[发明专利]微幅运动转换机构

说明书

本发明涉及利用弹性作用的微幅运动转换机构，特别是涉及一种利用专设的弹性机构或致动器本身的弹性将各种微幅伸缩运动转换为转动或直线运动的微幅运动转换机构，以及采用上述微幅运动转换机构的电动机。

已有技术中常用的电动机是根据电磁作用的原理工作的，从电流和磁场之间的相互作用得到驱动力，但是，现在已经发展了一种利用电致伸缩效应工作的电动机。正如众所周知的那样，许多压电元件同时具有逆效应，即电致伸缩效应，利用这种效应来发展新型电动机的前景是十分诱人的，因为这种与电磁式电动机完全不同的新型电动机具有诸如结构简单、转速稳定、响应快、容易控制、低速高转矩等许多优点，特别适合于自动控制、工业机器人等领域应用。

在研制上述新型电动机方面取得的某些成果，已经发表在美国专利4513219和4399386上。上述文献分别叙述了两种采用压电元件的旋转电动机。这类电动机的基本型式是配置一系列在圆周上均匀分布的压电元件，将交流电压或直流脉冲电压按一定规律依次加到各个压电元件上，使压电元件产生规则的微幅曲线振动，并且用与之相接触的摩擦材料将微幅曲线振动转换成某一转子的连续的旋转运动。

在上述机构中存在着如下缺点：

1、压电元件的曲线振动和转子的连续旋转运动并不完全协调，在任一振动周期中，有效工作时间小于1/2，其余时间不做功

2、压电材料与摩擦材料之间的滑动摩擦会产生功率损耗，并导致材料磨损;

3、一旦负荷超载甚至发生电动机逆转的情况时，压电元件与摩擦材料之间将产生严重磨损以致损坏;

4、由于存在滑动摩擦现象，转速将受到负载变化的影响;

5、转速不能达到较高的数值;

6、仅适合于小功率和微型电机，无法得到较大的功率。

在美国专利4，782，262中公开了用致动器直接驱动的旋转机构，在偏心轮周围布置四个致动器，由各致动器的微幅伸缩来推动偏心轮，致动器的伸缩量为偏心轮偏心量的二倍。其激励电压规定为使致动器的输出位移等于偏心凸轮偏心量的两倍。而不论输出轴上的负载的大小。因此对这两种机构的输出力矩是不能用输入电压来调节的。其中第一种实施方案，在180°相隔致动器的运动也具有180°的相位差，但其一是将推动凸心偏轮的而另一侧在作回程运动其运动必需保持和推动致动器成180°相位差才能不和偏心凸轮脱开。但是当这种机构在承载了外负荷时，推动致动器在外力负荷的作用下产生变形使其运动偏离原定运动，而作复位运动则因不受负载而保持原定运动，这样作复位运动的致动器就将和凸轮脱离接触并在其后再和凸轮接触，这样就会产生冲击。这样不但会产生噪声而且也会破坏工作部件。在第二种实施方案中的致动器是一种出力大而运动幅度小的类型，其输出运动的幅值在0.1毫米左右，而其输出力可达数千牛顿。对如此小的幅值该实施方案只能用小偏心量的偏心凸轮，这样由输出力而使凸轮系统产生的变形也可达到同样的数量级，这样的系统是无法平稳工作的。

所以以上两种实施方案仅是基于运动学上的考虑，在实际应用中，一带动负荷就会出现不可克服的问题。

针对上述压电式电动机的不足之处，本发明的目的之一在于提出一种利用弹性作用将微幅伸缩运动转换为转动或直线运动的微幅运动转换机构，弹性作用可由专设的弹性机构或致动器本身的弹性 来实现，微幅伸缩运动可以由电致伸缩元件、磁致伸缩元件和热膨胀元件等各类微幅致动器产生;

本发明进一步的目的在于提出一种采用上述机构的电动机，同时克服如前所述的压电式电动机的不足之处。

本发明的原理和方法如下：

微幅运动转换机构包括一个运动机构和多个微幅致动器组件，通过致动器组件中弹性机构或致动器本身的弹性作用将每一个微幅致动器在外激励下的微幅伸缩转换成弹性力的变化，并作用在运动机构上。由于各致动器组件中的弹性作用，在运动机构和微幅致动器组件间就建立一弹性场，对应于运动机构的不同姿态，就有不同的弹性势能，这样，整个机构总是企图趋于势能最小状态，即，运动机构将选择适当的姿态以减小系统的势能，而微幅致动器在外激励下的输出状态改变时，对弹性场的微扰将使运动机构产生新的运动以达到新的势能最小状态。采用具有适当的弹性机构或弹性致动器的致动器组件和运动机构，并用一定的外激励和分配方法通过各个微幅致动器微扰这一微幅运动转换机构，即可使运动机构产生所希望的运动，这样，就在各微幅致动器的微幅运动的协同作用下获得了所需的运动。

按照这一方法，可以提出下列机构：