專利名稱：電場式驅動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種電場式驅動器，屬于將電能轉換為機械能出力的驅動裝置領域，可廣泛代替各種電磁式驅動器以及應用于各種需要將電能轉換為機械能出力的場合。
背景技術：
目前普遍使用的驅動器主要為電磁式驅動器，它是通過對電磁線圈通過電流產生磁場，繼而吸引銜鐵輸出動力和位移的，電磁式驅動器為電流驅動的，功耗很大，發(fā)熱嚴重，并產生大量電磁噪聲和音頻噪音，其壽命很有限；基于逆壓電效應之縱效應工作的疊層型壓電致動器價格非常昂貴，目前僅應用于要求非常高的高精尖端設備；基于逆壓電效應之橫效應工作的壓電雙晶片致動器盡管節(jié)能，輸出位移較大，但出力太小，不能普及應用。

發(fā)明內容
根據(jù)以上現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能耗極低、大出力大位移、壽命長、結構簡單成本低、響應迅速、工作穩(wěn)定可靠的電場式驅動器。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是本發(fā)明電場式驅動器包括致動器和驅動電路兩部分，其特征在于在彈性基板的兩面或僅一個面粘貼壓電陶瓷片，以此作成壓電驅動片，把若干壓電驅動片合理組合在一起作成致動器，從而把若干壓電驅動片的出力和位移相疊加在一起，在驅動電路的控制驅動下共同輸出動力和位移，達到大出力和大位移的目的。本發(fā)明采用壓電陶瓷片作為從電能到機械能的轉換材料，本發(fā)明的壓電陶瓷片基于逆壓電效應之橫效應或電致應變效應工作的，其穩(wěn)態(tài)時僅通過極微小的漏電流，相比同規(guī)格電磁鐵其功耗忽略不計，將它作成壓電驅動片結構可使壓電陶瓷片的位移得到許多倍的放大，而壓電驅動片的結構非常簡單，其生產成本低，壓電驅動片自身無可動部件，其壽命很長，且響應很快，工作穩(wěn)定可靠，并且發(fā)生意外卡死無響應的極端情況也不會損壞壓電驅動片。進一步，在緊臨壓電驅動片的一個側面旁邊設置擋板，以防止意外的過負荷沖擊損傷壓電驅動片。更進一步，壓電驅動片要串聯(lián)緩沖電阻，以免初始充電電流對壓電陶瓷片的沖擊損害，為了便于連接緩沖電阻和提高響應速度，電容量大的壓電驅動片的一個電極面按縱向均勻分割出若干小電極。再進一步，壓電驅動片可設置包括一片或多片壓電陶瓷片，且壓電陶瓷片可包括單層或多層壓電陶瓷體，以使壓電驅動片的結構簡單緊湊，同一致動器使用特性一致的壓電驅動片。再者，致動器的可動部件的電氣連線采用軟導線，以適應致動器的可靠穩(wěn)定工作需要。本發(fā)明電場式驅動器的壓電驅動片采用通電彎曲變形的工作方式。基于此，致動器包括轉動式和直動式兩種類型實施例，其特征分別為
轉動式實施例把各壓電驅動片的一端用一連接板等間距固定連接在一起，把各壓電驅動片的另一端用轉軸通過另一連接板等間距連接在一起，以使兩個連接板產生相對平行運動輸出動力和位移。直動式實施例每兩片壓電驅動片的兩端分別用轉軸通過兩連接板等間距連接在一起組成基本單元，此兩片壓電驅動片按照相反彎曲變形方向配置，各相鄰基本單元依次通過壓電驅動片中部的連接塊固定連接在一起。各緩沖電阻設置安裝在致動器的連接板上，以減少致動器的引線數(shù)量，簡化結構。本發(fā)明所述的壓電驅動片的出力和復位是通過由驅動電路對壓電陶瓷片充電和放電實現(xiàn)的，而不另加其它機械復位裝置。