CN104167953A - 一种内驱动式被动箝位压电驱动器 - Google Patents

Abstract

一种内驱动式被动箝位压电驱动器，它涉及一种压电驱动器，以解决现有内驱式箝位压电驱动器存在断电不能自锁，驱动器的运动速度慢，对箝位体和导轨的机械加工精度要求较高的问题，它包括导轨、驱动体、驱动压电叠堆、两个箝位压电叠堆和两个箝位体；每个箝位体包括箝位压电叠堆预紧件、两个箝位三角放大的柔性铰链、两个箝位压电叠堆支撑体和两个箝位头；每个驱动体包括两个驱动三角放大的柔性铰链、两个驱动压电叠堆支撑体和两个驱动压电叠堆预紧件；两个箝位体之间设置有与二者连接的驱动体；驱动体和两个箝位体布置在导轨两臂的凹槽内。本发明用于微驱动过程中。

Description

一种内驱动式被动箝位压电驱动器

技术领域

本发明涉及一种压电驱动器，具体涉及一种被动箝位压电驱动器。

背景技术

压电驱动是一种目前全球应用比较广泛的驱动方式，主要分为谐振式压电驱动器和非谐振式压电驱动器。非谐振式压电驱动器中应用较广泛的是箝位式压电驱动器，这种驱动器是利用压电叠堆通电伸长实现对导轨的箝位与放松，进而实现驱动的一种微驱动装置，其工作原理类似于蠕动类爬行动物，因此，也通常被称为尺蠖式或蠕动式压电驱动器。其主要应用在输出力大、定位精确和低速运行的环境。目前，国内谐振式压电驱动装置的研究相对较多并且得到了一定的应用，而非谐振式压电驱动的研究相对较少，而且大多数都处于实验室研究阶段，并未得到广泛的应用，其中吉林大学在该方面研究较多。国外在两个方面的研究均较多，而且在航天、工业制造以及精密驱动方面应用广泛。相对而言，国内目前对主动箝位工作方式的压电驱动器研究较多，但其存在着一定的不足。首先，主动箝位压电驱动器通电时，箝位体对导轨夹紧，断电时，对导轨放松，若要长时间保持箝位状态，箝位体需持续保持通电才可以实现。其次，主动箝位装置多数是通过压电叠堆通电伸长使柔性铰链变形实现对导轨的夹紧，如果箝位装置与导轨间的间隙较大，则箝位装置对导轨的箝位力较小或者不能箝位；如果箝位装置与导轨间的距离太小，并且箝位装置加工精度较低，则会导致压电叠堆断电时，箝位装置不能与导轨完全分离，两者之间产生滑动摩擦，导致箝位装置磨损，对加工精度、装配精度和调试提出了很高的要求。

授权公告日为1988年4月5日、授权公告号为US4736131的发明专利公开了一种内驱式四足箝位压电驱动器，该装置采用了主动箝位蠕动方式，有两个箝位单元和两个驱动单元，箝位结构采用了杠杆放大原理，箝位压电叠堆通电时，箝位结构对导轨放松，不能实现断电自锁；驱动体压电叠堆的位移采用直接输出的方式，没有使用位移放大机构，驱动器的运动速度低，对箝位结构和导轨的机械加工精度要求高。

发明内容

本发明是为解决现有内驱式箝位压电驱动器存在断电不能自锁，驱动器的运动速度慢，对箝位体和导轨的机械加工精度要求较高的问题，进而提供一种内驱动式被动箝位压电驱动器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种内驱动式被动箝位压电驱动器包括导轨、驱动体、驱动压电叠堆、两个箝位压电叠堆和两个箝位体；导轨为П形导轨，导轨的两臂水平设置；

每个箝位体包括箝位压电叠堆预紧件、两个箝位三角放大的柔性铰链、两个箝位压电叠堆支撑体和两个箝位头；两个箝位三角放大的柔性铰链以导轨的中心线MN对称设置，两个箝位三角放大的柔性铰链的中部各安装有一个箝位头，两个箝位三角放大的柔性铰链的两端各安装有一个箝位压电叠堆支撑体且四者连接为一体；

