CN105071689B - 一种二维压电微位移驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维压电微位移驱动器，包括底板1、镜片框7，底板1通过定位块5固定连接有二维双向驱动机构；所述二维双向驱动机构包括外部一维双向驱动单元和内部的一维双向驱动单元，其中外部的一维双向驱动单元通过定位块5固定在底板1上，内部的一维双向驱动单元通过连接件固定在外部的一维双向驱动单元上，所述内部的一维双向驱动单元连接在镜片框7上；外部的一维双向驱动单元与内部的一维双向驱动单元分别在相互垂直的方向上产生两个方向的作用力，使镜片框7沿两个维度运动。本发明采用了一种基于三角放大原理的位移放大机构，将两个正交方向的放大位移进行串联，两个方向的位移作动均为独立的，互相不会耦合，减少了控制的难度。
Description
技术领域
本发明涉及压电精密驱动仪器领域，具体是一种二维压电微位移驱动器。
背景技术
稳像技术在军事领域、民用航测以及摄影系统中具有广泛的应用。在获取情报方面，随着世界各国军事技术的发展，军用卫星、侦察机获取图像能力的加强，特别是图像信息所具有的直观、丰富和便于获取、存储和传输等特点，使其成为未来战争中获取情报的主要技术手段。但由于成像载体受姿态变化和振动的影响,将会导致所获取的图像的不清晰，严重影响图像信息的有效利用。通过稳像技术能消除或减轻运动摄像载体对像面的影响，大大提高所获取图像信息的质量。因此稳像及光束的稳定问题是当前急需解决的问题。其中实现微位移的精确快速定位是关键技术。
多层压电陶瓷采取电学并联机械串联方式封装的叠层压电陶瓷，在较小的电压下能输出较大的位移，其位移输出与输入电压成线性关系，理论上其分辨率可以实现无穷小，因此，以叠层压电陶瓷为驱动元件的作动器可以获得更好的可控性，实现更高的精度。但是，尽管叠层压电陶瓷对位移有放大作用，变形大小依旧受限制，传统二维微位移定位平台采用杠杆放大原理和柔性铰链所产生的平台输出的推力和拉力相差很大，以及杠杆和柔性铰链也带来迟滞效应的问题。
发明内容
针对上述背景技术的不足，本发明采用了一种基于三角放大原理的位移放大机构，将两个正交方向的放大位移进行串联，两个方向的位移作动均为独立的，互相不会耦合，减少了控制的难度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种二维压电微位移驱动器，包括底板1、镜片框7，底板1通过定位块5固定连接有二维双向驱动机构；所述二维双向驱动机构包括外部一维双向驱动单元和内部的一维双向驱动单元，其中外部的一维双向驱动单元通过定位块5固定在底板1上，内部的一维双向驱动单元通过连接件固定在外部的一维双向驱动单元上，所述内部的一维双向驱动单元连接在镜片框7上；外部的一维双向驱动单元与内部的一维双向驱动单元分别在相互垂直的方向上产生两个方向的作用力，使镜片框7沿两个维度运动。
所述外部的一维双向驱动单元包括外部作动框6、第一作动部件，外部作动框6在同一直线上有两个端部，在所述端部，通过第一作动部件连接至定位块5上。
所述第一作动部件包括第一外部活动预紧块2、固定预紧块4和外部压电作动单元3，所述固定预紧块4连接在定位块5上，其两端分别通过外部压电作动单元3连接在第一外部活动预紧块2上，第一外部活动预紧块2固定在外部作动框6上。
内部的一维双向驱动单元设置在外部作动框6上与外部的一维双向驱动单元相垂直的方向上；所述内部的一维双向驱动单元包括内部活动预紧块8、内部压电作动单元、第二外部活动预紧块；第二外部活动预紧块和内部活动预紧块8之间通过内部压电作动单元连接，其中第二外部活动预紧块固定在外部作动框6上，内部活动预紧块8固定在内部镜片框7上。
所述的外部压电作动单元3包括一个压电叠堆，两个三角固定块，压电叠堆两端通过三角固定块分别与第一外部活动预紧块2以及固定预紧块4连接。