本發(fā)明所述的驅動電路包括整流電路、開關隔離電路、電壓邏輯判斷電路和放電開關電路，其中整流電路不設置在輸入為直流電壓的驅動電路中。整流電路把輸入的交流電壓轉換成直流電壓，該直流電壓分別輸入開關隔離電路和電壓邏輯判斷電路，開關隔離電路主要實現(xiàn)開關功能，電壓邏輯判斷電路根據(jù)輸入電壓的有無控制放電開關的導通或截止，存在輸入電壓時，開關隔離電路導通，放電開關電路截止，向各壓電驅動片提供驅動電壓，使驅動器出力；沒有輸入電壓時，開關隔離電路截止，開關放電電路導通，各壓電驅動片迅速釋放存儲的電荷，使驅動器復位。本發(fā)明所述的驅動電路完全采用半導體電子電路設計，無任何機械可動部件，其中優(yōu)選方案是熔斷器FU串聯(lián)在輸入電壓回路中，起短路保護作用；采用橋式整流電路；開關隔離電路包括一個二極管D5 ；電壓邏輯判斷電路包括電阻Rl—R3、電容Cl和C2、二極管D6和反相器1C，反相器IC所需的電源和輸入信號電壓由串聯(lián)電阻Rl—R3把整流輸出的直流電壓進行分壓取得，儲能電容C2向反相器IC提供穩(wěn)定可靠的電壓，二極管D6相當于一個開關，使儲能電容C2只能經二極管D6支路充電，而不能放電，濾波電容Cl用于穩(wěn)定反相器IC的輸入信號電壓；放電開關電路包括限流電阻R4和場效應三極管VT，反相器IC的輸出端Y直接連接場效應三極管VT的柵極，場效應三極管VT的漏極串聯(lián)電阻R4，以防過大的瞬時沖擊電流損壞場效應三極管VT ；電容C3對驅動電路的輸出電壓進行有限的調壓，它不耗能；輸入為直流電壓的驅動電路中不設置整流二極管Dl—D4、電容Cl和電容C3，以消除不必要的材料消耗。反相器IC和場效應三極管VT優(yōu)選場效應器件，尤其是CMOS器件，以降低電路功耗。此電路功耗很低，使用元器件少，結構很簡單，材料消耗很少，工作穩(wěn)定可
O各壓電驅動片JZl—JZn可分別包括一個或多個壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片電極之間可采用串聯(lián)或并聯(lián)的連接關系，以適應驅動電路輸出電壓的要求，并有助于產品的系列化規(guī)格化。本發(fā)明電場式驅動器所具有的有益效果是本發(fā)明選擇壓電陶瓷片作為從電能到機械能的轉換媒介，而壓電陶瓷片為電壓驅動，自身具有功耗極低、產生力大，響應快的特點，通過理論分析和大量實驗驗證，優(yōu)選逆壓電效應之橫效應或電致應變效應作為電一機轉換機制，可使壓電陶瓷片發(fā)揮出最大限度的轉換效率。壓電驅動片結構簡單，小型、輕量，成本低，性能穩(wěn)定可靠，壽命長，即使發(fā)生意外卡死無響應的極端情況也不會損壞壓電驅動片。本發(fā)明采用電氣放電復位方式，無其它機械復位裝置，整體結構簡單，體積小。本發(fā)明所述的驅動電路完全采用半導體電子電路設計，無任何機械可動部件，反相器IC和場效應三極管VT優(yōu)選場效應器件，尤其是CMOS器件，電路結構很簡單，材料消耗很少，電路的功耗很低，壽命長，無電磁噪聲，基于此，電路板的體積很小，可以把驅動電路的電路板與致動器封裝在一起，使本發(fā)明電場式驅動器整體結構緊湊，體積小巧，便于應用。通過科學合理的設計，把若干壓電驅動片組合在一起作成致動器，在驅動電路的控制驅動下共同輸出動力和位移，達到大出力和大位移的目的。