每个驱动体包括两个驱动三角放大的柔性铰链、两个驱动压电叠堆支撑体和两个驱动压电叠堆预紧件；两个箝位体之间设置有与二者连接的驱动体，驱动体的两个驱动三角放大的柔性铰链分别与各自相邻的箝位压电叠堆支撑体连接，两个驱动三角放大的柔性铰链之间连接两个驱动压电叠堆支撑体，两个驱动压电叠堆支撑体以导轨的中心线MN对称设置，两个驱动压电叠堆预紧件旋拧在两个驱动压电叠堆支撑体上，驱动压电叠堆竖直安装在两个驱动压电叠堆预紧件之间；

两个箝位压电叠堆预紧件分别旋拧在外侧布置的箝位压电叠堆支撑体上，箝位压电叠堆水平安装在箝位压电叠堆预紧件和内侧布置的箝位压电叠堆支撑体之间；驱动体和两个箝位体布置在导轨两臂的凹槽内，四个箝位头嵌装在凹槽内并能在凹槽滑动。

本发明的有益效果是：一、箝位体和驱动体均为对称结构，驱动压电叠堆和箝位压电叠堆两侧的三角放大结构的柔性铰链结构刚度相等，承受了较小偏载，输出位移稳定可靠，通过驱动体和两个箝位体协调工作实现驱动器在导轨内部的双向直线运动，驱动体采用与箝位体相同的预紧方式，导轨对驱动器起支撑和导向作用，凹槽能实现箝位体和驱动体的定位，实现驱动器的内驱式驱动。二、箝位体和驱动体均采用基于柔性铰链构成的三角放大结构，柔性铰链对压电叠堆具有保护作用，同时具有将箝位压电叠堆和驱动压电叠堆的输出位移放大功能，可以降低箝位体和导轨加工精度要求，增大驱动体的运动位移，运动灵敏平稳，免润滑，无摩擦，分辨率高；在箝位压电叠堆处于断电状态时，箝位头与导轨处于箝位状态，实现断电自锁，能够克服现有的主动箝位式直线压电驱动器存在的断电不能自锁的问题；在箝位压电叠堆通电时，箝位压电叠堆产生输出位移，三角放大结构的箝位柔性铰链将输出位移放大，转换成箝位头的横向位移，实现对导轨的放松；驱动压电叠堆通电时，产生输出位移，驱动三角放大结构的驱动柔性铰链将驱动压电叠堆的输出位移放大并转换为驱动体的纵向位移，推动箝位体在导轨中运动一步，实现驱动器的步进，提高了驱动器的行走速度。三、通过改变箝位体和驱动体的信号相位，可以实现驱动器往复运动。四、本发明的驱动器具有结构简单，体积小，质量轻，性能可靠以及安装调节方便等优点。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图，图2是图1的B向视图，图3是本发明的驱动体和箝位体的连接结构立体示意图，图4是图3的C向视图，图5是导轨的立体结构示意图，图6是本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的一种内驱动式被动箝位压电驱动器包括导轨1、驱动体3、驱动压电叠堆6、两个箝位压电叠堆4和两个箝位体2；导轨1为П形导轨，导轨1的两臂水平设置；

每个箝位体2包括箝位压电叠堆预紧件5、两个箝位三角放大的柔性铰链10、两个箝位压电叠堆支撑体11和两个箝位头9；两个箝位三角放大的柔性铰链10以导轨1的中心线MN对称设置，两个箝位三角放大的柔性铰链10的中部各安装有一个箝位头9，两个箝位三角放大的柔性铰链10的两端各安装有一个箝位压电叠堆支撑体11且四者连接为一体；

每个驱动体3包括两个驱动三角放大的柔性铰链12、两个驱动压电叠堆支撑体13和两个驱动压电叠堆预紧件7；两个箝位体2之间设置有与二者连接的驱动体3，驱动体3的两个驱动三角放大的柔性铰链12分别与各自相邻的箝位压电叠堆支撑体11连接，两个驱动三角放大的柔性铰链12之间连接两个驱动压电叠堆支撑体13，两个驱动压电叠堆支撑体13以导轨1的中心线MN对称设置，两个驱动压电叠堆预紧件7旋拧在两个驱动压电叠堆支撑体13上，驱动压电叠堆6竖直安装在两个驱动压电叠堆预紧件7之间；

两个箝位压电叠堆预紧件5分别旋拧在外侧布置的箝位压电叠堆支撑体11上，箝位压电叠堆4水平安装在箝位压电叠堆预紧件5和内侧布置的箝位压电叠堆支撑体11之间；驱动体3和两个箝位体2布置在导轨1两臂的凹槽1-1内，四个箝位头9嵌装在凹槽1-1内并能在凹槽1-1滑动。

