CN102647107A - 基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，可用于精密和超精密加工、微夹持操作、扫描成像等领域实现大行程微纳米级高精度直线定位。主要由正向驱动单元、动子单元、负向驱动单元等组成。正向驱动单元和负向驱动单元成对称结构安装在基座上，动子单元安装在基座的凹槽内。动子单元中动子两侧的薄片状结构与正向驱动单元和负向驱动单元的输出端通过间隙配合实现连接。该驱动器结构紧凑、控制便捷，基于寄生运动原理可以实现毫米级大行程和微纳米级高精度直线定位功能，在精密和超精密加工、微夹持操作、扫描成像等需要大行程和高精度定位的领域具有良好的应用前景。

Description

基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器
 
技术领域
    本发明涉及一种基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，可用于精密和超精密加工、微夹持操作、扫描成像等领域实现大行程微纳米级高精度直线定位。
背景技术
微纳米级定位装置在科学界和工业界具有广泛的应用价值与需求。压电驱动器作为微纳米级定位装置中的典型一种，在精密和超精密加工、原子力显微镜、扫描电子显微镜、微纳米力学测试、微夹持等领域发挥着越来越重要的作用。目前利用压电驱动元件基于不同的驱动原理，研究人员研制开发了形态和功能各异的驱动器，比较典型的有压电叠堆直驱式驱动器、柔性机构驱动器、尺蠖型驱动器、惯性驱动器和粘滑式驱动器等。压电叠堆直驱式驱动器具有结构简单、响应迅速、高分辨率等优点，但是受到压电叠堆输出位移行程的限制，该类型驱动器输出位移十分受限。柔性机构驱动器可方便的实现多自由度运动，但是结构和控制复杂，并且行程较小，刚度较低。尺蠖型驱动器具有大行程和快速响应的优点，但是其结构和控制复杂，另外对于加工和装配要求极高。惯性驱动器往往具有简单的结构并能实现大行程和快速响应，但是其承载能力低的缺点限制了其使用。粘滑式驱动器具有理论无限行程，但是其运动速度受限，承载能力也较低。综上所述，研制具有大行程、高精度、高速度、高承载能力的驱动器目前依然是一个难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，解决了现有技术存在的上述问题。本发明基于寄生运动原理设计一种大行程微纳米级直线驱动器，为实现大行程高精度定位提供一种可用方案。基于寄生运动原理该类型驱动器可实现毫米级大行程和微纳米级高精度定位。借助本发明提供的驱动原理，可以设计形式各异的大行程高精度压电驱动器，满足精密和超精密加工、微夹持操作、扫描成像等领域的不同需求。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，包括正向驱动单元、动子单元及负向驱动单元，所述的正向驱动单元、动子单元及负向驱动单元分别通过螺钉与基座1连接。
所述的正向驱动单元由正向运动压电叠堆3和正向运动柔性铰链4组成，所述正向运动柔性铰链4通过螺钉与基座1连接，所述正向运动压电叠堆3采用紧配合方式安装在正向运动柔性铰链4的凹槽内。
所述的负向驱动单元由负向运动压电叠堆7和负向运动柔性铰链6组成，所述负向运动柔性铰链6通过螺钉与基座1连接，所述负向运动压电叠堆7采用紧配合方式安装在负向运动柔性铰链6的凹槽内。
所述的动子单元由导轨滑块组件2和动子5组成，动子单元通过导轨滑块组件2的导轨上的安装孔与基座1连接，动子5通过螺钉与导轨滑块组件2的滑块连接。
所述的动子单元通过动子5两侧的薄片状结构分别与正向驱动单元和负向驱动单元输出端的凹槽实现间隙配合。
本发明基于寄生运动原理，该类型驱动器可实现毫米级大行程和微纳米级高精度定位。
    本发明的有益效果在于：结构简单、紧凑，控制便捷，基于寄生运动原理为精密和超精密加工、微夹持操作、扫描成像等领域提供一种大行程微纳米级定位方案，利用该方案研制的压电驱动器具有理论上无限的位移行程，在100伏的驱动电压和5赫兹驱动频率时驱动速度达到40微米/秒，改变驱动电压和驱动频率可以方便的获得不同驱动速度和分辨率的运动输出。可用于精密和超精密加工、微夹持操作、扫描成像等领域实现大行程微纳米级高精度直线定位。适用范围广，实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器的立体结构示意图；
图2是本发明弹性体变形产生寄生运动的示意图；
图3是本发明基于寄生运动原理实现直线驱动的原理图；
图4是本发明基于寄生运动原理实现直线驱动的时序控制图；
图5是本发明基于寄生运动原理实现直线驱动的过程示意图；
图6是本发明基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器的俯视示意图；
图7是本发明基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器的主视示意图；
图8是本发明驱动器在驱动频率均为3赫兹，不同驱动电压幅值下测得的实际运动输出曲线； 
图9是本发明驱动器在驱动电压幅值均为100伏，不同驱动电压频率下测得的实际运动输出曲线。
图中：1、基座；2、导轨滑块组件；3、正向运动压电叠堆；4、正向运动柔性铰链；5、动子；6、负向运动柔性铰链；7、负向运动压电叠堆。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1、图6及图7所示，本发明的基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，包括正向驱动单元、动子单元及负向驱动单元，所述的正向驱动单元、动子单元及负向驱动单元分别通过螺钉与基座1连接。