所述的内部压电作动单元包括一个压电叠堆，两个三角固定块，压电叠堆两端通过三角固定块分别与第二外部活动预紧块以及内部活动预紧块8连接。
所述的外部压电作动单元3设有两个第一外部活动预紧块2，两个第一外部外部活动预紧块2相向设置，相对面上均设有V形凹槽；所述固定预紧块4的两端面上也设有V形凹槽，第一外部活动预紧块2与固定预紧块4之间设有压电叠堆和三角固定块，三角固定块卡在第一外部活动预紧块2与固定预紧块4对应位置的V形凹槽内。
所述的内部压电作动单元设有两个第二外部活动预紧块，两个第二外部外部活动预紧块相向设置，相对面上均设有V形凹槽；所述内部活动预紧块8的两端面上也设有V形凹槽，第二外部活动预紧块与内部活动预紧块8之间设有压电叠堆和三角固定块，三角固定块卡在第二外部活动预紧块与内部活动预紧块8对应位置的V形凹槽内。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
为了在保证高分辨率的情况下，增加驱动器的位移量，本结构根据三角放大原理设计了二维微位移驱动器，其结构简单，对位移放大的倍数关系只与放大角有简单关系。避免了采用杠杆放大原理和采用柔性铰链作为转动副的传统二维微位移定位平台运动模型复杂、依靠材料的本身弹性进行回复的缺点。
本发明设计的二维压电微位移驱动器压电作动单元3与各预紧块之间的转动是以三角块的边与预紧块V型槽的边的线接触为基础的，由于接触简单，摩擦很小，使叠层压电陶瓷3a的伸长能够迅速直接通过三角放大原理转化为镜片框7的运动。阻尼很小，响应速度快，运动模型简单，降低了对其性能分析和控制的难度。
内部和外部的一维双向驱动单元都相向设置了两组压电作动单元组，在一组压电作动单元伸长的同时，另一组同时缩短，达到在每个方向的作动都是主动推动而不是被动靠弹性回复。
将两个正交方向的放大位移进行串联，两个方向的位移作动均为独立的，互相不会耦合，减少了控制的难度。其运动的动态性能基本取决于采用的叠层压电陶瓷3a的性能，能达到快速精准驱动和定位的目的。
附图说明
图1为本发明位移驱动器的俯视图；
图2为本发明位移驱动器的立体图；
图3为压电作动单元的构成组建结构分解图；
图4为外部作动单元的驱动机构单元组件立体图；
图5为外部作动单元的驱动机构单元组件分解图；
图6为内部作动单元的驱动机构单元组件立体图；
图7为内部作动单元的驱动机构单元组件分解图；
图8为外部作动框的立体图；
图9为内部镜片框的立体图；
图10为本发明位移驱动器的结构示意图；
图11为三角放大原理的示意图；
图12为单方向驱动机理的示意图；
其中：1-底板，2-第一外部活动预紧块，3-外部压电作动单元，4-固定预紧块，5-定位块， 6-外部作动框，7-镜片框，8-内部活动预紧块，9-内部压电作动单元，10-第二外部活动预紧块，4b、2a、8a -V形凹槽，3a-压电叠堆，3b、3c-三角固定块，2c、8b -矩形凹槽，2b、6a、7a、8c -螺纹孔。
具体实施方式
本发明提供一种二维压电微位移驱动器，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图1、图2所示，本发明提供的二维压电微位移驱动机构，包括底板1、镜片框7，底板1通过定位块5固定连接有二维双向驱动机构；二维双向驱动机构包括外部一维双向驱动单元和内部的一维双向驱动单元，其中外部的一维双向驱动单元通过定位块5固定在底板1上，内部的一维双向驱动单元通过连接件固定在外部的一维双向驱动单元上，所述内部的一维双向驱动单元连接在镜片框7上；所述外部的一维双向驱动单元包括外部作动框6、第一作动部件，外部作动框6在同一直线上有两个端部，在所述端部，通过第一作动部件连接至定位块5上。