具体实施方式二：结合图2说明，本实施方式的每个箝位三角放大的柔性铰链10为三角放大的直圆柔性铰链，每个箝位三角放大的柔性铰链10的中部圆弧形段的外侧连接有箝位头9。如此设置，结构紧凑，能适应不同场合使用，能达到精密的分别率，运动精度较高，并具有良好的动态特性，能大大降低导轨和箝位体的加工精度要求。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明，本实施方式的每个驱动三角放大的柔性铰链12为三角放大的直圆柔性铰链，每个驱动三角放大的柔性铰链10的中部圆弧形段的外侧与相对应的箝位压电叠堆支撑体11连接。如此设置，提高了驱动器的行走速度，能达到精密的分别率，运动精度较高。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1-图4说明，本实施方式的驱动体3和箝位体2一体制成。如此设置，一体化加工而成，无需装配，结构简单，整体装配方便，避免了因装配产生的误差而影响运行的稳定。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1-图4说明，本实施方式的四个箝位头9与凹槽1-1的两侧面间隙配合。如此设置，驱动器整体运行可靠平稳。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图4说明，本实施方式所述四个箝位压电叠堆支撑体11和两个驱动压电叠堆支撑体13均为凸形结构，两个箝位压电叠堆支撑体11的突出部11-1之间布置有箝位压电叠堆4，两个驱动压电叠堆支撑体13的突出部13-1之间布置有驱动压电叠堆6。如此设置，凸形结构的箝位压电叠堆支撑体和驱动压电叠堆支撑体能分别对箝位压电叠堆和驱动压电叠堆起到很好的夹持作用，同时也增大了三角放大的柔性铰链的位移放大空间。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2-图3说明，本实施方式的每个箝位压电叠堆预紧件5包括垫片8和第一螺栓14；每个驱动压电叠堆预紧件7分别包括垫片8和第二螺栓15，第一螺栓14旋拧在箝位压电叠堆支撑体11上，第二螺栓15旋拧在驱动压电叠堆支撑体13上，垫片8安装在第一螺栓14和第二螺栓15的端部，驱动压电叠堆6竖直安装在两个垫片8之间，箝位压电叠堆4水平安装在箝位压电叠堆支撑体11和垫片8之间。如此设置，箝位体和驱动体采用螺栓或紧定螺钉分别对箝位压电叠堆和驱动压电叠堆进行预紧，预紧力调节方便，垫片对箝位压电叠堆和驱动压电叠堆起到很好的防护作用，满足实际需要。其它与具体实施方式六相同。

工作原理

结合图1-图6说明本发明的工作过程：

第一步：在箝位压电叠堆4和驱动压电叠堆6断电状态下，箝位体2在预紧力的作用下与导轨1处于箝位状态，驱动器断电自锁；

第二步：当右侧箝位体2的箝位压电叠堆4通电时，箝位三角放大结构的柔性铰链10由于该箝位压电叠堆4的伸长而产生变形，右侧箝位体2的箝位头9向导轨1的内侧方向收缩，实现右侧箝位体2对导轨1的放松，并保持该箝位压电叠堆4处于通电状态；

第三步：在第二步的基础上，驱动压电叠堆6通电，驱动三角放大结构的柔性铰链12由于驱动压电叠堆6的伸长而产生变形，驱动右侧箝位体2向左运动一步，并保持驱动压电叠堆6处于通电状态。

第四步：在第三步的基础上，右侧箝位体2的箝位压电叠堆4断电，该箝位压电叠堆4收缩，箝位三角放大结构的柔性铰链10在弹性恢复力的作用下变形，右侧箝位体2的箝位头9向导轨1外侧方向伸出，右侧箝位体2与导轨1处于箝位状态。

第五步：在第四步的基础上，左侧的箝位压电叠堆4通电，左侧箝位体2对导轨1放松，并保持该左侧的箝位压电叠堆4通电状态。

第六步：在第五步的基础上，驱动压电叠堆6断电，驱动三角放大结构的柔性铰链12在弹性恢复力的作用下变形。

第七步：在第六步的基础上，左侧箝位压电叠堆4断电，左侧箝位体2与导轨1箝位，驱动器恢复到初始状态，最终驱动器向左运动一步。

如此循环，压电驱动器将向左连续地运动；反之，当改变两个箝位体驱动信号顺序时，压电驱动器将向右连续运动。

Claims (7)

