CN104270031A - 多级精密定位压电驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级精密定位压电驱动器，包括基座、驱动平台、设置在基座和驱动平台之间的n个双稳态单胞结构、连接环和连接柱；其中n为大于零的整数；各双稳态单胞结构独立驱动；双稳态单胞结构包括：具有拱形结构或锥形结构的附着板、分别铺设在附着板上下表面的上压电材料层和下压电材料层；当给上压电材料层和下压电材料层施加电压载荷时，压电材料变形使双稳态单胞结构跳转至与未施加电压电荷时不同的稳定状态；通过各双稳态单胞结构从一个稳定状态跳转至另一个稳定状态的行程叠加，压电驱动器实现多级定位；本发明多级精密定位压电驱动器定位精度高，低电压驱动且行程大，不需保持电压可以自动保持位移行程并消除了迟滞现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电驱动器，具体为一种多级精密定位压电驱动器。
背景技术
压电驱动器是一种利用逆压电效应制作的精密驱动装置，主要有压电材料、弹性结构和基体结构三部分，具有体积小、质量轻和高频响的特点，在精密加工、生物医学工程和微电子技术等领域具有广泛的应用前景。现有的压电驱动器的弹性结构主要采用线弹性结构，定位精度和稳定性受压电材料本身固有的非线性滞回特性影响，存在稳定性差、定位精度低和能耗高的弱点，已难以满足精密制造的控制需求。目前较为有效的解决方法主要依赖于弹性元件的选取与设计。
双稳态机构具有能耗低、定位准确、动作迅速和抗干扰能力强的特点，是一种优良的开关设计元件，可广泛应用于开关、位置控制器和数据存储装置等设计中。例如，中国专利(授权公开号CN101654216 B)公开了可用于开关设计的双稳态机构，主要能够实现“开”和“关”两种状态的控制与转换。PatrickChouinard和Jean-S é bastien Plante的文章《Bistable AntagonisticDielectric Elastomer Actuators for Binary Robotics and Mechatronics》介绍了一种双稳态锥形驱动器并实现了大位移多级驱动，但是其驱动单元采用介电弹性体，响应速度慢，而且其驱动形式是转动而不是平动，限制了很多场合的应用。Giovanni Berselli和Rocco Vertechy等人的文章《OptimalSynthesis of Conically Shaped Dielectric Elastomer Linear Actuators:Design Methodology and Experimental Validation》介绍了一种锥形驱动器，可以实现平动，但是结构不具有双稳态特性，位移行程小，无法避免迟滞现象，存在定位精度低的弱点。
压电驱动器的迟滞特性是影响其位移输出精度的主要因素，传统压电驱动器加载与卸载过程中，电压对应的位移不统一，并且对于线性结构的压电驱动器，必须施加持续的电压载荷来保持驱动效果，这就影响了驱动器的精度，而且保持高电压载荷比较困难。因此，迫切需要有效便捷的可以实现低电压高位移，并且可以自动保持位移并消除迟滞现象的压电驱动器，以满足不同运行场合的需求。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种结构简单，稳态转换过程中无摩擦，定位精度高，无迟滞现象，驱动电压低，行程大，稳态跳转后不需保持电压既能保持稳定状态，能实现多级驱动的多级精密定位压电驱动器。
本发明的技术手段如下：
一种多级精密定位压电驱动器，其特征在于包括：基座、驱动平台、设置在所述基座和驱动平台之间的n个双稳态单胞结构、连接环和连接柱；其中n为大于零的整数；各所述双稳态单胞结构独立驱动；