具体的说，上述第一作动部件包括第一外部活动预紧块2、固定预紧块4和外部压电作动单元3，固定预紧块4连接在定位块5上，其两端分别通过外部压电作动单元3连接在第一外部活动预紧块2上，第一外部活动预紧块2固定在外部作动框6上。第一外部活动预紧块2与第二外部活动预紧块10的机构相同。
内部的一维双向驱动单元设置在外部作动框6上与外部的一维双向驱动单元相垂直的方向上；所述内部的一维双向驱动单元包括内部活动预紧块8、内部压电作动单元9、第二外部活动预紧块10；第二外部活动预紧块和内部活动预紧块8之间通过内部压电作动单元连接，其中第二外部活动预紧块固定在外部作动框6上，内部活动预紧块8固定在内部镜片框7上。
所述的外部压电作动单元3包括一个压电叠堆，两个三角固定块，压电叠堆两端通过三角固定块分别与第一外部活动预紧块2以及固定预紧块4连接。
所述的内部压电作动单元包括一个压电叠堆，两个三角固定块，压电叠堆两端通过三角固定块分别与第二外部活动预紧块以及内部活动预紧块8连接。
所述的外部压电作动单元3设有两个第一外部活动预紧块2，两个第一外部外部活动预紧块2相向设置，相对面上均设有V形凹槽；所述固定预紧块4的两端面上也设有V形凹槽，第一外部活动预紧块2与固定预紧块4之间设有压电叠堆和三角固定块，三角固定块卡在第一外部活动预紧块2与固定预紧块4对应位置的V形凹槽内。
如图4、图5所述固定预紧块4中部有对称的V形凹槽4a，第一活动预紧块2一侧也有V形凹槽2a，第一外部活动预紧块2和固定预紧块通过v形凹槽与压电作动单元的三角固定块3b、3c相连接。第一外部活动预紧块2通过侧面的矩形凹槽2c与外部作动框相连接，且通过螺钉将孔2b和外部作动框的螺纹孔6a相连接。
所述的内部压电作动单元设有两个第二外部活动预紧块，两个第二外部外部活动预紧块相向设置，相对面上均设有V形凹槽；所述内部活动预紧块8的两端面上也设有V形凹槽，第二外部活动预紧块与内部活动预紧块8之间设有压电叠堆和三角固定块，三角固定块卡在第二外部活动预紧块与内部活动预紧块8对应位置的V形凹槽内。
如图6、图7所述的内部活动预紧块8中部有对称的v形凹槽8a，内部活动预紧块8与第一外部活动预紧块2通过V形凹槽与压电作动单元的三角固定块3b、3c相连接。第一外部活动预紧块2通过侧面的矩形凹槽2c与外部作动框相连接，且通过螺钉将孔2b和外部作动框的螺纹孔6a相连接。内部活动预紧块8通过侧边有矩形凹槽8b和内部镜片框7连接，且通过螺钉将孔8c与内部镜片框螺纹孔7c相连接。
所述二维微位移定位平台外部一维双向驱动单元驱动内部一维双向驱动单元整体的x轴双向作动，由两侧的压电作动单元组完成双向的主动推动。内部一维双向驱动单元相对外部作动框推动镜片框在y轴方向的作动和定位。
如图10、图11体现了压电作动单元相对作动方向，本实施方式中，外部的一维双向驱动单元固定在外部作动框上，外部作动框为对称的八边形，在相对的两条边上对称设置有作动部件B和D，以外部一维双向驱动单元所处的方向设为x方向；内部的一维双向驱动单元设置在于其垂直的方向上，以内部的一维双向驱动单元所处的方向设为y方向，即作动部件A和C；压电作动单元3与其对镜片框7驱动方向所成的角度β，当β大于时，对称分布的压电作动单元同时同步伸长增加△C时，将会放大在驱动方向的位移δ。
如图12二维微位移定位平台外部一维双向驱动单元由驱动内部一维双向驱动单元整体的x轴双向作动，X方向由压电作动部件B、D组共同驱动，Y方向由压电作动单元A、C组共同驱动。当C组压电作动单元共同伸长时，A组压电作动单元共同缩短相同的量，经三角原理放大内部镜片框7整体沿Y方向移动δ1的距离，带动内部镜片框7沿X方向移动δ1的距离；同理当A组压电作动单元共同伸长时，C组压电作动单元共同缩短相同的量时完成Y方向的反方向作动。
当D组压电作动单元共同伸长时，B组压电作动单元共同缩短相同的量，经三角原理放大使外部作动框6整体沿X方向移动δ2的距离，带动内部镜片框7沿X方向移动δ2的距离。同理当B组压电作动单元共同伸长时，D组压电作动单元共同缩短相同的量时完成X方向的反方向作动。
