CN100413202C - 一种利用压电效应箝位的超磁致伸缩直线驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于微机电设备技术领域的一种具有毫米级行程和纳米级定位精度的一种利用压电效应箝位的超磁致伸缩直线驱动器。该驱动器的基体与底座相连，带V形滑槽的两导轨固定在基体的两个内侧面上，柔性铰链框架两端的V型压头与两导轨的V形滑槽构成滑动配合，压电元件镶嵌在柔性铰链框架的正中间，一组柔性铰链框架和压电元件构成了一个箝位单元；超磁致伸缩元件两端通过两个连接件分别与前后两个柔性铰链框架相联成一体；高精度位移传感器通过连接板与超磁致伸缩元件连接。该驱动器具有结构紧凑、稳定性好的特点。实际运行表明该直线驱动器的有效行程超过5毫米、定位精度达到30纳米。这种驱动器有望在微米纳米精度的制造和检测中得到广泛应用。

Description

一种利用压电效应箝位的超磁致伸缩直线驱动器
技术领域
本发明属于微机电设备技术领域。特别涉及一种具有毫米级行程和纳米级定位精度的一种利用压电效应箝位的超磁致伸缩直线驱动器。
背景技术
直线驱动器被用于制造和检测系统中物体之间的精确定位，其定位精度决定了制造系统的尺寸加工精度和检测系统的位置检测精度，为了实现纳米精度的制造和检测，通常利用压电陶瓷材料或磁致伸缩材料在电场或磁场中的伸缩效应设计制造高精度驱动器，压电陶瓷驱动器已得到较广泛的应用，如扫描探针显微镜中的压电陶瓷管扫描器；利用超磁致伸缩材料研制的微位移驱动器在中国专利ZL99212477.8.“超磁致伸缩材料高速强力微位移机构”、ZL00264746.“超磁致伸缩材料驱动器”，及ZL 03153578.X“具有水冷装置的磁致伸缩驱动器及其螺旋扁管的成型方法”中也已有报导。但是，由于压电材料和磁致伸缩材料的伸缩量很有限，一般只有数微米至数十微米，往往不能满足驱动器大行程的要求。在发明专利ZL03132072.4“S型压电微位移放大机构”和实用新型专利ZL03260236.7“三自由度精密定位工作台”中提出了利用柔性机构将压电伸缩量放大的驱动器结构，但是放大后的驱动器的行程一般也只有数百微米。为了获得更大的行程范围，在CN02138704.4中报导了一种利用电机与压电驱动的组合实现大行程、粗定位与微行程、精定位组合的方法，另一种技术途径则如CN1235405A、ZL92105232.4和ZL00207104.5中报导的那样，将微驱动与蠕动运动机构相结合，利用压电材料提供微小步进运动，通过蠕动运动机构实现较大行程范围内的直线或平面运动。但是压电材料会产生漂移和老化，定位精度受到影响。
发明内容
本发明的目的是利用超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的组合实现大行程、高定位精度的一种利用压电效应箝位的超磁致伸缩直线驱动器。其特征在于：所述直线驱动器的基体2通过地脚螺栓与底座1相连，带V形滑槽的左导轨6和右导轨9用螺栓固定在基体2的两个内侧面上，柔性铰链框架7两端的V型压头与左导轨6和右导轨9的V形滑槽构成滑动配合，压紧螺杆5通过固定在基体2右边顶上的支撑板4的螺纹孔将楔形块3紧压在左边基体2和左导轨6之间的斜槽内，压电元件8镶嵌在柔性铰链框架7的正中间，一组柔性铰链框架7和压电元件8构成了一个箝位单元，并通过柔性铰链框架7两端的V型压头与左导轨6和右导轨9的V形滑槽构成滑动配合；超磁致伸缩元件11两端通过两个连接件10分别与前后两个柔性铰链框架7连接构成一体；高精度位移传感器13通过连接板12与超磁致伸缩元件11连接。
本发明的有益效果是超磁致伸缩微致动器以压电微致动器为箝位元件、以高精度光栅尺为检测元件、采用间隙可微调的导轨结构和计算机反馈控制系统，设计制作出一种新型蠕动式直线驱动器，该驱动器克服了现有技术中压电材料会产生漂移和老化现象，具有结构紧凑、稳定性好的特点。实际运行表明该直线驱动器的有效行程超过5毫米、定位精度达到30纳米。这种驱动器有望在微米，纳米精度的制造和检测中得到广泛应用。
附图说明
图1(a)为本发明驱动器的横截面图；(b)为(a)的纵向视图。
图2为控制信号时序图。
具体实施方式