所述双稳态单胞结构包括：具有拱形结构或锥形结构的附着板、分别铺设在所述附着板上下表面的上压电材料层和下压电材料层(22)；当给上压电材料层和下压电材料层(22)施加电压载荷时，压电材料变形使所述双稳态单胞结构跳转至与未施加电压电荷时不同的稳定状态；
当n为奇数时，所述连接环有个；第1个连接环下侧与基座连接，上侧与第1个双稳态单胞结构的附着板连接；第个连接环的两侧均与附着板连接，所述个连接环相互平行设置；所述连接柱有个，第个连接柱的两端分别与相邻连接环上相向设置的双稳态单胞结构连接；第个连接柱的上端与驱动平台连接，下端与第n个双稳态单胞结构连接；所述个连接柱的轴心相互平行设置；
当n为偶数时，所述连接环有个；个连接环的两侧均与附着板连接；个连接环相互平行设置；所述连接柱有个，第1个连接柱的下端与基座连接，上端与第1个双稳态单胞结构连接；第个连接柱的上端与驱动平台连接，下端与第n个双稳态单胞结构连接；第个连接柱的两端分别与相邻连接环上相向设置的双稳态单胞结构连接；个连接柱的轴心相互平行设置。
进一步地，所述上压电材料层和下压电材料层(22)均由环向铺设在所述附着板靠近中心部的表面上的等厚度压电材料构成。压电材料铺设于附着板靠近中心部的表面，施加电荷后，压电材料变形驱动附着板的力处于最容易使双稳态单胞结构跳转至另一稳定状态的位置。
进一步地，所述附着板中心具有中空部；所述连接柱为筒状结构，两端具有与所述中空部相适配的广口部；所述中空部与所述广口部光滑对接。附着板中间设置中空部和连接柱设置为筒状结构减小了双稳态单胞结构的重量，更有利于施加较小的电荷就能实现双稳态单胞结构的稳态跳转。
进一步地，所述连接环与所述附着板的外侧边缘相互匹配且光滑连接。
进一步地，所述基座与驱动平台平行设置。
进一步地，所述n个双稳态单胞结构规格相同，即从一个稳定状态跳转至另一个稳定状态行程相同，通过各所述双稳态单胞结构行程的叠加，所述压电驱动器可实现n+1级定位。
进一步地，所述n个双稳态单胞结构规格不同，且从一个稳定状态跳转至另一个稳定状态行程不同，通过各所述双稳态单胞结构行程的叠加和组合，所述压电驱动器最少能实现n+1级定位，最多能实现n！+1级定位。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的多级精密定位压电驱动器定位精度高，低电压驱动且行程大，可以自动保持位移行程并消除了迟滞现象，零件数目少，结构简单，适合大批量生产。
附图说明
图1a为一种双稳态拱形结构压电驱动器p示意图；
图1b为一种非双稳态圆盘结构压电驱动器q示意图；
图1c为双稳态单胞结构压电驱动器p和非双稳态圆盘结构压电驱动器q驱动效果对比图；
图2为本发明实施例1局部剖视立体示意图；
图3为本发明实施例1剖面结构示意图；
图4为本发明实施例1附着板立体示意图；
图5为本发明实施例1连接柱立体示意图；
图6a和图6b为本发明实施例1第二级位置及驱动平台位移随施加电压变化的仿真曲线图；
图7a和图7b为本发明实施例1第三级位置及驱动平台位移随施加电压变化的仿真曲线图；
图8a和图8b为本发明实施例1第四级位置及驱动平台位移随施加电压变化的仿真曲线图；
图9a和图9b为本发明实施例1第五级位置及驱动平台位移随施加电压变化的仿真曲线图；
图10a和图10b为本发明实施例1第六级位置及驱动平台位移随施加电压变化的仿真曲线图；
图11为本发明实施例1六级位置及位移变化图；
图12为本发明实施例2剖面结构示意图。
图中：1、基座，2双稳态单胞结构，20、附着板，200、中空部，21、上压电材料层，22、下压电材料层，3、连接环，4、连接柱，40、广口部，5、驱动平台。
具体实施方式
预应力拱形结构或预应力锥形结构在承受一定的外加载荷后能保持两种不同的稳定状态。逆压电效应是指对压电材料施加交变电场引起压电材料机械变形的现象，压电驱动器就是利用逆压电效应的原理制成的驱动器。
