一种剪切型惯性压电旋转作动器及作动方法

摘要

本发明公开了一种剪切型惯性压电旋转作动器及作动方法，该作动器由质量块，剪切型压电块，旋转盘，精密轴承以及底座组成；质量块粘贴于剪切型压电块上方；剪切型压电块底部粘贴于旋转盘的固定凹槽中；旋转盘中部轴通过过盈配合固定于精密轴承中；精密轴承固定于底座中心的圆形槽内；通过对剪切型压电块输入锯齿波形驱动电压，使剪切型压电块产生周期性快速剪切变形以及相对缓慢的复位，从而产生惯性冲击力带动旋转盘转动，实现步进式转角输出；本发明结构紧凑，体积小，重量轻，非摩擦驱动(惯性力驱动)，无需预紧，位移输出大且稳定，利用单个压电块即可实现双向旋转。

说明书

技术领域

本发明涉及压电作动器领域，具体涉及一种剪切型惯性压电旋转作动器及作动方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的迅猛发展，驱动技术也在不断推陈出新，从传统的驱动机构到精密驱动器，各种各样的驱动技术不断涌现。而在微纳加工，精密光学，航空航天，生物医学等领域，微纳精密驱动已成为其重要的支撑技术之一。传统的驱动技术虽然有行程大，承载力高等优点，但由于其结构尺寸大，精度低等问题，已经难以满足这些前沿领域的技术需求。

压电陶瓷材料具有响应速度快，分辨率高，无电磁干扰等优点，因此利用压电陶瓷进行压电驱动器的研究近年来已经成为热点。其中，压电惯性式驱动器具有高精度，大行程，运动速度快，响应频率高，结构简单，易于实现等优点，因此，被广泛应用于航空航天，生物医学，微机电系统等领域。

但是，由于目前的惯性压电驱动器大部分是基于摩擦力驱动，在高频响应下，机构磨损严重，极大降低了驱动器的使用寿命，且需要增加预紧机构，从而使驱动器结构更为复杂，提高了加工难度，影响稳定性。

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剪切型惯性压电旋转作动器及作动方法，通过对剪切型压电块输入锯齿波形驱动电压，使剪切型压电块产生周期性快速剪切变形以及相对缓慢的复位，从而产生惯性冲击力带动旋转盘转动；此作动器结构紧凑，体积小，重量轻，非摩擦驱动(惯性力驱动)，无需预紧，位移输出大且稳定，利用单个压电块即可实现双向旋转。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种剪切型惯性压电旋转作动器，包括底座1，底座1中心的圆形槽内固定有精密轴承2，精密轴承2与旋转盘3下部中心的轴连接，旋转盘3边缘的凹槽内粘接有剪切型压电块4，剪切型压电块4顶部粘接质量块5；所述的剪切型压电块4中输入正电压时，将产生沿顺时针切向方向的剪切变形；剪切型压电块4中输入负电压时，将产生沿逆时针切向方向的剪切变形。

所述精密轴承2通过过盈配合固定于底座1中，所述旋转盘3下部中心轴通过过盈配合固定于精密轴承2中。

所述剪切型压电块4底部采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶粘接在旋转盘3边缘的凹槽内；所述质量块5采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶粘接在剪切型压电块4顶部。

所述的一种剪切型惯性压电旋转作动器的作动方法：未通电时，剪切型压电块4处于竖直状态；为使旋转盘3顺时针旋转，第一步，对剪切型压电块4输入迅速增长的负电压，此时剪切型压电块4产生沿逆时针方向切向的位移，使旋转盘3受到沿顺时针方向切向的惯性冲击，此时旋转盘3顺时针旋转一个微小角度θ₁；第二步，缓慢减小剪切型压电块4中的负电压，直至为零断电，在此过程中，剪切型压电块4带动质量块5沿顺时针切向运动，此时旋转盘3所受驱动力小于精密轴承2转子与定子间的摩擦力，旋转盘3保持不动，断电时剪切型压电块4形变停止，质量块5由于惯性仍保持一定速度，此时质量块5对旋转盘3产生大于摩擦力的惯性冲击力，带动旋转盘3再次沿顺时针方向转动一个微小角度θ₂，旋转盘3产生的两次微小角度之和即为一个旋转步距，此时剪切型压电块4处于竖直状态；重复第一、二步，能够使旋转盘3连续的顺时针旋转；类似的，将第一、二步中剪切型压电块4的负向输入电压变为正向输入电压，将实现旋转盘3连续的逆时针旋转。

所述的作动方法：所述的剪切型压电块4输入电压为锯齿波形电压。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明非摩擦力驱动，有效降低了摩擦损耗，靠单压电块剪切变形产生的惯性冲击力即可实双向旋转驱动，因此运行稳定，作动效率高，使用寿命长，可在高频下长时间工作。

