CN101083440B - 回转式压电微角度驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微驱动、定位技术。具体讲是涉及回转式压电微角度驱动装置。为提供一种结构简单、造价低、装调容易、运动精度高的回转式压电微角度驱动装置，本发明采用的技术方案是：回转式压电微角度驱动装置，包括机盖、机座、轴承端盖、轴承和回转轴，此外还包括，驱动器、压电陶瓷、与回转轴固定连接的联动盘、用于夹紧和放松联动盘的夹紧器，驱动器由动体和固定在机座上的定体组成，动体上固定着夹紧器，压电陶瓷分布在驱动器上。本发明主要用于制造实现交替“推—拉”原理，又称“尺蠖”原理的为驱动装置。

Description

回转式压电微角度驱动装置

技术领域

本发明涉及微驱动、定位技术。具体讲是涉及回转式压电微角度驱动装置。

背景技术

微驱动、定位技术是当今世界各国研究的热点问题，是纳米测量及加工技术中的关键技术之一，无论是纳米测量还是纳米定位，都需要有一个微驱动系统。微驱动器的性能好坏，直接影响到测量或定位的精度。所谓微驱动器指的是能产生微驱动作用的器件和装置。微驱动器是微驱动、定位系统中的重要组成部分。国内外著名的大学和实验室都将有关微驱动器的设计、加工、制造、测试等技术的研究作为微机械研究的一个重点方向和突破口。压电电动机是近年来发展起来的新型驱动器，是一种利用压电陶瓷逆压电效应制作的微位移器，具有体积小、推力大、精度高、位移分辨力高和频响快等优点，并且不发热，不产生噪声，是理想的微位移传感器。它的出现带动了诸如超大规模集成电路加工、精密光学控制、超精加工、显微分析、人工智能控制等的飞速发展，在国防、微电子、航空、航天等尖端领域发挥着极为重要的作用。虽然压电电动机达到了应用的水平，但由于价格比较贵而难以在更加广的范围内应用，改变马达的结构和选择适当的材料都可以进一步降低马达的成本。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种结构简单、造价低、装调容易、运动精度高的回转式压电微角度驱动装置。

本发明采用的技术方案是：回转式压电微角度驱动装置，包括机盖、机座、轴承端盖、轴承和回转轴，还包括，驱动器、压电陶瓷、与回转轴固定连接的联动盘、用于夹紧和放松联动盘的夹紧器，驱动器由用于在压电陶瓷的驱动下产生角位移的动体和用于将驱动器固定在机座上的定体组成；所述驱动器的动体和定体数目相等，相互间隔分布；每个动体和定体间设置有一个压电陶瓷；每个动体上固定着一个夹紧器，所述夹紧器的结构为两个悬臂梁，两个悬臂梁一端设置有使两悬臂梁位置接近或远离的夹紧器压电陶瓷，两个悬臂梁中部设置有柔性铰链连接，两个悬臂梁另一端用于夹紧或放松；当夹紧器压电陶瓷膨胀时，在柔性铰链的放大作用下，夹紧器夹紧联动盘，然后给驱动器上的压电陶瓷施加电压，产生膨胀，从而迫使动体转过一个微小的角度，由于夹紧器固定在动体上而且已经夹紧了联动盘，这样动体就带动联动盘产生角位移；然后夹紧器松开联动盘，压电陶瓷收缩以准备下一次的驱动动作，同时下一个压电陶瓷膨胀再迫使动体转过一个微小的角度，固定在下一个压电陶瓷上的夹紧器带动联动盘再产生角位移，如此循环往复并依推拉原理实现联动盘360°转动。

所述动体和定体各为4扇，且由位置对称的2个夹紧器和驱动器上的4块压电陶瓷组成一个单元。

所述驱动器动体设置有可使动体沿驱动器轴向进行摆动的柔性铰链结构。

本发明具备以下效果：由于采用了新颖的推-拉接力运动原理，在结构设计方面，采用压电陶瓷为驱动器，结合柔性铰链结构实现的微位移进给驱动机构，直接使该回转装置产生2秒以内的单步步距，回转角度可达360度。将传统单驱动器结构改为双驱动器结构，配以适当的四路驱动信号，实现了压电微动装置的连续匀速运动。

附图说明

图1回转式微角度驱动装置运动原理简图。

图2回转式压电微角度驱动装置机械装配简图。

图3夹紧器结构图。图中：R-柔性铰链的切割半径，t-柔性铰链的最小厚度。

图4驱动器结构图。

图5回转式微角度驱动装置结构刨视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

回转式压电微角度驱动装置为实现轴的匀速和连续回转运动，利用了相同的交替“推——拉”原理，又称“尺蠖”原理。图1所示是回转式微角度驱动装置的运动原理简图。由两个夹紧器C1、C2和两个促动器A1、A2组成。图1(1)为OFF放松状态；图1(2)时，C2夹紧、C1放松；图1(3)时，A1、A2一同伸张，C2带动联动盘旋转；图1(4)、C1夹紧、C2放松；图1(5)A1、A2一同收缩，C1、A1带动联动盘继续顺时针旋转。如此(2)、(3)、(4)、(5)状态反复交替，使固定在联动盘上的轴实现顺时针运动，将C1、C2顺序颠倒，轴将逆时针旋转。由于A1、A2位移速度相等，因此能保证轴连续匀速旋转。注意在A2伸张和A1收缩交替时重叠了一段，此时C1、C2同时夹紧，以防C1、C2松、紧交替时，轴会发生瞬时失速。

