CN105384139A - 一种压电叠堆型微位移放大机构及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电叠堆型微位移放大机构及其驱动方法，该机构包括驱动电源和若干个微位移放大单元，驱动电源输出直流电压；每个微位移放大单元包括一钹型压电驱动器和一机架，钹型压电驱动器由若干个钹型压电驱动单元组成，每个钹型压电驱动单元包括两片钹型金属帽和一压电陶瓷单元，钹型压电驱动单元之间采用结构上串联、电路上并联的方式相互贴合叠加。机架为椭圆形或者菱形的框架结构，在机架上沿压电陶瓷单元厚度方向设有两个推杆，所述钹型压电驱动器固定在两个推杆之间，微位移放大单元的输出端设置在推杆或者机架短轴方向上。本发明具有结构简单、体积较小、分辨率高、频响快等优点。

Description

一种压电叠堆型微位移放大机构及其驱动方法

技术领域

本发明涉及利用压电效应的微型机械研究领域，尤其涉及一种基于压电叠堆型微位移放大机构及其驱动方法。

背景技术

近年来，随着微电子、微机械、纳米技术的快速发展，微位移技术已成为精密运动系统和精密制造工艺中的关键技术之一。对于上述系统中的执行系统而言，一般分辨率需要达到纳米级。因为目前传统的微位移放大技术，一般采用电机驱动的丝杠螺母微进给系统，定位精度很难达到纳米级，因此上述系统中的工作行程的分辨率仅在微米甚至毫米级，不能满足执行系统的需要。

压电陶瓷因其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高等优点，目前已成为精密定位时比较理想的驱动元件，但是由于其行程只有数十纳米，因此在应用范围上受到了限制。

现有的微位移放大机构主要有以下三种：(1)采取粗精平台相结合的方法，即用两种类型不同的平台分别完成执行器的粗精动作。此设计方式能实现大行程的运动，但会增加整个系统结构复杂性和控制复杂性。(2)采用基于“尺蠖原理”或“粘滑效应”的移动式驱动系统。其精度可达到纳米级别，但目前产品尚未标准化，加工成本较高，控制系统较复杂。(3)利用运放机构连接驱动器与执行器，将驱动器的行程进行放大或缩小，从而保证较高的精度。这种机构目前运用最为广泛，例如公告号为CN102394270A的中国发明专利公开了一种两级微位移放大机构。但该专利提出的两级微位移放大机构只是简单地把两个三角形位移缩放器正交联接放置，由此造成结构复杂臃肿。

因此，如何有效地将微位移进行放大，同时能够达到结构和控制较简单、精度高的目标是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点和不足，提出一种压电叠堆型微位移放大机构，该微位移放大机构利用钹型压电驱动器作为动力源，具有结构简单、体积较小、分辨率高、频响快等优点。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，该方法操作方便，能够精确地调整微位移放大机构的位移量。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种压电叠堆型微位移放大机构，包括驱动电源和若干个微位移放大单元，驱动电源输出直流电压；每个所述微位移放大单元包括一钹型压电驱动器和一机架，所述钹型压电驱动器由驱动电源激励，由若干个钹型压电驱动单元组成，每个所述钹型压电驱动单元包括两片钹型金属帽和一压电陶瓷单元，所述压电陶瓷单元设置在两片钹型金属帽中间，三者固定连接；钹型压电驱动单元之间采用结构上串联、电路上并联的方式相互贴合叠加，所述钹型压电驱动器固定在机架上的两个推杆之间，每个推杆远离钹型压电驱动器的一端为输出端。本发明采用若干个钹型压电驱动单元串联的机构，可实现较大的位移移动。

作为一种优选，每个所述钹型压电驱动单元中的压电陶瓷单元采用一对沿厚度方向极化的压电陶瓷圆盘或圆环，两压电陶瓷圆盘或圆环极性相反，正向极性相互贴合。

作为另一种优选，每个所述钹型压电驱动单元中的压电陶瓷单元采用一对沿径向极化的压电陶瓷圆环，两压电陶瓷圆环极性相反，正向极性相互贴合。

作为一种优选，所述机架为一狭长的框架结构，所述推杆上原来作为输出端的一端固定在机架内侧长轴方向上，新的输出端设置在机架外侧短轴方向上。利用机架的框架结构，可以将压电陶瓷单元产生的微变形进行二次放大，进一步增加位移驱动的行程。

