CN1066867C

CN1066867C - 压电－电流变平面自步进灵巧驱动器

Info

Publication number: CN1066867C
Application number: CN97112474A
Authority: CN
Inventors: 董蜀湘; 王树昕; 魏晓勇; 李龙土
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 2001-06-06
Anticipated expiration: 2017-06-13
Also published as: CN1173069A

Abstract

本发明涉及一种压电-电流变平面自步进灵巧驱动器，该驱动器由基体、电流变流体、箝位板和压电致动器组成。电流变流体置于基体内，箝拉板置于电流变流体中。箝位板的一侧装有电极面，该电极面与基体之间置有绝缘块，压电致动器互成直角置于驱动板上，致动器两端分别通过连接件与箝位板相对固定。本发明利用压电效应和电流变效应，结合仿生运动模式，实现x，y方向的驱动或平面多种运动。本发明具有高分辩率、大行程等优点，在精密控制中具有重要意义。

Description

压电—电流变平面自步进灵巧驱动器

本发明涉及一种压电—电流变平面自步进灵巧驱动器，属于精密自动控制技术领域。

传统的二维驱动器，均采用二个或二组电动机通过传动来实现x，y方向的运动，系统结构复杂、体积大、分辩率低。现代工业的发展还需要发展新一代具有亚微米、纳米精度的，多自由度、机敏微位移驱动器，如在集成电路制造工业中的图形发生器工作台，微机械工作台，精密微细操作台，机器人新型驱动器，激光微调器等，都需要发展新型多自由度、灵巧驱动器。

电流变流体”，这是一种公知的物质，简称ER流体。如杂志《Materials Forum》1991年第15期P197-P204的文章《Eleetrorheological Fluids and Their Application》所公开的内容。它是一种受电场控制能可逆地从液态到固态转变的流体，这种效应称之为电流变效应(ER效应)，ER流体通常是高绝缘液体，其内含大量的具有较高极化特性的微细颗粒，当这种流体置于高电场下(1～3kV/mm)，流体中的颗粒因极化能在瞬间(10^-3～10^-4s)形成具有抗剪能力的颗粒链或质点纤维，而呈现固态性质。本发明利用ER流体的这种性质，构成一种压电步进马达的新的箝位与传动装置。

本发明人曾经提出了一种压电效应驱动、电流变效应箝位，结合仿生运动模式的自步进直线运动的马达，具有大行程、高分辩率、结构简单、低成本的特点，但仅限于一维运动。

本发明的目的是设计一种压电—电流变平面自步进灵巧驱动器，利用电流变效应箝位、压电驱动，结合仿生运动的模式，实现平面二维运动。

本发明设计的压电—电流变平面自步进灵巧驱动器，由基体、电流变流体、三块箝位板和二块压电致动器组成。电流变流体置于基体内，三块箝位板置于电流变流体中，箝位板的下侧为电极面，该电极面与基体之间置有绝缘块，二块压电致动器互成直角置于箝位板上，通过箝位板上的连接件将箝位板与压电致动器相对固定。

本发明设计的驱动器的第二种结构形式，由基体、电流变流体、四块箝位板和四块压电致动器组成。电流变流体置于基体内，箝位板置于电流变流体中，箝位板的下侧面为电极面，箝位板与基体之间分别置有绝缘块。四块压电致动器互成直角置于箝位板上，通过箝位板上的连接件将箝位板与压电致动器相对固定。

本发明设计的驱动器的第三种结构，由基体、电流变流体、四块箝位板、四个压电致动器和一个金属弹性体组成。电流变流体置于基体内，箝位板置于电流变流体中。四个箝位板的下侧面分别为电极面，该电极面与基体之间置有绝缘块。金属弹性体置于箝位板上，弹性体的四个方角部分与箝位板相对固定，方角之间为具有弹性的波纹状边，四块压电致动器，每相邻两个之间互成直角安装在弹性体的四个方角之间。

附图说明：

图1是本发明设计的压电—电流变平面自步进灵巧驱动器的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是本发明设计的驱动器的第二种结构示意图。

图4是图3的B-B剖视图。

图5是本发明设计的驱动器的第三种结构示意图。

图6是图5的C-C剖视图。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。

本发明设计的灵巧驱动器，第一种结构如图1和图2所示。图1和图2中，1、2、3是箝位板，1a，1b、2a、3a是连接件，1c、2c、3c(图中未显示出)是电极面，4和5是压电致动器，6是电流变流体，7是基体，8是绝缘块。