通過根據(jù)本發(fā)明制作出的電場式驅動器實物可知電場式驅動器整體穩(wěn)態(tài)功耗約為同規(guī)格電磁式驅動的1/350，其節(jié)能效果十分顯著；而成本遠遠低于疊層壓電致動器；電場式驅動器無電磁噪聲和音頻噪音，無任何發(fā)熱現(xiàn)象。在電場式驅動器中，致動器功耗約占總功耗的O. 015，其節(jié)能潛力很大。本發(fā)明電場式驅動器表現(xiàn)出一系列優(yōu)異性能，具有顯著的經濟和社會效益，具有十分廣闊的發(fā)展前景。


圖1所示為本發(fā)明的原理方框圖2所示為在彈性基板兩側表面均粘貼壓電陶瓷片的壓電驅動片示意圖3所示為在彈性基板的一側表面粘貼壓電陶瓷片的壓電驅動片示意圖4所示為具有電極分割的壓電驅動片示意圖5所示為本發(fā)明實施例之轉動式致動器實施例；
圖6所示為本發(fā)明實施例之直動式致動器實施例；
圖7所示為本發(fā)明實施例之直動式致動器實施例的輸出動力和位移的示意圖8所示為適用于輸入為交流電壓的驅動電路電氣原理圖9所示為適用于輸入為直流電壓的驅動電路電氣原理圖10所示為圖6的局部放大圖。其中1、壓電陶瓷片2、彈性基板3、25、轉軸4、分割后的小電極5 (JZl—JZn)、壓電驅動片6、擋板7、緩沖電阻與壓電驅動片間連線8(rl—rn)、緩沖電阻9、
ll、24a、24b連接板10電極連線23、連接塊26、27、28軟引線FU、熔斷器Dl—D6、二極管Rl—R4、電阻Cl一C3、電容1C、與非門VT、場效應三極管；在圖8和圖9中，虛線框包圍部分為致動器部分。
具體實施例方式本發(fā)明電場式驅動器包括驅動電路和致動器兩部分。下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步描述
圖5是本發(fā)明實施例之轉動式致動器實施例，壓電驅動片5的一端固定安裝在連接板9上，壓電驅動片5的另一端通過轉軸3安裝在連接板11上，在緊臨壓電驅動片5的一個側面旁邊設置擋板6，擋板6固定安裝在連接板9上，緩沖電阻8設置在連接板9上，緩沖電阻8通過連線7與壓電驅動片5的一個電極串聯(lián)，兩根公共電極連線10分別連接緩沖電阻8和壓電驅動片5的另一電極，由兩根公共電極連線10連接引線至驅動電路，使連線簡化，提高可靠性。把兩個連接板中的一個固定(例如把連接板9固定)，當驅動電路向各壓電驅動片5提供工作電壓時，各壓電驅動片5 —起產生彎曲變形，使兩個連接板9、10產生相對平行運動，由連接板10輸出動力和位移，擋板6能防止意外的過負荷沖擊損傷壓電驅動片
5。此實施例的基本特點是致動器的輸出位移量等于壓電驅動片5的端點偏移量；致動器的輸出力量等于所有壓電驅動片5的出力之和。圖6是本發(fā)明實施例之直動式致動器實施例，每兩片壓電驅動片5的兩端分別用轉軸3、25通過兩連接板24b、24a等間距連接在一起組成基本單元，此兩片壓電驅動片5按照相反彎曲變形方向配置，各相鄰基本單元依次通過壓電驅動片5中部的連接塊23固定連接在一起，緩沖電阻8設置在連接板24a上，緩沖電阻8通過軟導線連線27與壓電驅動片5的一個電極串聯(lián)，兩根公共電極連線10分別連接緩沖電阻8和壓電驅動片5的另一電極，由兩根公共電極連線10連接軟導線連線26至驅動電路，各連接板24a的兩根公共電極連線10之間通過軟導線連線28相連接。