更进一步的，所述机架为椭圆形或者菱形的框架结构。采用这种结构具有加工方便、节省材料、便于多个微位移放大单元进行组合的优点。

更进一步的，为了使机架在推杆的作用下更容易发生变形，在所述推杆与机架内壁之间的过渡区设有柔性铰链。

优选的，所述钹型压电驱动器上同一回路中的钹型金属帽均设有一个接线端子，所有接在压电陶瓷单元同一极性面的接线端子通过引线与驱动电源相连。通过上述机构，可完成驱动电源对钹型压电驱动器的激励。

优选的，所述两片钹型金属帽和压电陶瓷单元是通过环氧树脂粘接固定或直接烧结而成。

优选的，所述钹型压电驱动单元之间采用环氧树脂粘接固定，或者在相邻的两片钹型金属帽上设置限位装置使其紧密配合。

优选的，所述钹型压电驱动器与推杆之间采用环氧树脂粘接固定，或者在钹型压电驱动器末端的钹型金属帽上设有单头螺柱，在推杆上设有螺纹孔，二者通过螺纹配合固定连接。

优选的，所述机架的刚度小于或等于所述钹型压电驱动器的刚度，以便微位移实现有效传递。

一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，步骤是：驱动电源输出直流信号到压电陶瓷单元，压电陶瓷单元由于逆压电效应沿轴向发生微变形，微变形传给其两侧的钹型金属帽，由于钹型金属帽的结构特性，使微变形放大，并传递到推杆输出端。

一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，步骤是：所述输出端设置在机架外侧短轴方向上，驱动电源输出直流信号到压电陶瓷单元，压电陶瓷单元由于逆压电效应沿轴向微变形，微变形传给其两侧的钹型金属帽，由于钹型金属帽的结构特性，使微变形实现第一次放大，放大后的微变形通过推杆传给机架，由于机架的结构特性，微变形实现第二次放大，最后经输出端对外部执行器进行位移驱动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提出一种钹型压电驱动单元，其包括两片钹型金属帽和一压电陶瓷单元，压电陶瓷单元在驱动电源激励下可产生厚度方向上的微变形，根据钹型金属帽的结构，在压电陶瓷单元发生微变形时，可将微变形进行放大，从而可以实现较大的位移。

2、本发明提出将若干个钹型压电驱动单元进行串联，同时将若干个微位移放大单元进行串联，从而可以实现较大的位移放大倍数，使微位移放大机构具有较大的行程。

3、本发明提出设置一狭长形的机架，可将压电陶瓷单元产生的、长轴方向上的微变形转变成短轴上、输出端的微变形，进一步对微变形进行放大，增加微位移放大机构的位移量。

4、本发明所采用的机架为整体式结构，结构紧凑，造价低，无需装配，避免装配误差。

附图说明

图1为实施例1所述微位移放大单元的剖视图。

图2为实施例1所述钹型压电驱动单元的结构示意图。

图3为实施例1所述机架的结构示意图。

图4为3个微位移放大单元串联的结构示意图。

图5为单个钹型压电驱动单元施加正向直流电压后的变形示意图。

图6为机架在变形前后的位置移动示意图。

图7为实施例2中机架的结构示意图。

图8为实施例3中机架的结构示意图。

其中：1—机架；2—压电陶瓷单元；3—钹型金属帽；4—驱动电源；5—变形后的机架；6—引线；101—推杆；102—柔性铰链；103—输出端。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1、4，本实施例一种压电叠堆型微位移放大机构，包括驱动电源4和3个微位移放大单元，每个微位移放大单元的结构参见图1，驱动电源输出直流电压激励微位移放大单元发生微变形。