1.一种内驱动式被动箝位压电驱动器，其特征在于：它包括导轨(1)、驱动体(3)、驱动压电叠堆(6)、两个箝位压电叠堆(4)和两个箝位体(2)；导轨(1)为П形导轨，导轨(1)的两臂水平设置；

每个箝位体(2)包括箝位压电叠堆预紧件(5)、两个箝位三角放大的柔性铰链(10)、两个箝位压电叠堆支撑体(11)和两个箝位头(9)；两个箝位三角放大的柔性铰链(10)以导轨(1)的中心线MN对称设置，两个箝位三角放大的柔性铰链(10)的中部各安装有一个箝位头(9)，两个箝位三角放大的柔性铰链(10)的两端各安装有一个箝位压电叠堆支撑体(11)且四者连接为一体；

每个驱动体(3)包括两个驱动三角放大的柔性铰链(12)、两个驱动压电叠堆支撑体(13)和两个驱动压电叠堆预紧件(7)；两个箝位体(2)之间设置有与二者连接的驱动体(3)，驱动体(3)的两个驱动三角放大的柔性铰链(12)分别与各自相邻的箝位压电叠堆支撑体(11)连接，两个驱动三角放大的柔性铰链(12)之间连接两个驱动压电叠堆支撑体(13)，两个驱动压电叠堆支撑体(13)以导轨(1)的中心线MN对称设置，两个驱动压电叠堆预紧件(7)旋拧在两个驱动压电叠堆支撑体(13)上，驱动压电叠堆(6)竖直安装在两个驱动压电叠堆预紧件(7)之间；

两个箝位压电叠堆预紧件(5)分别旋拧在外侧布置的箝位压电叠堆支撑体(11)上，箝位压电叠堆(4)水平安装在箝位压电叠堆预紧件(5)和内侧布置的箝位压电叠堆支撑体(11)之间；驱动体(3)和两个箝位体(2)布置在导轨(1)两臂的凹槽(1-1)内，四个箝位头(9)嵌装在凹槽(1-1)内并能在凹槽(1-1)滑动。

2.根据权利要求1所述的一种内驱动式被动箝位压电驱动器，其特征在于：每个箝位三角放大的柔性铰链(10)为三角放大的直圆柔性铰链，每个箝位三角放大的柔性铰链(10)的中部圆弧形段的外侧连接有箝位头(9)。

3.根据权利要求1或2所述的一种内驱动式被动箝位压电驱动器，其特征在于：每个驱动三角放大的柔性铰链(12)为三角放大的直圆柔性铰链，每个驱动三角放大的柔性铰链(10)的中部圆弧形段的外侧与相对应的箝位压电叠堆支撑体(11)连接。

4.根据权利要求3所述的一种内驱动式被动箝位压电驱动器，其特征在于：驱动体(3)和箝位体(2)一体制成。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种内驱动式被动箝位压电驱动器，其特征在于：四个箝位头(9)与凹槽(1-1)的两侧面间隙配合。

6.根据权利要求5所述的一种内驱动式被动箝位压电驱动器，其特征在于：所述四个箝位压电叠堆支撑体(11)和两个驱动压电叠堆支撑体(13)均为凸形结构，两个箝位压电叠堆支撑体(11)的突出部(11-1)之间布置有箝位压电叠堆(4)，两个驱动压电叠堆支撑体(13)的突出部(13-1)之间布置有驱动压电叠堆(6)。

7.根据权利要求1或6所述的一种内驱动式被动箝位压电驱动器，其特征在于：每个箝位压电叠堆预紧件(5)包括垫片(8)和第一螺栓(14)；每个驱动压电叠堆预紧件(7)分别包括垫片(8)和第二螺栓(15)，第一螺栓(14)旋拧在箝位压电叠堆支撑体(11)上，第二螺栓(15)旋拧在驱动压电叠堆支撑体(13)上，垫片(8)安装在第一螺栓(14)和第二螺栓(15)的端部，驱动压电叠堆(6)竖直安装在两个垫片(8)之间，箝位压电叠堆(4)水平安装在箝位压电叠堆支撑体(11)和垫片(8)之间。