图1a～1c为一种双稳态拱形结构压电驱动器p和一种非双稳态圆盘结构压电驱动器q的示意图以及二者驱动效果对比图，其中两种压电驱动器整体尺寸相当，压电材料以相同方式分别铺设在压电驱动器p和压电驱动器q上，给两者的压电材料以相同方式施加相同电压载荷：0～1秒施加25V电压，1～2秒电压卸载至0V，2～3秒施加-50V电压，3～4秒电压卸载至0V。其中图1c中Dp为双稳态拱形结构压电驱动器p驱动行程，Dq为非双稳态圆盘结构压电驱动器q驱动行程，仿真结果对比得到Dp>Dq，说明同等载荷下双稳态拱形结构压电驱动器p驱动效果好于非双稳态圆盘结构压电驱动器q。双稳态拱形结构压电驱动器p在施加25V电压发生跳转后卸载电压载荷，可以不借助外界能量保持在第二稳态；施加-50V电压，压电驱动器p从第二稳态跳转至原稳定状态即第一稳态，卸载电压载荷仍能保持在第一稳态。本发明所述第一稳态指双稳态单胞结构2的附着板20或双稳态拱形结构压电驱动器p处于上凸时的稳定状态；本发明所述的第二稳态指双稳态单胞结构2的附着板20或双稳态拱形结构压电驱动器p处于下凹时的稳定状态。非双稳态圆盘结构压电驱动器q位移随电压变化，卸载电压载荷后，回到初始位置。双稳态拱形结构压电驱动器p具有行程大，稳态保持不需要外界能量。并且由图中曲线得到非双稳态圆盘结构压电驱动器q位移随电压载荷的变化有明显的迟滞现象，而双稳态拱形结构压电驱动器p位移随时间变化过程无迟滞现象。
实施例1
根据双稳态拱形结构压电驱动器p的特性，本发明实施例1提供了图2～图5以及图6a、图6b、图7a、图7b、图8a、图8b、图9a、图9b、图10a、图10b、图11所示的多级精密定位压电驱动器实施例，包括：设置在最下方的基座1、设置在最上方的驱动平台5，基座1和驱动平台5优选为平行设置；设置在基座1与驱动平台5之间的5个双稳态单胞结构2、3个连接环3和3个连接柱4。各双稳态单胞结构2独立驱动。第1个连接环3下侧与基座1连接，上侧与第1个双稳态单胞结构2的附着板20连接；第2个和第3个连接环3的两侧均与附着板20连接，3个连接环3相互平行设置。第1个和第2个连接柱4的两端分别与相邻连接环3上相向设置的双稳态单胞结构2连接；第3个连接柱4的上端与驱动平台5连接，下端与第n个双稳态单胞结构2连接；所述个连接柱4的轴心相互平行设置。本发明中所述的第几个双稳态稳态单胞结构2或连接环3或连接柱4均为从下往上数的顺序依次递增，即最下方的为第一个，最上方的为第n个。
双稳态单胞结构2包括：具有拱形结构或锥形结构的附着板20、分别铺设在所述附着板20上下表面的上压电材料层21和下压电材料层22。给上压电材料层21和下压电材料层22施加电压载荷，压电材料变形使所述双稳态单胞结构2跳转至和未施加电压电荷时不同的稳定状态。附着板20中心轴截面的轮廓线为直线(即锥形结构形式)、余弦曲线或椭圆曲线。上压电材料层21和下压电材料层22均由环向铺设在附着板20靠近中心部的表面上的等厚度压电材料构成，施加电荷后，压电材料变形驱动附着板(20)的力处于最容易使双稳态单胞结构2跳转至另一稳定状态的位置。本实施例的5个双稳态单胞结构2规格(尺寸和形状)相同，即每个双稳态单胞结构2从一个稳态跳转至另一个稳态的行程相同，使本实施例压电驱动器实现5级驱动，6级定位。
连接环3与附着板20的外侧边缘相互匹配且光滑连接。图4所示为附着板20的立体示意图，附着板20中心具有中空部200。图5示出了本实施例的连接柱4立体结构示意图，连接柱4为筒状结构，连接柱4两端具有与中空部200相适配的广口部40。中空部200和广口部40光滑对接。尽量减小压电驱动器的质量，能够更精确的保证压电驱动器的精度。
结合附图说明本发明实施例6级位置实现过程及位移变化。不施加电压载荷时，多级精密定位压电驱动器处于第一级位置，即图2、图3以及图11中的Ⅰ所示的位置，驱动平台5的输出端位移为0，位置为a0。
