构之间的距离，最终增大第一锥体和第一锥形坑之间，以及第二锥体和第二锥形坑之间的摩擦力。
10.作为本发明的进一步优化，垫圈顶在轴承的外圈，预紧螺母顶在轴承的内圈，这样预紧螺母能够和电机轴一同转动。
11.作为本发明的进一步优化，第一压电驱动组包括顺次顶配的第一预紧垫片、第一压电执行器和第一半球头，第一环形件设有用于安放第一预紧垫片的第一台阶部，第一转动件设有供第一半球头顶住的第二台阶部；当第一压电执行器通电伸长，能通过第一半球头推动第一转动件转动，第一半球头能避免第一压电执行器受到侧方压力造成损坏。
12.第二压电驱动组包括顺次顶配的第二预紧垫片、第二压电执行器和第二半球头，第二环形件设有用于安放第二预紧垫片的第三台阶部，第二转动件设有供第二半球头顶住的第四台阶部；当第二压电执行器通电伸长，能通过第二半球头推动第二转动件转动，第二半球头能避免第二压电执行器受到侧方压力造成损坏。
13.第一压电执行器和第二压电执行器倾斜设置，并且在同一投影上倾斜方向和角度相同，这样在第一压电执行器和第二压电执行器顺次通电后能将动子按照相同的转向转动。
14.作为本发明的进一步优化，第一环形件上设有顶在第一预紧垫片上的第一预紧螺钉，第二环形件上设有顶在第二预紧垫片上的第二预紧螺钉。
15.作为本发明的进一步优化，第一柔性连接件包括位于第一环形件上的第一周向柔性铰链，以及连接第一周向柔性铰链和第一转动件的第一径向柔性铰链，第一环形件上设
有容纳第一周向柔性铰链的第一缓冲槽；第一周向柔性铰链是沿着第一环形件周向架设在第一缓冲槽上的，第一径向柔性铰链连接第一转动件和第一周向柔性铰链的中段，使第一径向柔性铰链和第一周向柔性铰链呈现t字形。第一柔性连接件的t字形结构的优点有：第一周向柔性铰链能缓冲第一径向柔性铰链的径向牵拉冲击，而第一径向柔性铰链能帮助第一转动件旋转复位。
16.第二柔性连接件包括位于第二环形件上的第二周向柔性铰链，以及连接第二周向柔性铰链和第二转动件的第二径向柔性铰链，第二环形件上设有容纳第二周向柔性铰链的第二缓冲槽。第二周向柔性铰链是沿着第二环形件周向架设在第二缓冲槽上的，第二径向柔性铰链连接第二转动件和第二周向柔性铰链的中段，使第二径向柔性铰链和第二周向柔性铰链呈现t字形。第二柔性连接件的t字形结构的优点有：第二周向柔性铰链能缓冲第二径向柔性铰链的径向牵拉冲击，而第二径向柔性铰链能帮助第二转动件旋转复位。
17.作为本发明的进一步优化，第一转动件设有供第一径向柔性铰链深入的第三缓冲槽，第二转动件设有供第二径向柔性铰链深入的第四缓冲槽。第一径向柔性铰链的一端连接在第一周向柔性铰链的中段，另一端连接在第三缓冲槽的底部，第二径向柔性铰链的一端连接在第二周向柔性铰链的中段，另一端连接在第四缓冲槽的底部。相比连接在第一转动件的外侧，第一径向柔性铰链更靠近第一转动件的中心，第一径向柔性铰链能更长，第一转动件转动的角度更大，同理，第二转动件转动的角度更大。
18.作为本发明的进一步优化，第二环形件设有容纳垫圈和轴承的安置孔。
19.总之，与现有技术相比，本发明的压电粘滑旋转电机具有如下优点：1)电机体积小，结构简单紧凑；2)电机能通过简单调节来改变定动子间的摩擦力；3)电机能实现超过360
°
的旋转运动；4)电机采用双驱动方式，不仅能减小转角回带位移，而且能提高电机转速，增大驱动力。
附图说明
20.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明立体结构示意图；图3是图1的内部结构示意图；图4是图2的内部结构示意图；图5是图3的分解示意图；图6是图1中左侧视角的第一驱动机构的结构示意图；图7是图6的分解示意图；图8是和图6相同视角的第一驱动机构的结构示意图；图9是图8的分解示意图；图10是本发明第一压电执行器和第二压电执行器的驱动波形图。
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
22.图1至图9为本发明的结构示意图。
23.其中的附图标记为：第一驱动机构1、第一环形件11、第一台阶部111、第一缓冲槽112、第一转动件12、第二台阶部121、第三缓冲槽122、第一柔性连接件13、第一径向柔性铰链131、第一周向柔性铰链132、第一压电驱动组14、第一预紧垫片141、第一压电执行器142、第一半球头143、第一预紧螺钉15、第一锥体16、电机轴17、螺纹段171、第一基座18、槽形孔181、第二驱动机构2、第二环形件21、第三台阶部211、第二缓冲槽212、第二转动件22、第四台阶部221、第四缓冲槽222、第二柔性连接件23、第二径向柔性铰链231、第二周向柔性铰链232、第二压电驱动组24、第二预紧垫片241、第二压电执行器242、第二半球头243、第二预紧螺钉25、第二锥体26、第二贯通孔27、第二基座28、沉孔281、安置孔29、动子3、第一锥形坑31、第二锥形坑32、第一贯通孔33、第一紧固螺钉4、第二紧固螺钉5、垫圈6、轴承7、预紧螺母8、底座9。
24.图1至图9为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的压电粘滑旋转电机，包括作为输出部件的动子3，动子3设有第一锥形坑31和第二锥形坑32，第一锥形坑31和第二锥形坑32的朝向相反并且同轴；第一锥形坑31的外侧设有第一驱动机构1，第二锥形坑32的外侧设有第二驱动机构2；第一驱动机构1包括第一环形件11，以及位于第一环形件11内的第一转动件12，还包括设置在第一环形件11和第一转动件12之间的第一压电驱动组14和第一柔性连接件13，第一转动件12上设有插在第一锥形坑31内的第一锥体16；第二驱动机构2包括第二环形件21，以及位于第二环形件21内的第二转动件22，还包括设置在第二环形件21和第二转动件22之间的第二压电驱动组24和第二柔性连接件23，第二转动件22上设有插在第二锥形坑32内的第二锥体26；第一压电驱动组14和第二压电驱动组24通电后的的输出方向相同。
25.第一压电驱动组14带动第一转动件12转动，第一转动件12同步带动第一锥体16转动，第一锥体16通过与第一锥形坑31之间的静摩擦力带动动子3转动；第二压电驱动组24带动第二转动件22转动，第二转动件22同步带动第二锥体26转动，第二锥体26通过与第二锥形坑32之间的静摩擦力带动动子3转动。
26.实施例中，如图1至图5所示，第一环形件11设有第一基座18，第二环形件21设有第二基座28，第一基座18和第二基座28共同放置在底座9上；第一基座18上设有通向底座9的槽形孔181，第二基座28上设有通向底座9的沉孔281，槽形孔181内装有第一紧固螺钉4，沉孔281内装有第二紧固螺钉5。松开第一紧固螺钉4，第一基座18就能在底座9上移动，从而调节第一锥体16与第一锥形坑31之间的距离，以及调节第二锥体26与第二锥形坑32之间的距离。
27.实施例中，如图5所示，第一锥形坑31和第二锥形坑32之间设有第一贯通孔33，第一锥体16设有电机轴17，第一贯通孔33间隙套设在电机轴17外部；第二锥体26和第二转动件22设有供电机轴17转动的第二贯通孔27。电机轴17一方面能保证第一锥体16和第二锥体26的同轴度，另一方面便于装置安装时动子3的准确定位。
28.实施例中，如图5所示，电机轴17的末端设有螺纹段171，并配有预紧螺母8，预紧螺母8和第二环形件21之间顺次设有轴承7和垫圈6，轴承7套在电机轴17上。旋紧预紧螺母8能够推动轴承7向第一驱动机构1方向移动，从而缩小第一驱动机构1和第二驱动机构2之间的
距离，最终增大第一锥体16和第一锥形坑31之间，以及第二锥体26和第二锥形坑32之间的摩擦力。
29.实施例中，如图3所示，垫圈6顶在轴承7的外圈，预紧螺母8顶在轴承7的内圈，这样预紧螺母8能够和电机轴17一同转动。
30.实施例中，如图6和图7所示，第一压电驱动组14包括顺次顶配的第一预紧垫片141、第一压电执行器142和第一半球头143，第一环形件11设有用于安放第一预紧垫片141的第一台阶部111，第一转动件12设有供第一半球头143顶住的第二台阶部121；当第一压电执行器142通电伸长，能通过第一半球头143推动第一转动件12转动，第一半球头143能避免第一压电执行器142受到侧方压力造成损坏。
31.如图8和图9所示，第二压电驱动组24包括顺次顶配的第二预紧垫片241、第二压电执行器242和第二半球头243，第二环形件21设有用于安放第二预紧垫片241的第三台阶部211，第二转动件22设有供第二半球头243顶住的第四台阶部221；当第二压电执行器242通电伸长，能通过第二半球头243推动第二转动件22转动，第二半球头243能避免第二压电执行器242受到侧方压力造成损坏。
32.第一压电执行器142和第二压电执行器242倾斜设置，并且在同一投影上倾斜方向和角度相同，这样在第一压电执行器142和第二压电执行器242顺次通电后能将动子3按照相同的转向转动。
33.实施例中，如图6和图7所示，第一环形件11上设有顶在第一预紧垫片141上的第一预紧螺钉15，如图8和图9所示，第二环形件21上设有顶在第二预紧垫片241上的第二预紧螺钉25。
34.实施例中，如图6和图7所示，第一柔性连接件13包括位于第一环形件11上的第一周向柔性铰链132，以及连接第一周向柔性铰链132和第一转动件12的第一径向柔性铰链131，第一环形件11上设有容纳第一周向柔性铰链132的第一缓冲槽112；第一周向柔性铰链132是沿着第一环形件11周向架设在第一缓冲槽112上的，第一径向柔性铰链131连接第一转动件12和第一周向柔性铰链132的中段，使第一径向柔性铰链131和第一周向柔性铰链132呈现t字形。第一柔性连接件13的t字形结构的优点有：第一周向柔性铰链132能缓冲第一径向柔性铰链131的径向牵拉冲击，而第一径向柔性铰链131能帮助第一转动件12旋转复位。
35.如图8和图9所示，第二柔性连接件23包括位于第二环形件21上的第二周向柔性铰链232，以及连接第二周向柔性铰链232和第二转动件22的第二径向柔性铰链231，第二环形件21上设有容纳第二周向柔性铰链232的第二缓冲槽212。第二周向柔性铰链232是沿着第二环形件21周向架设在第二缓冲槽212上的，第二径向柔性铰链231连接第二转动件22和第二周向柔性铰链232的中段，使第二径向柔性铰链231和第二周向柔性铰链232呈现t字形。第二柔性连接件23的t字形结构的优点有：第二周向柔性铰链232能缓冲第二径向柔性铰链231的径向牵拉冲击，而第二径向柔性铰链231能帮助第二转动件22旋转复位。
36.实施例中，如图6和图7所示，第一转动件12设有供第一径向柔性铰链131深入的第三缓冲槽122，如图8和图9所示，第二转动件22设有供第二径向柔性铰链231深入的第四缓冲槽222。第一径向柔性铰链131的一端连接在第一周向柔性铰链132的中段，另一端连接在第三缓冲槽122的底部，第二径向柔性铰链231的一端连接在第二周向柔性铰链232的中段，
另一端连接在第四缓冲槽222的底部。相比连接在第一转动件12的外侧，第一径向柔性铰链131更靠近第一转动件12的中心，第一径向柔性铰链131能更长，第一转动件12转动的角度更大，同理，第二转动件22转动的角度更大。
37.实施例中，如图5所示，第二环形件21设有容纳垫圈6和轴承7的安置孔29。
38.设从第一压电驱动组14望向第二压电驱动组24时，动子3顺时针转动为正转，则本发明工作原理如下：如图10所示，施加在第一压电执行器142上的电压呈现锯齿状波形，在t10时刻给第一压电执行器142缓慢施加电压，在t11时刻第一压电执行器142断电快速回缩，使得第一驱动机构1复位，复位完成的t12时刻又重复循环；而施加在第二压电执行器242上的电压波形与第一压电执行器142相同，不同之处在于第二压电执行器242施加电压的时间是在第一压电执行器142升压的过程中。最终在一个周期内动子3正向旋转一定角度；重复上述步骤即能实现动子的连续旋转运动。如果需要反转，则快速施加电压，缓慢降压。
39.本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。