两个方向的作动互相独立，当需要X、Y方向的共同作动时只需要对两个方向共同作动。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以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，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种二维压电微位移驱动器，其特征在于：包括底板（1）、镜片框（7），底板（1）通过定位块（5）固定连接有二维双向驱动机构；所述二维双向驱动机构包括外部一维双向驱动单元和内部的一维双向驱动单元，其中外部的一维双向驱动单元通过定位块（5）固定在底板（1）上，内部的一维双向驱动单元通过连接件固定在外部的一维双向驱动单元上，所述内部的一维双向驱动单元连接在镜片框（7）上；外部的一维双向驱动单元与内部的一维双向驱动单元分别在相互垂直的方向上产生两个方向的作用力，使镜片框（7）沿两个维度运动；
所述外部的一维双向驱动单元包括外部作动框（6）、第一作动部件，外部作动框（6）在同一直线上有两个端部，在所述端部，通过第一作动部件连接至定位块（5）上。
2.根据权利要求1所述的一种二维压电微位移驱动器，其特征在于：所述第一作动部件包括第一外部活动预紧块（2）、固定预紧块（4）和外部压电作动单元（3），所述固定预紧块（4）连接在定位块（5）上，其两端分别通过外部压电作动单元（3）连接在第一外部活动预紧块（2）上，第一外部活动预紧块（2）固定在外部作动框（6）上。
3.根据权利要求1所述的一种二维压电微位移驱动器，其特征在于：内部的一维双向驱动单元设置在外部作动框（6）上与外部的一维双向驱动单元相垂直的方向上；所述内部的一维双向驱动单元包括内部活动预紧块（8）、内部压电作动单元、第二外部活动预紧块；第二外部活动预紧块和内部活动预紧块（8）之间通过内部压电作动单元连接，其中第二外部活动预紧块固定在外部作动框（6）上，内部活动预紧块（8）固定在内部镜片框（7）上。
4.根据权利要求2所述的一种二维压电微位移驱动器，其特征在于：所述的外部压电作动单元（3）包括一个压电叠堆，两个三角固定块，压电叠堆两端通过三角固定块分别与第一外部活动预紧块（2）以及固定预紧块（4）连接。
5.根据权利要求3所述的一种二维压电微位移驱动器，其特征在于：所述的内部压电作动单元包括一个压电叠堆，两个三角固定块，压电叠堆两端通过三角固定块分别与第二外部活动预紧块以及内部活动预紧块（8）连接。
6.根据权利要求4所述的一种二维压电微位移驱动器，其特征在于：所述的外部压电作动单元（3）设有两个第一外部活动预紧块（2），两个第一外部外部活动预紧块（2）相向设置，相对面上均设有V形凹槽；所述固定预紧块（4）的两端面上也设有V形凹槽，第一外部活动预紧块（2）与固定预紧块（4）之间设有压电叠堆和三角固定块，三角固定块卡在第一外部活动预紧块（2）与固定预紧块（4）对应位置的V形凹槽内。
7.根据权利要求5所述的一种二维压电微位移驱动器，其特征在于：所述的内部压电作动单元设有两个第二外部活动预紧块，两个第二外部外部活动预紧块相向设置，相对面上均设有V形凹槽；所述内部活动预紧块（8）的两端面上也设有V形凹槽，第二外部活动预紧块与内部活动预紧块（8）之间设有压电叠堆和三角固定块，三角固定块卡在第二外部活动预紧块与内部活动预紧块（8）对应位置的V形凹槽内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170613 Termination date: 20190717 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |