一种角位移惯性式压电致动器
阅读说明：本技术 一种角位移惯性式压电致动器 (Angular displacement inertia type piezoelectric actuator ) 是由 黄卫清 刘伟权 安大伟 陈明杨 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及压电致动器技术领域,公开了一种角位移惯性式压电致动器,包括基座、定位轴承、通过所述定位轴承可转动连接在所述基座上的转动轴、与所述转动轴同旋转中心线连接的转动体；所述转动体包括主质量块、压电晶片和冲击质量块；所述主质量块与所述转动轴同旋转中心线连接；所述冲击质量块位于所述主质量块的上方；所述压电晶片竖向安装在所述主质量块与冲击质量块之间。本发明提供的角位移惯性式压电致动器减小装配误差,加快拆装效率,结构更为紧凑,并且有利于该角位移惯性式压电致动器微型化设计。(The invention relates to the technical field of piezoelectric actuators, and discloses an angular displacement inertial type piezoelectric actuator, which comprises a base, a positioning bearing, a rotating shaft and a rotating body, wherein the rotating shaft is rotatably connected to the base through the positioning bearing; the rotor comprises a main mass block, a piezoelectric wafer and an impact mass block; the main mass block is connected with the rotating shaft through a rotating center line; the impact mass block is positioned above the main mass block; the piezoelectric wafer is vertically installed between the main mass block and the impact mass block. The angular displacement inertial piezoelectric actuator provided by the invention has the advantages that the assembly error is reduced, the disassembly and assembly efficiency is accelerated, the structure is more compact, and the miniaturization design of the angular displacement inertial piezoelectric actuator is facilitated.)
技术领域
本发明涉及压电致动器的
技术领域
，具体应用在光学仪器、医疗器械、航天航空、微型机器人和精密机械装置等对高精度控制和微纳米精密驱动技术有高要求的工业生产和高新技术领域
中，尤其涉及一种角位移惯性式压电致动器。背景技术
随着科学技术的发展，在工业生产和高新
技术领域