本实施例中，所述微位移放大单元包括一钹型压电驱动器和机架1，钹型压电驱动器由若干个钹型压电驱动单元组成，每个钹型压电驱动单元的结构如图2所示，包括两片钹型金属帽3和一压电陶瓷单元2，所述压电陶瓷单元设置在两片钹型金属帽中间，三者通过环氧树脂进行粘接固定。本实施例中压电陶瓷单元采用一对沿厚度方向极化的压电陶瓷圆盘，这两个压电陶瓷圆盘极性相反，正向极性相互贴合。当然，上述压电陶瓷单元的作用仅在于实现在驱动电源激励下产生厚度方向上的微变形，因此现有的利用压电陶瓷来实现微位移的一般结构也可放在此处使用。在实际设计中，还可采用一对沿厚度方向极化的压电陶瓷圆环，或者采用一对沿径向极化的压电陶瓷圆环等结构来实现。

钹型压电驱动单元之间采用结构上串联、电路上并联的方式，用环氧树脂粘接使其相互贴合叠加，两两之间的压电陶瓷单元极性相反。钹型压电驱动器上同一回路中的钹型金属帽均设有一个接线端子，所有接在压电陶瓷单元同一极性面的接线端子通过引线6与驱动电源相连。

本实施例机架的结构如图3所示，为一椭圆形的框架结构，在其内侧长轴方向上设有推杆101，外侧短轴方向上设有输出端103。钹型压电驱动器置于推杆101之间，并用环氧树脂粘接。当然，在应用中，也可将输出端设置在推杆的一端，即仅由钹型驱动器实现一次放大，这可根据实际需要设定。

图5为单个钹型压电驱动单元施加正向直流电压后的变形示意图，实线表示未施加直流电压的钹型压电驱动单元，虚线表示施加正向直流电压的钹型压电驱动单元。由于钹型金属帽与压电陶瓷圆盘的耦合作用改变压电陶瓷圆盘的应力分布，并将径向应力转变成轴向应力，使得沿厚度方向极化压电陶瓷圆盘的压电常数d₃₁和d₃₃产生的压电效应相加。因此在相同的激励条件以及d₃₁不变的情况下，钹型压电叠堆的等效压电常数d₃₃比相同尺寸压电陶瓷本身提高数倍。由体积不变的原理，当给单个钹型压电驱动单元施加正向电压时，压电陶瓷圆盘轴向伸长，径向收缩，从而引起单片钹型金属帽在轴向上的变形，由此可将压电陶瓷圆盘的微位移进行第一次放大。

图6为机架变形前后的示意图，其中实线1表示变形前的机架，虚线5表示变形后的机架。当驱动电源输出正向直流电压时，机架在长轴方向上形成一个Δx位移时，在短轴方向便形成一个Δy位移，设放大倍数为A，则：

A＝Δy/Δx(1)

其中，

Δy＝lsinα-lsinβ(2)

Δx＝lcosβ-lcosα(3)

设变形前长短轴端部连线的夹角为α，变形后该角为β，则两角之间的微小变形角度：

Δθ＝α-β(4)

由式(1)(2)(3)和(4)可得：

$A=y/x=\frac{tan\mathrm{\β}(cos\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}-1)+\sin \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{(1-cos\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})+tan\mathrm{\β}\sin \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

因为机架的微位移量较小，所以根据等价无穷小原理，sinΔθ＝Δθ，1-cosΔθ＝(Δθ)²/2，代入式(5)，可得：

$A\≈\frac{1}{tan\mathrm{\β}}---\left(6\right)$

由上式可知，微位移放大机构的放大倍数仅与夹角β的大小有关，要想得到最大的放大倍数，夹角β应尽可能的小。

基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，其步骤是：当驱动电源4输出正向直流电压时，压电陶瓷圆盘2由于逆压电效应沿轴向方向发生微变形。当微变形传给钹型金属帽3时，由于钹型金属帽3的结构特性，使微变形实现第一次放大。放大后的微变形通过推杆101传给机架1的输出端103时，由于机架的结构特性，微变形实现第二次放大。此时，输出端103在短轴方向往圆心位置收缩。反之，当驱动电源4输出反向直流电压时，输出端103在短轴方向伸长。