电压载荷分四秒施加到第1个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22上，0～1秒施加25V，1～2秒卸载至0V，2～3秒施加-50V，3～4秒卸载至0V。驱动平台5位移随电压变化的仿真曲线如图6b所示，点A为压电驱动器的第一级位置，曲线AB为25V加载阶段，压电材料变形使第1个双稳态单胞结构2从第一稳态跳转至第二稳态，曲线BC为卸载阶段，点C为多级精密定位压电驱动器处于如图6a和图11的Ⅱ所示的第二级位置状态，行程为a，位置为a0+a。曲线CD为-50V加载阶段，曲线DA为卸载阶段。通过仿真分析可知：通过给第1个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22施加电压载荷能够驱动多级精密定位压电驱动器达到第二级位置，卸载电压载荷后，仍能够保持在第二级位置；施加适当的反向电压载荷，可使多级精密定位压电驱动器回到第一级位置，卸载电压载荷后也能够保持在第一级位置。
电压载荷分四秒施加到第1个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22、第2个双稳态单胞结构2的下压电材料层22和上压电材料层21上，0～1秒施加25V，1～2秒卸载至0V，2～3秒施加-50V，3～4秒卸载至0V。驱动平台5位移随电压变化的仿真曲线如图7b所示，点A为多级精密定位压电驱动器的第一级位置，曲线AB为25V加载阶段，压电材料变形使第1个双稳态单胞结构2从第一稳态跳转至第二稳态，第2个双稳态单胞结构2从第二稳态跳转至第一稳态，曲线BC为卸载阶段，点C为多级精密定位压电驱动器处于如图7a和图11中的Ⅲ所示的第三级位置状态，行程为2a，位置为a0+2a。曲线CD为-50V加载阶段，曲线DA为卸载阶段。通过仿真分析可知：通过给第1个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22、第2个双稳态单胞结构2的下压电材料层22和上压电材料层21施加电压载荷能够驱动多级精密定位压电驱动器达到第三级位置，卸载电压载荷后，仍能够保持在第三级位置；施加适当的反向电压载荷，可使多级精密定位压电驱动器回到第一级位置，卸载电压载荷后也能够保持在第一级位置。
电压载荷分四秒施加到第1个和第3个双稳态单胞结构2上压电材料层21和下压电材料层22、第2个双稳态单胞结构2的下压电材料层22和上压电材料层21上，0～1秒施加25V，1～2秒卸载至0V，2～3秒施加-50V，3～4秒卸载至0V。驱动平台5位移随电压变化的仿真曲线如图8b所示，点A为多级精密定位压电驱动器的第一级位置，曲线AB为25V加载阶段，压电材料变形使第1个和第3个双稳态单胞结构2从第一稳态跳转至第二稳态，第2个双稳态单胞结构2从第二稳态跳转至第一稳态，曲线BC为卸载阶段，点C为多级精密定位压电驱动器处于如图8a和图11中的Ⅳ所示的第四级位置状态，行程为3a，位置为a0+3a。曲线CD为-50V加载阶段，曲线DA为卸载阶段。通过仿真分析可知：通过给第1个和第3个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22、第2个双稳态单胞结构2的下压电材料层22和上压电材料层21施加电压载荷能够驱动多级精密定位压电驱动器达到第四级位置，卸载电压载荷后，仍能够保持在第四级位置；施加适当的反向电压载荷，可使多级精密定位压电驱动器回到第一级位置，卸载电压载荷后也能够保持在第一级位置。