所述的正向驱动单元由正向运动压电叠堆3和正向运动柔性铰链4组成，所述正向运动柔性铰链4通过螺钉与基座1连接，所述正向运动压电叠堆3采用紧配合方式安装在正向运动柔性铰链4的凹槽内。
所述的负向驱动单元由负向运动压电叠堆7和负向运动柔性铰链6组成，所述负向运动柔性铰链6通过螺钉与基座1连接，所述负向运动压电叠堆7采用紧配合方式安装在负向运动柔性铰链6的凹槽内。
所述的动子单元由导轨滑块组件2和动子5组成，动子单元通过导轨滑块组件2的导轨上的安装孔与基座1连接，动子5通过螺钉与导轨滑块组件2的滑块连接。
所述的动子单元通过动子5两侧的薄片状结构分别与正向驱动单元和负向驱动单元输出端的凹槽实现间隙配合。
本发明基于寄生运动原理，该类型驱动器可实现毫米级大行程和微纳米级高精度定位。
参见图2，是弹性体变形产生寄生运动的示意图。弹性体A在受到外部载荷F作用时会产生弹性变形，导致输出端B产生微小运动，包括沿着x向的运动Δx和沿着y向的运动Δy。利用x向的运动Δx，该种结构在微夹持领域有着广泛的应用。x向的运动Δx用于实现对被夹持物体的夹持，而y向的运动Δy则是由于弹性体A变形导致的附加运动。因为Δy是伴随Δx产生的，所以y向的运动Δy被称之为寄生运动。该种寄生运动对于微夹持应用来说是有害的，它会导致被夹持物体产生滑动，不利于夹持的稳定性。然而，本发明却是利用这种寄生运动来实现直线驱动的。
       参见图3，是基于寄生运动原理实现直线驱动的原理图。当弹性体变形产生夹持运动Δx和寄生运动Δy时，弹性体输出端首先对动子产生正压力N，随着寄生运动的增大，动子与弹性体输出端有相对运动趋势，摩擦力f N随之产生。由于寄生运动Δy和摩擦力f N的存在，使得动子沿着y向产生直线运动。
参见图4及图5，说明基于寄生运动原理实现直线驱动具体过程。如附图5所示，一个完整的运动过程主要包括6个步骤：（a）从0到t 1时刻，动子和输出端之间存在一定的间隙δ，夹持运动Δx主要用于补偿间隙，此段时间内，动子和弹性体输出端未接触；（b）在t 1时刻，动子和弹性体输出端初始接触；（c）在t 1至t 2时刻，随着弹性体进一步变形，夹持运动Δx和寄生运动Δy增大。根据附图3，动子在寄生运动Δy和摩擦力f N的作用下沿着y向实现微小直线运动；（d）在t 2时刻，弹性体达到最大变形，动子也达到单步最大位移S；（e）在t 2至T时刻，弹性体逐步恢复初始状态，但是其输出端与动子仍然接触，导致动子沿着y向有一定的负向运动，记为S 0；（f）在T时刻，弹性体恢复初始状态，为下一个运动循环做准备。在一个运动循环中，单步有效运动位移S e为S e=S-S 0。重复以上6步，可以实现动子连续直线运动。通过改变驱动电压频率和幅值可以获得不同的驱动速度和位移分辨率。
       参见图6及图7，当具有一定幅值和频率的驱动电压作用到正向压电叠堆3时，正向压电叠堆3将在压电效应的作用下伸长，通过柔性机构传递最终带动正向运动柔性铰链4产生夹持运动和寄生运动，从而带动动子5实现沿着y向的直线运动。通过左右对称结构设计，该直线驱动器可实现沿着y向的正向和负向运动。连续给压电叠堆施加具有一定幅值和频率的驱动电压，动子5可沿着y向连续、大行程运动。
参见图8，是本发明在驱动频率均为3赫兹，不同驱动电压幅值下测得的实际运动输出曲线。附图9是本发明在驱动电压幅值均为100伏，不同驱动电压频率下测得的实际运动输出曲线。在驱动电压100伏、频率5赫兹时，驱动速度超过40微米/秒。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，其特征在于：包括正向驱动单元、动子单元及负向驱动单元，所述的正向驱动单元、动子单元及负向驱动单元分别通过螺钉与基座（1）连接。
2.根据权利要求1所述的基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，其特征在于：所述的正向驱动单元由正向运动压电叠堆（3）和正向运动柔性铰链（4）组成，所述正向运动柔性铰链（4）通过螺钉与基座（1）连接，所述正向运动压电叠堆（3）采用紧配合方式安装在正向运动柔性铰链（4）的凹槽内。
3.根据权利要求1所述的基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，其特征在于：所述的负向驱动单元由负向运动压电叠堆（7）和负向运动柔性铰链（6）组成，所述负向运动柔性铰链（6）通过螺钉与基座（1）连接，所述负向运动压电叠堆（7）采用紧配合方式安装在负向运动柔性铰链（6）的凹槽内。
4.根据权利要求1所述的基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，其特征在于：所述的动子单元由导轨滑块组件（2）和动子（5）组成，动子单元通过导轨滑块组件（2）的导轨上的安装孔与基座（1）连接，动子（5）通过螺钉与导轨滑块组件（2）的滑块连接。
5.根据权利要求1或4所述的基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器，其特征在于：所述的动子单元通过动子（5）两侧的薄片状结构分别与正向驱动单元和负向驱动单元输出端的凹槽实现间隙配合。
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