本发明是利用超磁致伸缩材料和压电陶瓷材料的组合实现大行程、高定位精度的一种利用压电效应箝位的超磁致伸缩直线驱动器。在图1(a)(b)所示的结构示意图中，直线驱动器的基体2通过地脚螺栓与底座1相连，带V形滑槽的左导轨6和右导轨9用螺栓固定在基体2的两个内侧面上，柔性铰链框架7两端的V型压头与左导轨6和右导轨9的V形滑槽构成滑动配合，压紧螺杆5通过固定在基体2右边顶上的支撑板4的螺纹孔将楔形块3紧压在左基体2和左导轨6之间的斜槽内，压电元件8镶嵌在柔性铰链框架7的正中间，一组柔性铰链框架7和压电元件8构成了一个箝位单元，并通过柔性铰链框架7两端的V型压头与左导轨6和右导轨9的V形滑槽构成滑动配合；超磁致伸缩元件11两端通过两个连接件10分别与前后两个柔性铰链框架7连接构成一体；高精度位移传感器13通过连接板12与超磁致伸缩元件11连接。
本发明考虑到压电材料会产生漂移和老化，而超磁致伸缩材料漂移较小且无老化现象，则采用超磁致伸缩材料作为驱动器，压电材料作为箝位元件。超磁致伸缩元件11是驱动器的核心，它根据驱动电源提供的控制电流的大小产生不同程度的伸长。为了将超磁致伸缩元件11的伸长转变为驱动器的运动步长，其两端通过两个连接件10分别与前后两个柔性铰链框架7相联，构成一体，由两V型导轨支撑。用弹簧钢制作的柔性铰链框架7两端的V型压头与导轨V形滑槽构成滑动配合，压电元件8镶嵌在柔性铰链框架的正中间，一组柔性铰链框架和压电元件构成了一个箝位单元。若要使驱动器产生向前的运动，则不给前端的箝位单元加电，使前端的箝位单元与导轨之间处于易于相对滑动的状态，而对后端的箝位单元施加一定电压，压电元件伸长，推动柔性铰链框架发生弹性变形，压头压紧在V形滑槽内，增大了柔性铰链框架与导轨之间的摩擦力，从而实现了箝位。随后给超磁致伸缩元件11施加一适当的控制电流，由于前后箝位单元的摩擦阻力不同，超磁致伸缩元件11就会向驱动器前进的方向伸长。然后，给前端的箝位单元施加一个适当的电压，使之实现箝位，而将施加在后端箝位单元的电压撤掉，使其压电元件恢复至未伸长状态，柔性铰链框架与导轨间的摩擦力恢复到柔性铰链框架变形前水平，即松开箝位。最后，将施加在超磁致伸缩元件上的电流关闭，由于此时前后箝位单元已变为前紧后松，所以随着超磁致伸缩元件恢复至未伸长状态，会带动后端的箝位单元前移一小步。如此多次循环动作，驱动器就实现了蠕动式前进。只要改变前后箝位单元加电、去电的次序，就能改变驱动器的运动方向。运动的步长和箝位力的大小通过改变施加给超磁致伸缩元件的电流和压电元件的电压来控制。柔性铰链框架四圆角处壁厚大小的选取十分重要，既要满足弹性变形量要求，又应满足疲劳强度要求。柔性铰链框架水平方向两压头的形状与两导轨V形滑槽配合，一方面支撑驱动器和箝位单元的重量，另一方面限制了驱动器其它两个方向的运动自由度，使其沿着导轨作直线运动。
以下给出该直线驱动器的运行试验结果。超磁致伸缩元件选用ETREMA公司生产的AU-008G300-MS1型微位移驱动器，其驱动电源选用大华公司的DH1720A-2型可控恒流源；压电元件选用PI公司的P-802.10型压电堆，驱动电源选用博实公司的HPV型压电驱动电源；高精度位移传感器选用海德汉公司生产的CT2502型长度计，该长度计的测量范围为25mm，经校准后在全量程内的准确度为±0.03μm。其它零部件自制。所发明的直线驱动器经多次运行试验，表明其行程可以超过5mm，定位精度达到30nm。

Claims (1)

1. 一种利用压电效应箝位的超磁致伸缩直线驱动器，其特征在于：所述直线驱动器的基体(2)通过地脚螺栓与底座(1)相连，带V形滑槽的左导轨(6)和右导轨(9)用螺栓固定在基体(2)的两个内侧面上，柔性铰链框架(7)两端的V型压头与左导轨(6)和右导轨(9)的V形滑槽构成滑动配合，压紧螺杆(5)通过固定在基体(2)右边顶上的支撑板(4)的螺纹孔将楔形块(3)紧压在左基体(2)和左导轨(6)之间的斜槽内；压电元件(8)镶嵌在柔性铰链框架(7)的正中间，一组柔性铰链框架(7)和压电元件(8)构成了一个箝位单元，并通过柔性铰链框架(7)两端的V型压头与左导轨(6)和右导轨(9)的V形滑槽构成滑动配合；超磁致伸缩元件(11)两端通过两个连接件(10)分别与前后两个柔性铰链框架(7)连接构成一体；高精度位移传感器(13)通过连接板(12)与超磁致伸缩元件(11)连接。
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