中，包括光学仪器、医疗器械、航天航空、微型机器人和精密机械装置等领域，对高精度控制和微纳米精密驱动技术的要求日益提高。现有的压电致动器是由冲击质量块、压电晶片、夹持机构、转动轴、精密轴承、预紧机构和基座组成；夹持机构连接转动轴，并夹持压电晶片的一端，压电晶片的另一端连接冲击质量块，转动轴与精密轴承内孔产生过盈配合，精密轴承的外圈安装于基座上。通过对压电晶片施加如锯齿波等不对称波型的驱动电压，使压电晶片产生周期性的缓慢变形和快速复位，利用在一个周期内两个过程产生的惯性冲击力矩差，结合转动轴的摩擦作用，产生周期性的步进运动，实现步进式的角位移输出。现有的压电致动器，其压电晶片采用横向安装(垂直于转动轴的旋转中心线)，其输出位移较小，虽然压电晶片可以通过增大其长度方向的尺寸，增大压电晶片的变形挠度，但与此同时增大了冲击质量块与转动轴的旋转中心线的距离，由角度与弧长转换关系：角度＝(180×弧长)/(π×半径)，可以看出，横向安装的压电晶片的压电致动器的转动角度与弧长(压电晶片变形挠度)和半径(冲击质量块与旋转中心线的距离)有关，通过增大压电晶片的长度来增大压电致动器的输出转动角度的收益的方式是具有一定限度，需要找到较合理的长度区间；而且在增大压电晶片长度的同时，大大增加压电致动器的径向尺寸；以及现有的该类致动器零件分开加工再进行组装，这两点都不利于致动器的微小化设计。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的问题，提供了一种减小装配误差、拆装效率高效、结构紧凑且有利于微型化设计的角位移惯性式压电致动器。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种角位移惯性式压电致动器，包括基座、定位轴承、通过所述定位轴承可转动连接在所述基座上的转动轴、与所述转动轴同旋转中心线连接的转动体；
所述转动体包括主质量块、压电晶片和冲击质量块；所述主质量块与所述转动轴同旋转中心线连接；所述冲击质量块位于所述主质量块的上方；
所述压电晶片竖向安装在所述主质量块与冲击质量块之间。
进一步地，所述压电晶片包括弹性基板和压电陶瓷片；所述弹性基板的一端连接在所述主质量块上，另一端竖向朝上延伸且与所述冲击质量块连接；所述压电陶瓷片连接在所述弹性基板的侧面上。
进一步地，所述弹性基板的另一端与所述冲击质量块之间通过柔性铰链结构连接。
进一步地，所述主质量块、弹性基板、柔性铰链结构、冲击质量块一体成型。
进一步地，所述柔性铰链结构呈T字形。
进一步地，至少两个所述压电晶片绕所述旋转轴的旋转中心线均匀布置在所述主质量块与冲击质量块之间。
进一步地，所述压电晶片具有4个；4个所述压电晶片绕所述旋转轴的旋转中心线呈圆周阵列布置在所述主质量块与冲击质量块之间。
进一步地，还包括端盖、外壳体、径向轴承和预紧弹簧；所述端盖连接在所述基座的下端上；所述外壳连接在所述基座的上端上；所述外壳具有可供所述转动体穿过的通口；
所述径向轴承的内圈穿套在所述压电晶片上，并且所述径向轴承的底端面上设于所述主质量块上；
所述预紧弹簧套设于所述压电晶片上，且所述预紧弹簧的一端与所述径向轴承连接，另一端与所述外壳体的上端连接。
进一步地，所述端盖、基座、外壳体通过紧固螺栓连接一起。
进一步地，所述主质量块包括质量块本体和支撑脚部；所述压电晶片设于所述质量块本体的上端上；若干个所述支撑脚部绕所述旋转轴的旋转中心线均匀分布在质量块本体的下端面上。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明通过将压电晶片采用竖向安装的方式，安装在主质量块与冲击质量块之间，可以利用增大压电晶片的长度来增大压电双晶片末端变形挠度的同时，不会增大半径(即冲击质量块的外周侧的任意位置距离转动轴的旋转中心线的距离)，通过这样的结构设计方式保持了压电晶片大位移输出的特性，同时也便于该角位移惯性式压电致动器微型化设计。
2、本发明通过将主质量块、弹性基板、柔性铰链结构、冲击质量块设计加工形成一个整体结构，可以减小装配误差，加快拆装效率，结构更为紧凑，并且有利于该角位移惯性式压电致动器微型化设计。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本申请作进一步详细的说明。
图1是本发明的角位移惯性式压电致动器的剖面示意图。
图2是本发明的角位移惯性式压电致动器的立体结构示意图。
图3是本发明的角位移惯性式压电致动器的立体分解结构示意图。
图4是本发明的激励电压为0V时的转动体的运动机理的示意图。
图5是本发明的激励电压上升状态时的转动体的运动机理的示意图。
图6是本发明的激励电压下降状态时的转动体的运动机理的示意图。
图中包括：
基座1、转动轴2、定位轴承3、转动体4、主质量块41、质量块本体411、支撑脚部412、冲击质量块42、压电晶片43、弹性基板431、压电陶瓷片432、柔性铰链结构5、端盖6、外壳体7、通口71、径向轴承8、预紧弹簧9、紧固螺栓10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图6所示，一种角位移惯性式压电致动器，包括基座1、定位轴承3、通过所述定位轴承3可转动连接在所述基座1上的转动轴2、与所述转动轴2同旋转中心线连接的转动体4；所述转动轴2与定位轴承3的内圈过盈配合连接；所述转动体4包括主质量块41、压电晶片43和冲击质量块42；所述主质量块41与所述转动轴2同旋转中心线连接；具体的，主质量块41的下端面的中心位置上设有与转动轴2的上端相配合连接的定位孔，该定位孔根据转动轴2的上端形状，对应可以为方形孔、圆形孔，或者其他形状的孔，可以满足与转动轴2相配合连接即可。所述冲击质量块42位于所述主质量块41的上方；所述压电晶片43竖向安装在所述主质量块41与冲击质量块42之间。
通过将压电晶片43采用竖向安装的方式，安装在主质量块41与冲击质量块42之间，可以利用增大压电晶片43的长度来增大压电双晶片末端变形挠度的同时，不会增大半径(即冲击质量块42的外周侧的任意位置距离转动轴2的旋转中心线的距离)，通过这样的结构设计方式保持了压电晶片43大位移输出的特性，同时也便于该角位移惯性式压电致动器微型化设计。
具体的，所述压电晶片43包括弹性基板431和压电陶瓷片432；该弹性基板431采用金属材料制成，具有良好弹性，所述弹性基板431的一端连接在所述主质量块41上，另一端竖向朝上延伸且与所述冲击质量块42连接；所述压电陶瓷片432连接在所述弹性基板431的侧面上；该压电陶瓷片432通过AB胶粘贴在弹性基板431的两侧，压电陶瓷片432沿其厚度方向极化，压电陶瓷片432胶接时保持其极化方向一致。
在本具体实施方式中，至少两个所述压电晶片43绕所述旋转轴的旋转中心线均匀布置在所述主质量块41与冲击质量块42之间。具体的，所述压电晶片43具有4个；4个所述压电晶片43绕所述旋转轴的旋转中心线呈圆周阵列布置在所述主质量块41与冲击质量块42之间。通过设置4个压电晶片43竖绕旋转轴的旋转中心线呈圆周阵列布置，使压电晶片43通电后产生稳定的快速变形和缓慢恢复的过程，而且可以利用增大压电晶片43的长度来增大压电双晶片末端变形挠度的同时，不会增大半径(即冲击质量块42的外周侧的任意位置距离转动轴2的旋转中心线的距离)，通过这样的结构设计方式保持了压电晶片43大位移输出的特性，同时也便于该角位移惯性式压电致动器微型化设计。
压电陶瓷片432的接线和通电方式：压电陶瓷片432粘贴在弹性基板431上的一面连接同一电极，压电陶瓷片432远离弹性基板431的一面连接另外一电极。在通电后，输入激励电压信号，会使一片压电陶瓷片432收缩，而另一片压电陶瓷片432伸长，用于两片压电陶瓷片432的变形，使弹性基板431和压电陶瓷片432组成的压电晶片43产生弯曲变形。其中，激励压电陶瓷片432的电压信号为锯齿波信号，对同一弹性基板431两片压电陶瓷片432来说，可以使压电晶片43产生一个快速变形和缓慢恢复的过程。
该角位移惯性式压电致动器的关键零件为其转动体4，转动体4的运动机理。运动原理如下：(1)如图4所示，图4中左侧图为激励电压信号的示意图，右侧图为转动体的工作原理的示意图，开始状态时,激励电压为0V，压电晶片43静止不动；(2)如图6所示，图6中左侧图为激励电压信号的示意图，右侧图为转动体的工作原理的示意图，激励电压缓慢上升状态时，压电晶片43的上端产生变形挠度，变形角度为θ1，冲击质量块42向逆时针方向转动，产生顺时针的惯性冲击力矩，由于惯性冲击力矩小于摩擦力矩，此时，主质量块41不动，即该角位移惯性式压电致动器整体不动；(3)如图4所示，图4中左侧图为激励电压信号的示意图，右侧图为转动体的工作原理的示意图，激励电压急速下降状态时，压电晶片43产生变形挠度，变形角度为θ2，冲击质量块42向顺时针转动，产生逆时针的惯性冲击力矩，由于惯性冲击力矩大于摩擦力矩，此时主质量块41产生逆时针方向转动，即该角位移惯性式压电致动器向逆时针方向转动；往复(2)(3)过程，可以使机构连续逆时针转动。通过控制电压的幅值和频率，控制机构转动的步长和速度；亦可以通过控制电势的方向，实现机构的相反方向的运动。