根据上述原理，压电微角度驱动装置如图2和图5所示。整个装置呈圆柱状，机盖外圆直径106mm。其结构主要由机座、4个夹紧器、驱动器、联动盘等部分组成。其中夹紧器的结构如图3所示，驱动器的结构如图4所示。驱动器由4扇定体和4扇动体组成，每相对的两块为一组，分别决定顺时针和逆时针两个方向的转动，8块压电陶瓷呈环形均匀分布在驱动器上；定体的作用是将驱动器固定在机座上，见图5；而动体的作用则是压电陶瓷的驱动下在产生角位移。夹紧器固定在动体上，见图2，并采用杠杆原理与柔性铰链结合的结构，见图3。当夹紧器上的压电陶瓷膨胀时，在柔性铰链的放大作用下，夹紧头夹紧联动盘，见图2。然后给驱动器上的压电陶瓷施加电压，产生膨胀，从而迫使动体转过一个微小的角度见图5。由于夹紧器固定在动体上而且已经夹紧了联动盘，这样动体就带动联动盘产生角位移。这就是系统基本的运动过程。驱动装置中由2个夹紧器和驱动器上的4块压电陶瓷组成一个单元。由于这两个单元的原理、结构及应满足的功能完全一致，故将两个单元对称放置，这样既加大了微动工作平台的驱动力，又增加了运行的平稳性，且结构简单，安装方便。

2.1夹紧器的设计

由于所选的用作夹紧器的压电陶瓷最大形变只有10μm，位移不足够大，因此为满足夹紧的需要，夹紧器在机械结构中设计了放大机构。同时，为了减小夹紧的迟滞现象，拟采用杠杆原理与柔性铰链结合的结构。如图3所示，夹紧器为对称结构，以便减小夹紧力引起的对轴弯矩，降低对马达精度的影响，使马达回转均匀，无迟滞现象，无机械摩擦。取a＝6.5，b＝18.5，那么放大倍数 $k=\frac{b}{a}=\frac{18.5}{6.5}\≈3.$

2.2驱动器的设计

驱动器的设计如图4所示，由四个动体和四个固定在机座上的定体组成，动体上固定着夹紧器。动体由相对的两个压电陶瓷一起驱动，由于压电陶瓷驱动电源电压相同，同时它们各自参数相同，所以它们的形变以及对动体产生的力近似相等F1＝F2，近似为一对力偶。这种直接驱动虽然对角度没有放大作用，但是可以减小干扰及由传动环节引入的误差。动体摆动采用柔性铰链设计。

本回转式压电微角度驱动装置，通过回转机械装置，将压电陶瓷的微位移以角度方式输送出来。并对样机行了实验测试，理论分析结果与试验测试结果基本相符。实验结果表明，所设计的回转驱动装置具有结构紧凑、分辨力高及运动稳定等优点。同时，动体没有缠绕，使得驱动器可以在任意位置启动，并可在360°范围内连续转动。在精密工程的相关领域具有广泛的应用前景。

Claims (3)

1.一种回转式压电微角度驱动装置，包括机盖、机座、轴承端盖、轴承和回转轴，其特征在于，还包括，驱动器、压电陶瓷、与回转轴固定连接的联动盘、用于夹紧和放松联动盘的夹紧器，驱动器由用于在压电陶瓷的驱动下产生角位移的动体和用于将驱动器固定在机座上的定体组成；所述驱动器的动体和定体数目相等，相互间隔分布；每个动体和定体间设置有一个压电陶瓷；每个动体上固定着一个夹紧器，所述夹紧器的结构为两个悬臂梁，两个悬臂梁一端设置有使两悬臂梁位置接近或远离的夹紧器压电陶瓷，两个悬臂梁中部设置有柔性铰链连接，两个悬臂梁另一端用于夹紧或放松；当夹紧器压电陶瓷膨胀时，在柔性铰链的放大作用下，夹紧器夹紧联动盘，然后给驱动器上的压电陶瓷施加电压，产生膨胀，从而迫使动体转过一个微小的角度，由于夹紧器固定在动体上而且已经夹紧了联动盘，这样动体就带动联动盘产生角位移；然后夹紧器松开联动盘，压电陶瓷收缩以准备下一次的驱动动作，同时下一个压电陶瓷膨胀再迫使动体转过一个微小的角度，固定在下一个压电陶瓷上的夹紧器带动联动盘再产生角位移，如此循环往复并依推拉原理实现联动盘360°转动。

2.根据权利要求1所述的一种回转式压电微角度驱动装置，其特征在于，所述动体和定体各为4扇，且由位置对称的2个夹紧器和驱动器上的4块压电陶瓷组成一个单元。

3.根据权利要求1所述的一种回转式压电微角度驱动装置，其特征在于，所述驱动器动体设置有可使动体沿驱动器轴向进行摆动的柔性铰链结构。

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