CN106159079B - 一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构，包括菱形柔性机构、压电叠堆、压电片、位移传感器、数据采集系统、功率放大器和控制器，位移传感器设置在刚性输出端上，多个压电片分别固定设置在柔性梁的两端，位移传感器的信号输出端与数据采集系统的信号输入端连接，数据采集系统的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出经功率放大器放大后与压电叠堆/压电片的驱动信号输入端连接。本发明通过粘贴压电片产生附加的弯矩，使菱形柔性机构的输出位移得到增大，不降低柔性机构的固有频率；另外可以设计更厚的柔性梁和柔性铰链来提高柔性机构的固有频率，由此损失的位移放大比由附加的压电片提供的弯矩得以补偿。

Description

一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构

技术领域

本发明涉及精密驱动与控制领域，尤其涉及一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构。

背景技术

近年来，随着精密机械技术的发展，尤其是微纳米技术的出现，科学技术正式进入了“亚微米-纳米”时代。扫描电镜、光学仪器、精密加工等等电子、光学、机械、和航天领域，迫切需要高精度、高分辨率、高速率的驱动与定位平台。由于压电陶瓷具有高分辨率、高刚度和出力大等优点，广泛应用于精密驱动与控制，但是压电陶瓷的输出位移极小，即使是堆叠型压电陶瓷，其输出位移一般也不超过自身尺寸的0.2％。因此，公知的大多数压电陶瓷驱动的精密定位平台均是采用压电陶瓷和柔性铰链来组成柔性机构，实现高精度的位移和力输出。

柔性机构的工作原理是通过机构的弹性变形来实现位移输出和放大，国内外公知的典型柔性机构有：基于三角形放大原理的菱形柔性机构、桥式柔性机构，基于杠杆放大原理的柔性机构，等等。目前公知的这些压电驱动柔性机构，其共同特点是普遍采用压电叠堆。不管哪一种柔性机构，其输出位移、输出刚度以及固有频率之间总是互相约束，即：要实现大位移输出必然要以损失固有频率为代价，要获得高固有频率，势必需要设计结构上厚而短的柔性铰链或者柔性梁，其结果是柔性机构的位移放大比受到限制。

随着扫描电镜、原子力显微镜、精密定位平台等对运动速度要求越来越高，学术界和工程界一直在寻找具有大的位移放大比同时又具备高固有频率的柔性机构，例如专利号为CN103022339中，提出采用两个或多个菱形柔性机构并联来提高菱形柔性机构的固有频率和输出刚度。专利号为CN102394270中提出了用两级微位移放大机构来提高位移放大比。这些专利的共同特点是从结构上进行柔性机构的性能改进和提高，但是效果有限。因此，目前的各种压电柔性机构的实际设计中，普遍做法是在机构的位移放大比和固有频率之间进行折中选择。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构，包括菱形柔性机构和压电叠堆，所述菱形柔性机构包括柔性梁、位移输入端、刚性固定端和刚性输出端，两个所述位移输入端对称设置，所述刚性固定端和所述刚性输出端对称设置，两个所述位移输入端之间的连线与所述刚性输入端和所述刚性输出端之间的连线垂直，四个所述柔性梁依次连接所述位移输入端、所述刚性固定端和所述刚性输出端并组成菱形结构，所述压电叠堆设置在所述位移放大机构内，且所述压电叠堆的两端分别与两个所述位移输入端连接；

所述提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构还包括压电片、位移传感器、数据采集系统、功率放大器和控制器，所述位移传感器设置在所述刚性输出端上，多个所述压电片分别固定设置在所述柔性梁的两端，所述位移传感器的信号输出端与所述数据采集系统的信号输入端连接，所述数据采集系统的信号输出端与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的信号输出端与所述功率放大器的信号输入端连接，所述功率放大器的信号输出端与所述压电叠堆/所述压电片的驱动信号输入端连接。

优选地，所述压电片分别设置在所述柔性梁的上表面和下表面，且位于所述柔性梁的两端，所述柔性梁的同一位置可设置多个所述压电片，多个所述压电片在其厚度方向上重叠粘合。

具体地，所述提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构还包括柔性铰链，所述柔性梁与所述位移输入端、所述刚性固定端和所述刚性输出端之间均通过所述柔性铰链连接。

本发明的有益效果在于：

本发明一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构通过粘贴压电片产生附加的弯矩，使菱形柔性机构的输出位移得到增大，同时由于压电片的质量比较轻，厚度比较薄，不会降低柔性机构的固有频率；另外可以设计更厚的柔性梁和柔性铰链来提高柔性机构的固有频率，由此损失的位移放大比由附加的压电片提供的弯矩得以补偿，因此，本机构应用于精密定位以及测量装置中可以有更大位移输出和频响性能。