在本具体实施方式中，该角位移惯性式压电致动器还包括端盖6、外壳体7、径向轴承8和预紧弹簧9；所述端盖6连接在所述基座1的下端上；所述外壳连接在所述基座1的上端上；所述外壳具有可供所述转动体4穿过的通口71；所述径向轴承8的内圈穿套在所述压电晶片43上，并且所述径向轴承8的底端面上设于所述主质量块41上；所述预紧弹簧9套设于所述压电晶片43上，且所述预紧弹簧9的一端与所述径向轴承8连接，另一端与所述外壳体7的上端连接。在径向轴承8与外壳体7的上端之间设置预紧弹簧9，使预紧弹簧9弹性压缩，然后通过径向轴承8向主质量块41提供一定的预紧力，主质量块41的下端面与基座1上表面之间接触，产生驱动转动体4的摩擦力，保证转动体4和转动轴2的受力均匀，可以有效减少转动体4偏置。
优选的，所述主质量块41包括质量块本体411和支撑脚部412；所述压电晶片43设于所述质量块本体411的上端上；若干个所述支撑脚部412绕所述旋转轴的旋转中心线均匀分布在质量块本体411的下端面上。具体的，支撑脚部412具有4个。通过在质量块本体411的下端面上设置若干个支撑脚部412，可以减少主质量块41的下端面与基座1上表面之间的接触面积，避免产生过多的驱动转动体4的摩擦力，以影响转动体4和转动轴2的均匀受力。
优选的，所述端盖6、基座1、外壳体7通过紧固螺栓10连接一起，结构简单，拆装方便。在本具体实施方式中，所述端盖6、基座1、外壳体7三者的四周分布有4个紧固螺栓10进行连接固定。当然，紧固螺栓10的数量可以根据需求进行合理设置。
为了改善了压电晶片43之间的干涉作用，大大提高了该角位移惯性式压电致动器的输出性能，所述弹性基板431的另一端与所述冲击质量块42之间通过柔性铰链结构5连接。通过在弹性基板431的另一端与冲击质量块42之间设置柔性铰链机构，将压电晶片43之间相互干涉的应力集中于柔性铰链处，改善了压电晶片43之间的干涉作用，大大提高了该角位移惯性式压电致动器的输出性能。
优选的，所述柔性铰链结构5呈T字形。通过设计柔性铰链结构5为T字形结构，便于加工形成，加快生产效率。具体的，该柔性铰链结构5为直角型柔性铰链，当然，其他不同切口形状的柔性铰链亦可起到改变变形，集中应力的作用。
在本具体实施方式中，所述主质量块41、弹性基板431、柔性铰链结构5、冲击质量块42一体成型。通过将主质量块41、弹性基板431、柔性铰链结构5、冲击质量块42设计加工形成一个整体结构，可以减小装配误差，结构更为紧凑，加快拆装效率，并且有利于该角位移惯性式压电致动器微型化设计。
综上，本发明实施例提供一种角位移惯性式压电致动器，其中，该角位移惯性式压电致动器通过将压电晶片43采用竖向安装的方式，安装在主质量块41与冲击质量块42之间，可以利用增大压电晶片43的长度来增大压电双晶片末端变形挠度的同时，不会增大半径(即冲击质量块42的外周侧的任意位置距离转动轴2的旋转中心线的距离)，通过这样的结构设计方式保持了压电晶片43大位移输出的特性，同时，将主质量块41、弹性基板431、柔性铰链结构5、冲击质量块42设计加工形成一个整体结构，可以减小装配误差，加快拆装效率，结构更为紧凑，并且有利于该角位移惯性式压电致动器微型化设计。同时也便于该角位移惯性式压电致动器微型化设计。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。
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