把直動式致動器的最下端固定，當驅動電路向各壓電驅動片5提供工作電壓時，各壓電驅動片5 —起產生彎曲變形，其變形效果演示于圖7，由最上端的壓電驅動片5中部輸出動力和位移。此實施例的基本特點是致動器的輸出位移量等于各壓電驅動片5的中部偏移量之和；致動器的輸出力量等于單個壓電驅動片5的中部出力。致動器包括若干壓電驅動片，壓電驅動片包括兩種結構圖2中，在彈性基板2的兩側均設置粘貼壓電陶瓷片I，此結構根據(jù)逆壓電效應之橫效應工作，可作單向或雙向驅動使用；圖3中，在彈性基板2的一側設置粘貼壓電陶瓷片1，此結構根據(jù)逆壓電效應之橫效應工作時，可作單向或雙向驅動使用，根據(jù)電致應變效應工作時，僅作單向驅動使用。為增大出力和位移，且要使結構緊湊，壓電陶瓷片可包括單層或多層壓電陶瓷體。壓電陶瓷片是電壓驅動的，顯電容性，實驗表明其初始充電電流會損害壓電驅動片，縮短其使用壽命，通過串聯(lián)一定的緩沖電阻可解決此問題，電容量越大，則串聯(lián)的緩沖電阻阻值越大，但這樣會大大降低響應速度，通過對壓電陶瓷片的一個電極面進行電極分割就可解決此問題，電極分割的方式見附圖4，按壓電驅動片的縱向對壓電陶瓷片的一個電極面分割出若干小電極4，按縱向分割有利于緩沖電阻的連線，各小電極4分別串聯(lián)緩沖電阻。當然也可用若干電容量小的壓電陶瓷片粘貼在彈性基板2的一側形成附圖4所示的電極形式。本發(fā)明電場式驅動器采用壓電陶瓷作為電能到機械能的轉換媒介，對壓電陶瓷施加一定的電壓，產生電場，在電場力的作用下，壓電陶瓷的極化發(fā)生變化，從而產生應變和出力。與電磁式驅動器對應，本發(fā)明定名為電場式驅動器。通常壓電陶瓷是基于逆壓電效應之橫效應或縱效應工作的，當給壓電陶瓷片施加大的電場(例如逆壓電效應額定電壓的2倍以上)時，它總是收縮的，其應變方向與施加電場方向無關，且出力和應變均比逆壓電效應所產生的量要大，為區(qū)別于逆壓電效應，將這種效應定義為電致應變效應(也有的文獻稱為電致伸縮效應)。電致應變效應與逆壓電效應有一定的聯(lián)系要使壓電陶瓷片穩(wěn)定可靠的工作，基于電致應變效應所需施加的電場方向就是當基于逆壓電效應時使壓電陶瓷片收縮的電場方向，所以實際連線時要對此注意?；陔娭聭冃膲弘娞沾善某隽蛻兪菃蜗虻?。若要使壓電驅動片作雙向驅動，則應采用附圖2所示的結構，并同一時間僅給一側的壓電陶瓷片施加工作電壓。根據(jù)壓電陶瓷的特性，本發(fā)明采用如附圖1所示的工作原理方框圖，其工作原理是這樣的當輸入電壓為交流時，該電壓經整流電路被轉換為直流電，此時電壓邏輯判斷電路控制放電開關截止，使壓電驅動片的放電回路截止，開關隔離電路導通，各壓電驅動片獲得工作電壓輸出動力和位移；當無電壓輸入時，開關隔離電路截止，電壓邏輯判斷電路控制放電開關導通，使壓電驅動片通過放電回路泄放電荷，恢復原有極化狀態(tài)，壓電驅動片復位。壓電驅動片的驅動電壓為直流電壓，所以當輸入電壓為直流時不需要整流電路。附圖8和附圖9是本發(fā)明驅動電路實施例，其中虛線框包圍部分為致動器部分。附圖8所示為適用于輸入為交流電壓的驅動電路電氣原理圖，其工作原理是經由四個二極管Dl—D4組成的橋式整流電路把輸入的交流電壓轉換為脈動的直流電壓，該電壓分兩路，一路經二極管D5施加至致動器工作，另一路經電阻Rl—R3的串聯(lián)分壓又分為兩路，一路經二極管D6向反相器IC提供電源，與此同時向儲能電容C2充電，另一路經電容Cl濾波穩(wěn)定電壓向反相器IC的A端提供輸入高電平信號電壓，反相器IC的Y端輸出低電平電壓，場效應管VT受控截止；當無輸入電壓時，致動器所存儲的電壓因二極管D5反偏截止而無法施加于電阻Rl—R3的串聯(lián)支路，電阻Rl—R3的串聯(lián)支路無電壓施加，此時因二極管D6反偏截止，儲能電容C2繼續(xù)向反相器IC提供電源電壓，反相器IC的A端輸入為低電平信號電壓，則反相器IC的Y端輸出高電平電壓，場效應管VT受控導通，致動器所存儲的電荷經場效應管VT泄放掉，致動器復位。二極管D5不但起開關作用，而且會使致動器的端電壓高于整流電路的輸出直流電壓，并且有效消除致動器的振動。用電容C3補償驅動電路的負載電容量達到有限調壓的目的。電容Cl的容量小于電容C2的容量，電容Cl的容量過大會使響應遲鈍，過小則容易燒毀場效應三極管VT，電容C2的容量應保證在致動器可靠復位時間內向反相器IC繼續(xù)提供電源。反相器IC采用CMOS器件，例如單反相器TC4SU69F、單與非門BU4S11G2，、運放甚至場效應管。附圖9所示為適用于輸入為直流電壓的驅動電路電氣原理圖，根據(jù)直流電的特點，在附圖8的基礎上去掉整流電路、電容Cl、C3。當然，在不脫離本發(fā)明的框架的情況下，還可以有其它的選擇和發(fā)展以及我們能夠預想得到的等效裝置。
權利要求
1.一種電場式驅動器，包括致動器和驅動電路兩部分；所述的致動器包括若干個壓電驅動片(5)，其特征在于:壓電驅動片(5)的一端設置有轉軸(3 )，該轉軸分別安裝連接在連接板(11)或(24b )上，另一端固定連接連接板(9 )或設置轉軸(25 )，轉軸(25 )安裝連接在連接板(24a)，連接板(9、24a)上設置安裝緩沖電阻(8 )和必要的電極導線(7、10)；連接塊(23)固定連接兩壓電驅動片(5)；所述的壓電驅動片(5)和緩沖電阻(8)通過導線連接至驅動電路，由驅動電路向各壓電驅動片(5)提供合適的電壓，通過由驅動電路同時對各壓電陶瓷片充電和放電實現(xiàn)控制各壓電驅動片(5)的一起出力和復位，而不另加其它機械復位裝置；所述的驅動電路包括整 流電路、開關隔離電路、電壓邏輯判斷電路和放電開關電路；所述的整流電路不設置在輸入為直流電壓的驅動電路中。
2.根據(jù)權利要求1所述的電場式驅動器，其特征在于:所述的壓電驅動片(5)包括彈性基板(2)和壓電陶瓷片(1)，在彈性基板(2)的兩面或僅一個面設置一片或多片壓電陶瓷片(1)，且壓電陶瓷片(I)包括單層或多層壓電陶瓷體，同一致動器使用特性一致的壓電驅動片；所述的壓電陶瓷片(I)是根據(jù)逆壓電效應之橫效應或電致應變效應工作的；所述的壓電驅動片(5)采用通電彎曲變形的工作方式。
3.根據(jù)權利要求1、2所述的電場式驅動器，其特征在于:電容量大的壓電驅動片的一個電極面按縱向均勻分割出若干小電極(4)。
4.根據(jù)權利要求1一3所述的電場式驅動器，其特征在于:所述的各壓電驅動片(5)的相應電極分別串聯(lián)緩沖電阻(8)，以免初始充電電流對壓電陶瓷片的沖擊損害。
5.根據(jù)權利要求1所述的電場式驅動器，其特征在于:每兩片壓電驅動片5的兩端分別用轉軸3、25通過兩連接板24b、24a等間距連接在一起組成基本單元，此兩片壓電驅動片5按照相反彎曲變形方向配置，各相鄰基本單元依次通過壓電驅動片5中部的連接塊23固定連接在一起。