本实施例利用ansysworkbench有限元软件对压电叠堆型微位移放大机构进行静力学分析，给机架其中一个输出端施加零位移约束，模拟驱动电源输出100V的正向电压，其中，机架短轴方向最大法向位移量为5.10×10^-6m，长轴方向最大法向位移量为1.2×10^-6m。此外，仅对压电叠堆进行静力学分析，在相同的边界条件下，其沿轴向方向的最大位移量为1.7×10^-7m。由此可得，第一次放大倍数为7倍，第二次放大倍数为4.25倍。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：本实施例采用的机架为菱形的框架结构。推杆设置在菱形长对角线的内侧，输出端设置在菱形短对角线的外侧，具体如图7所示。

当然，在实际应用中，也可以选择其他的多边形结构，只要该机架的长度方向为压电陶瓷圆盘厚度方向，则可实现微位移的二次放大。

实施例3

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：参见图8，本实施例采用的机架的特点是在推杆101和机架1内壁之间的过渡区设有柔性铰链102。该柔性铰链102易于使机架1在推杆101的作用下发生变形。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，包括驱动电源和若干个微位移放大单元，驱动电源输出直流电压；每个所述微位移放大单元包括一钹型压电驱动器和一机架，所述钹型压电驱动器由驱动电源激励，由若干个钹型压电驱动单元组成，每个所述钹型压电驱动单元包括两片钹型金属帽和一压电陶瓷单元，所述压电陶瓷单元设置在两片钹型金属帽中间，三者固定连接；钹型压电驱动单元之间采用结构上串联、电路上并联的方式相互贴合叠加，所述钹型压电驱动器固定在机架上的两个推杆之间，每个推杆远离钹型压电驱动器的一端为输出端。

2.根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，每个所述钹型压电驱动单元中的压电陶瓷单元采用一对沿厚度方向极化的压电陶瓷圆盘或圆环，两压电陶瓷圆盘或圆环极性相反，正向极性相互贴合。

3.根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，每个所述钹型压电驱动单元中的压电陶瓷单元采用一对沿径向极化的压电陶瓷圆环，两压电陶瓷圆环极性相反，正向极性相互贴合。

4.根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述机架为一狭长的框架结构，所述推杆上原来作为输出端的一端固定在机架内侧长轴方向上，新的输出端设置在机架外侧短轴方向上。

5.根据权利要求4所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述机架为椭圆形或者菱形的框架结构。

6.根据权利要求4所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，在所述推杆与机架内壁之间的过渡区设有柔性铰链。

7.根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述钹型压电驱动器上同一回路中的钹型金属帽均设有一个接线端子，所有接在压电陶瓷单元同一极性面的接线端子通过引线与驱动电源相连。

8.根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述两片钹型金属帽和压电陶瓷单元是通过环氧树脂粘接固定或直接烧结而成；

所述钹型压电驱动单元之间采用环氧树脂粘接固定，或者在相邻的两片钹型金属帽上设置限位装置使其紧密配合；

所述钹型压电驱动器与推杆之间采用环氧树脂粘接固定，或者在钹型压电驱动器末端的钹型金属帽上设有单头螺柱，在推杆上设有螺纹孔，二者通过螺纹配合固定连接；

所述机架的刚度小于或等于所述钹型压电驱动器的刚度。

9.一种基于权利要求1-3、7-8任一项所述的压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，其特征在于，步骤是：驱动电源输出直流信号到压电陶瓷单元，压电陶瓷单元由于逆压电效应沿轴向发生微变形，微变形传给其两侧的钹型金属帽，由于钹型金属帽的结构特性，使微变形放大，并传递到推杆输出端。

10.一种基于权利要求4-6任一项所述的压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，其特征在于，步骤是：所述输出端设置在机架外侧短轴方向上，驱动电源输出直流信号到压电陶瓷单元，压电陶瓷单元由于逆压电效应沿轴向微变形，微变形传给其两侧的钹型金属帽，由于钹型金属帽的结构特性，使微变形实现第一次放大，放大后的微变形通过推杆传给机架，由于机架的结构特性，微变形实现第二次放大，最后经输出端对外部执行器进行位移驱动。