2)本发明结构简单紧凑，所述剪切型压电块4底部采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶粘接在旋转盘3边缘的凹槽内；所述质量块5采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶粘接在剪切型压电块4顶部。所述精密轴承2通过过盈配合固定于底座1中，所述旋转盘3下部中心轴通过过盈配合固定于精密轴承2中，整体结构无需预紧力即可工作，易于实现微型化。

3)本发明所述旋转盘3，剪切型压电块4，与质量块5之间通过粘贴剂连接，因此能够包容加工误差以及安装误差，对构件加工要求低。

4)本发明采用单个剪切型压电块4即可实现双向驱动，因此能耗低，作动效率高。

附图说明

图1为本发明一种剪切型惯性压电旋转作动器的结构立体图。

图2为本发明一种剪切型惯性压电旋转作动器的结构爆炸图。

图3为本发明一种剪切型惯性压电旋转作动器剪切型压电块的作动示意图。

图4为剪切型压电块未通电处于竖直状态示意图，其中图4a为正视图，图4b为俯视图。

图5为剪切型压电块通负电，旋转盘顺时针旋转一个微小角度θ₁的示意图，其中图5a为正视图，图5b为俯视图。

图6为剪切型压电块所通电压缓慢减小，剪切型压电块带动质量块运动的示意图，其中图6a为正视图，图6b为俯视图。

图7为剪切型压电块断电时，质量块产生惯性冲击力带动旋转盘顺时针旋转一个微小角度θ₂的示意图，其中图7a为正视图，图7b为俯视图。

图8为本发明一种剪切型惯性压电旋转作动器顺时针作动时剪切型压电块的驱动电压。

具体实施方式

以下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和图2所示，本发明一种剪切型惯性压电旋转作动器，包括底座1，底座1中心的圆形槽内固定有精密轴承2，精密轴承2与旋转盘3下部中心的轴连接，旋转盘3边缘的凹槽内粘接有剪切型压电块4，压电块4顶部粘接质量块5。

所述精密轴承2通过过盈配合固定于底座1中，所述旋转盘3下部中心轴通过过盈配合固定于精密轴承2中。

所述剪切型压电块4底部采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶粘接在旋转盘3边缘的凹槽内；所述质量块5采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶粘接在剪切型压电块4顶部。

所述的剪切型压电块4中输入正电压时，将产生沿顺时针切向方向的剪切变形；剪切型压电块4中输入负电压时，将产生沿逆时针切向方向的剪切变形，如图3所示。

下面对本发明的作动方法进行详细说明：

未通电时，剪切型压电块4处于竖直状态，如图4中图4a和图4b所示；为使旋转盘3顺时针旋转，第一步，对剪切型压电块4输入迅速增长的负电压，如图8所示，此时剪切型压电块4产生沿逆时针方向切向的位移，使旋转盘3受到沿顺时针方向切向的惯性冲击，此时旋转盘3顺时针旋转一个微小角度θ₁，如图5中图5a和图5b所示；第二步，缓慢减小剪切型压电块4中的负电压，直至为零断电，在此过程中，剪切型压电块4带动质量块5沿顺时针切向运动，此时旋转盘3所受驱动力小于精密轴承2转子与定子间的摩擦力，旋转盘3保持不动，断电时剪切型压电块4形变停止，质量块5由于惯性仍保持一定速度，如图6中图6a和图6b所示，此时质量块5对旋转盘3产生大于摩擦力的惯性冲击力，带动旋转盘3再次沿顺时针方向转动一个微小角度θ₂，如图7中图7a和图7b所示，旋转盘3产生的两次微小角度之和即为一个旋转步距，此时剪切型压电块4处于竖直状态；重复第一、二步，能够使旋转盘3连续的顺时针旋转；类似的，为使旋转盘3连续的逆时针旋转，第一步，对剪切型压电块4输入迅速增长的正电压，此时剪切型压电块4产生沿顺时针方向切向的位移，使旋转盘3受到沿逆时针方向切向的惯性冲击，此时旋转盘3逆时针旋转一个微小角度；第二步，缓慢减小剪切型压电块4中的正电压，直至为零断电，在此过程中，剪切型压电块4带动质量块5沿逆时针切向运动，此时旋转盘3所受驱动力小于精密轴承2转子与定子间的摩擦力，旋转盘3保持不动，断电时剪切型压电块4形变停止，质量块5由于惯性仍保持一定速度，此时质量块5对旋转盘3产生大于摩擦力的惯性冲击力，带动旋转盘3再次沿逆时针方向转动一个微小角度，旋转盘3产生的两次微小角度之和即为一个旋转步距，此时剪切型压电块4处于竖直状态；重复第一、二步，能够使旋转盘3连续的逆时针旋转；这样便实现了旋转盘3的双向旋转运动。

如图8所示，作为本发明的优选实施方式，所述的剪切型压电块4输入电压为锯齿波形电压，该电压的特征为迅速增大、缓慢减小，可以使剪切型压电块4产生快速的剪切变形以及相对缓慢的复位，从而使质量块5产生惯性冲击力带动旋转盘转动。