6.根據(jù)權利要求1一5所述的電場式驅動器，其特征在于:連接板(24a)上設置有連線(26)用于連接驅動電路，壓電驅動片(5)與連接板(24a)之間設置連線(27)，各連接板(24a)之間設置連線(28)，連線(26、27、28)為軟導線。
7.根據(jù)權利要求1所述的電場式驅動器，其特征在于:連接板(9)固定安裝有擋板(6)，擋板(6)緊臨壓電驅動片(5)的一個側面，以防止意外的過負荷損傷壓電驅動片(5)。
8.根據(jù)權利要求1所述的電場式驅動器，所述的驅動電路完全采用半導體電子電路設計，無任何機械可動部件，其特征在于:所述的整流電路采用橋式整流，開關隔離電路包括二極管D5，電壓邏輯判斷電路包括電阻Rl—R3、電容Cl和C2、二極管D6和反相器1C，放電開關電路包括限流電阻R4和場效應三極管VT，其連接為:熔斷器FU串聯(lián)在輸入電壓回路中，電阻Rl—R3依次串聯(lián)，二極管D6的正極連接在電阻Rl和電阻R2之間的連線上，二極管D6的負極連接電容C2和反相器IC的電源端VDD，電容Cl和反相器IC的輸入端A連接到電阻R2和電阻R3之間的連線上，反相器IC的輸出端Y連接場效應三極管VT的柵極，場效應三極管VT的漏極串聯(lián)電阻R4串聯(lián)，二極管D5串聯(lián)在電阻Rl和電阻R4之間的連線上，且二極管D5的正極連接電阻R1，二極管D5的負極連接電阻R4，各緩沖電阻rl一rn分別與各壓電驅動片JZl—JZn先串聯(lián)后再并聯(lián)在一起，電容C3與電阻R4場效應三極管VT串聯(lián)支路和各緩沖電阻rl一rn壓電驅動片JZl—JZn串聯(lián)支路相并聯(lián)；所述的輸入為直流電壓的驅動電路中不設置整流二極管Dl—D4、電容Cl和電容C3，以消除不必要的材料消耗。
9.根據(jù)權利要求1、8所述的電場式驅動器，其特征在于:各壓電驅動片JZl—JZn分別 包括一個或多個壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片電極之間采用串聯(lián)或并聯(lián)的連接關系，以適應驅動電路輸出電壓的要求，并有助于產品的系列化規(guī)格化。
10.根據(jù)權利要求1、8所述的電場式驅動器，其特征在于:所述的驅動電路輸出電壓采用電容C3調壓。
全文摘要
一種將電能轉換為機械能出力的驅動裝置，特別涉及一種電場式驅動器，包括驅動電路和致動器兩部分，致動器包括若干個壓電驅動片(5)，其特征在于壓電驅動片(5)的一端設置有轉軸(3)，該轉軸分別安裝連接在連接板(11)或(24b)上，另一端固定連接連接板(9)或設置轉軸(25)，轉軸(25)安裝連接在連接板(24a)，連接板(9、24a)上設置安裝緩沖電阻(8)和必要的電極導線(7、10)，連接塊(23)固定連接兩壓電驅動片(5)，通過由驅動電路同時對壓電陶瓷片充電和放電實現(xiàn)控制各壓電驅動片(5)的一起出力和復位，達到驅動器整體大出力大位移的目的，其節(jié)能環(huán)保效果顯著，性能優(yōu)良。
文檔編號H02N2/02GK103078551SQ20121059400
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權日2012年12月29日
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