电压载荷分四秒施加到第1个和第3个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22、第2个和第4个双稳态单胞结构2的下压电材料层22和上压电材料层21上，0～1秒施加25V，1～2秒卸载至0V，2～3秒施加-50V，3～4秒卸载至0V。驱动平台5位移随电压变化的仿真曲线如图9b所示，点A为多级精密定位压电驱动器的第一级位置，曲线AB为25V加载阶段，压电材料变形使第1个和第3个双稳态单胞结构2从第一稳态跳转至第二稳态，第2个和第4个双稳态单胞结构2从第二稳态跳转至第一稳态。曲线BC为卸载阶段，点C为多级精密定位压电驱动器处于如图9a和图11中Ⅴ所示的第五级位置状态，行程为4a，位置为a0+4a，曲线CD为-50V加载阶段，曲线DA为卸载阶段。通过仿真分析可知：通过给第1个和第3个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22、第2个和第4个双稳态单胞结构2的下压电材料层22和上压电材料层21施加电压载荷能够驱动多级精密定位压电驱动器达到第五级位置，卸载电压载荷后，仍能够保持在第五级位置；施加适当的反向电压载荷，可使多级精密定位压电驱动器回到第一级位置，卸载电压载荷后也能够保持在第一级位置。
电压载荷分四秒施加到第1个、第3个和第5个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22、第2个和第4个双稳态单胞结构2的下压电材料层22和上压电材料层21上，0～1秒施加25V，1～2秒卸载至0V，2～3秒施加-50V，3～4秒卸载至0V。驱动平台5位移随电压变化的仿真曲线如图10b所示，点A为多级精密定位压电驱动器的第一级位置，曲线AB为25V加载阶段，曲线BC为卸载阶段，点C为多级精密定位压电驱动器处于如图10a和图11中的Ⅵ所示的第6级位置状态，行程为5a，位置为a0+5a，曲线CD为-50V加载阶段，曲线DA为卸载阶段。通过仿真分析可知：通过给第1个、第3个和第5个双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22、第2个和第4个双稳态单胞结构2的下压电材料层22和上压电材料层21施加电压载荷能够驱动多级精密定位压电驱动器达到第六级位置，卸载电压载荷后，仍能够保持在第六级位置；施加适当的反向电压载荷，可使多级精密定位压电驱动器回到第一级位置，卸载电压载荷后也能够保持在第一级位置。
每个双稳态单胞结构2都可单独驱动，对各双稳态单胞结构2的驱动顺序没有要求，可根据需要驱动任意一个或几个双稳态单胞结构2。
实施例1说明的是双稳态单胞结构2的个数n＝5的情况，当n为其他奇数时，只是增加或减少双稳态单胞结构2以及与此连接的连接环3和连接柱4的个数，连接方式和实施例1相似。
实施例2
图12以n＝4为例示出了双稳态单胞结构2个数为偶数时压电驱动器的结构示意图，第1个连接柱4的两端分别连接第1个双稳态单胞结构2和基座1，第1个双稳态单胞结构2的附着板20连接在第1个连接环3的下侧，其余双稳态单胞结构2、连接环3和连接柱4的连接方式与n为奇数时相同。给双稳态单胞结构2的上压电材料层21和下压电材料层22施加电压载荷同样可以实现n+1级定位，这里就不再做仿真验证。
实施例1和实施例2说明的是n个双稳态单胞结构2规格(尺寸和形状)相同的情况，能实现n+1级定位。n个双稳态单胞结构2的规格(尺寸和形状)也可不同，只是各双稳态单胞结构2从一个稳定状态跳转至另一个稳定状态的行程不同，这样通过组合驱动不同的双稳态单胞结构2能使压电驱动器处于更多的稳定位置，当n个双稳态单胞结构2的驱动行程都互不相同时，通过各双稳态单胞结构2行程的叠加和组合，压电驱动器最多能实现n！+1级定位。