附图说明

图1是本发明所述一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构的立体结构示意图；

图2是本发明所述一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构的主视图，图中仅示出了部分压电片；

图3是本发明所述压电片的粘接方式；

图4是本发明所述压电片的重叠粘接方式；

图5是本发明所述一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构的电气连接图。

图中：1-压电叠堆，2-压电片，3-菱形柔性机构，4-柔性梁，5-位移输入端，6-刚性固定端，7-刚性输出端，8-柔性铰链，9-位移传感器，10-功率放大器，11-控制器，12-数据采集系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构，包括菱形柔性机构3、压电叠堆1、压电片2、位移传感器9、柔性铰链8、数据采集系统12、功率放大器10和控制器11，菱形柔性机构3包括柔性梁4、位移输入端5、刚性固定端6和刚性输出端7，两个位移输入端5对称设置，刚性固定端6和刚性输出端7对称设置，两个位移输入端5之间的连线与刚性输入端和刚性输出端7之间的连线垂直，四个柔性梁4通过柔性铰链8依次连接位移输入端5、刚性固定端6和刚性输出端7并组成菱形结构，压电叠堆1设置在位移放大机构内，且压电叠堆1的两端分别与两个位移输入端5连接；

位移传感器9设置在刚性输出端7上，多个压电片2分别固定设置在柔性梁4的两端，位移传感器9的信号输出端与数据采集系统12的信号输入端连接，数据采集系统12的信号输出端与控制器11的信号输入端连接，控制器11的信号输出端与功率放大器10的信号输入端连接，功率放大器10的信号输出端与压电叠堆1/压电片2的驱动信号输入端连接，压电片2分别设置在柔性梁4的上表面和下表面，且位于柔性梁4的两端，柔性梁4的同一位置可设置多个压电片2，多个压电片2在其厚度方向上重叠粘合。

同时为了控制输入至不同压电片2的电压信号，各个压电片2和压电叠堆1均设置有独立的功率放大器10，各个功率放大器10均与控制器11的信号输出端连接。

本发明一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构的工作原理如下：

如图4所示，通过将多个压电片2重叠粘贴，可以有效的增加菱形柔性机构3的位移输出能力。

该提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构的实现方法采用压电叠堆1和压电片2混合驱动，其本质是通过压电片2对柔性梁4产生附加弯矩，从而在不降低机构的固有频率下实现位移的增大，根据其具体机构，包括下述三种实现方法：

1、位于柔性梁4下表面的压电片2不工作，即仅位于柔性梁4上表面的压电片2工作，此时通过控制器11和功率放大器10对压电叠堆1和压电片2的输入电压波形一致、相位相同，根据实际设计选型，压电叠堆1和压电片2对应的功率放大器10的放大倍数也不相同。

2、位于柔性梁4上表面的压电片2不工作，即仅位于柔性梁4下表面的压电片2工作，此时通过控制器11和功率放大器10对压电叠堆1和压电片2的输入电压波形一致，相位相差180度，根据实际设计选型，压电叠堆1和压电片2对应的功率放大器10的放大倍数也不相同。

3、位于柔性梁4上表面和柔性梁4下表面的压电片2均工作，位于上表面的压电片2和位于下表面的压电片2的输入电压信号波形一致，相位相差180度，位于柔性梁4的同一端的上下表面上的压电片2组成一组压电片组，该压电片组与压电叠堆1对应的功率放大器10的放大倍数不相同。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构，包括菱形柔性机构和压电叠堆，所述菱形柔性机构包括柔性梁、位移输入端、刚性固定端和刚性输出端，两个所述位移输入端对称设置，所述刚性固定端和所述刚性输出端对称设置，两个所述位移输入端之间的连线与所述刚性输入端和所述刚性输出端之间的连线垂直，四个所述柔性梁依次连接所述位移输入端、所述刚性固定端和所述刚性输出端并组成菱形结构，所述压电叠堆设置在所述位移放大机构内，且所述压电叠堆的两端分别与两个所述位移输入端连接，其特征在于：

还包括压电片、位移传感器、数据采集系统、功率放大器和控制器，所述位移传感器设置在所述刚性输出端上，多个所述压电片分别固定设置在所述柔性梁的两端，所述位移传感器的信号输出端与所述数据采集系统的信号输入端连接，所述数据采集系统的信号输出端与所述控制器的信号输入端连接，所述控制器的信号输出端与所述功率放大器的信号输入端连接，所述功率放大器的信号输出端与所述压电叠堆/所述压电片的驱动信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构，其特征在于：所述压电片分别设置在所述柔性梁的上表面和下表面，且位于所述柔性梁的两端，所述柔性梁的同一位置设置多个所述压电片，多个所述压电片在其厚度方向上重叠粘合。

3.根据权利要求2所述的一种提高压电柔性机构输出位移和固有频率的结构，其特征在于：还包括柔性铰链，所述柔性梁与所述位移输入端、所述刚性固定端和所述刚性输出端之间均通过所述柔性铰链连接。