本发明结构简单，稳态转换过程中无摩擦，多级，可控性高，无迟滞现象，重复精度高，驱动电压低，行程大，稳态跳转后无需电压保持。尤其是通过引入多个双稳态单胞结构2，可以实现各双稳态单胞结构2驱动相互独立，叠加在一起可以多级步进驱动，满足不同应用场合的使用要求。本发明所述多级精密定位压电驱动器可以作为MEMS精密驱动器，飞机机翼，微型驱动器，微型进给装置，微泵，多路开关，机器人驱动，机器人手臂，多级变体及可展开机构驱动器等延展结构的驱动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多级精密定位压电驱动器，其特征在于包括：基座(1)、驱动平台(5)、设置在所述基座(1)和驱动平台(5)之间的n个双稳态单胞结构(2)、连接环(3)和连接柱(4)；其中n为大于零的整数；各所述双稳态单胞结构(2)独立驱动；
所述双稳态单胞结构(2)包括：具有拱形结构或锥形结构的附着板(20)、分别铺设在所述附着板(20)上下表面的上压电材料层(21)和下压电材料层(22)；当给上压电材料层(21)和下压电材料层(22)施加电压载荷时，压电材料变形使所述双稳态单胞结构(2)跳转至与未施加电压电荷时不同的稳定状态；
当n为奇数时，所述连接环(3)有个；第1个连接环(3)下侧与基座(1)连接，上侧与第1个双稳态单胞结构(2)的附着板(20)连接；第个连接环(3)的两侧均与附着板(20)连接，所述个连接环(3)相互平行设置；所述连接柱(4)有个，第个连接柱(4)的两端分别与相邻连接环(3)上相向设置的双稳态单胞结构(2)连接；第个连接柱(4)的上端与驱动平台(5)连接，下端与第n个双稳态单胞结构(2)连接；所述个连接柱(4)的轴心相互平行设置；
当n为偶数时，所述连接环(3)有个；个连接环(3)的两侧均与附着板(20)连接；个连接环(3)相互平行设置；所述连接柱(4)有个，第1个连接柱(4)的下端与基座(1)连接，上端与第1个双稳态单胞结构(2)连接；第个连接柱(4)的上端与驱动平台(5)连接，下端与第n个双稳态单胞结构(2)连接；第个连接柱(4)的两端分别与相邻连接环(3)上相向设置的双稳态单胞结构(2)连接；个连接柱(4)的轴心相互平行设置。
2.根据权利要求1所述的多级精密定位压电驱动器，其特征在于所述上压电材料层(21)和下压电材料层(22)均由环向铺设在所述附着板(20)靠近中心部的表面上的等厚度压电材料构成。
3.根据权利要求1所述的多级精密定位压电驱动器，其特征在于所述附着板(20)中心具有中空部(200)；所述连接柱(4)为筒状结构，两端具有与所述中空部(200)相适配的广口部(40)；所述中空部(200)与所述广口部(40)光滑对接。
4.根据权利要求1所述的多级精密定位压电驱动器，其特征在于所述连接环(3)与所述附着板(20)的外侧边缘相互匹配且光滑连接。
5.根据权利要求1所述的多级精密定位压电驱动器，其特征在于所述基座(1)与驱动平台(5)平行设置。
6.根据权利要求1～5任一项所述的多级精密定位压电驱动器，其特征在于所述n个双稳态单胞结构(2)规格相同，即从一个稳定状态跳转至另一个稳定状态行程相同，通过各所述双稳态单胞结构(2)行程的叠加，所述压电驱动器可实现n+1级定位。
7.根据权利要求1～5任一项所述的多级精密定位压电驱动器，其特征在于所述n个双稳态单胞结构(2)规格不同，且从一个稳定状态跳转至另一个稳定状态行程不同，通过各所述双稳态单胞结构(2)行程的叠加和组合，所述压电驱动器最少能实现n+1级定位，最多能实现n！+1级定位。
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- 2014-08-15 CN CN201410407820.2A patent/CN104270031B/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN104270031B (zh) | 2017-02-15 |
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