驱动器的工作原理是：基体7，电流变流体6分别与3个箝位板的电极面1c、2c、3c构成箝位器，三个箝位板的电极面1c、2c、3c(图中未示出)下面，分别置有若干个小的绝缘块8，使得箝位板1、2、3与基体7之间分开一个给定间隙(0.1～1mm)，并使其内充满电流变流体。当在任一箝位板与基体7之间施加一电场，则因电流变效应，瞬间(小于10^-3s)，将该区间的电流变流体变成弱固态，因而使该极板固住，称为箝位。当去掉电场后，电流变流体又会在瞬间恢复为液态，即恢复为自由状态，称为松位。箝位板2、3与主箝位板1之间分别装有压电致动器4和5，它们分别构成x，y方向的驱动，驱动方法如下：

(1)x方向运动：

使箝位板2保持自由状态—松位。第一步，在箝位板1的电极面1c与基板7之间施加一高的方波电压信号，使箝位板1箝位，而箝位板3为自由状态；第二步，给压电致动器5施加一正的电压信号，5伸长，同时推动箝位板3沿x方向走一步Δx；第三步，保持5伸长，在箝位板3与基板之间施加一高的方波电压脉冲，使3箝位，同时去掉箝位板1上的电压，使1松位；第四步，去掉压电致动器5上的电压，或再施加负电压，结果5在恢复原长或缩短的同时，带动箝位板1与箝位板2一起向右运动一步。以后周期重复下去，驱动器将一直沿x的正方向运行下去。

(2)y向运行：

使箝位板3保持自由状态(零电位)—松位。完全类似x方向的运动步骤：第一步，使箝位板1松位，箝位板2箝位；第二步，给压电致动器4施加一正的电压脉冲，其伸长，箝位板1沿y的正方向运行一步；第三步，4保持伸长，使1箝位，2自由；第四步，去掉4上的电压或再施加负的电压脉冲，结果4在恢复原长或缩短的同时，箝位板2连同箝位板3一起，向y正向方向运行一步。重复以上步骤，驱动器将一直沿正y向运行下去。

(3)x-y平面运动：

驱动器从平面某一点(x₀，y₀)运动到任一点(x，y)可以先令驱动器沿x方向从x₀点，运动到x点，再令驱动器从(x，y₀)点，沿y方向运动到(x，y)点。也可以用一条细分析线来逼近从(x₀，y₀)到(x，y)的直线的方法，驱动器的运动仍可分解成x向与y向的运动合成，这个运动合成可由计算机控制软件来完成。

图3和图4是本发明设计的驱动器的第二种结构形式。图3和图4中，9、10、11、12是箝位器，9a、9b、10a、10b、11a、11b、12a、12b是连接件，13、14、15、16是压电致动器，17是绝缘块，18是基体，19是电流变流体。

与图1和图2的结构不同的是，图3和图4所示的驱动器有4个箝位板9、10、11、12和4个压电致动器13、14、15、16，这些箝位板与压电致动器的不同组合与配合，可使驱动器做出一些复杂的运动模式。

(1)x向运动：

压电致动器14、16保持本来状态(不接外电压)，压电致动器13、15组合成一个致动器，同时响应一个外加电压脉冲，同时伸长与收缩，箝位板9、12组合成一个箝位板，箝位板10、11组合成一个箝位板，这样组合后的箝位板，同时响应一个外加电压脉冲，执行箝位与松位动作，这样组合后，完全类似一个沿x向运动的直线驱动器，其工作步骤与图1中驱动器沿x向运动的工作步骤完全相同。

(2)y向运动

压电致动14、16组合成一个致动器，同时响应一个外加电压脉冲，同时伸长与收缩，而压电驱动器13、15保持本来状态(不接外电压)；箝位板9、10组合成一个箝位板，箝位板11、12组合成一个箝位板，这样组合后的箝位板，同时响应一个外加电压脉冲，执行箝位与松动动作，重新组合后，驱动器完全类似一个沿y方向运动的直线驱动器，其工作步骤与图1中驱动器沿y向运动时工作步骤完全相同。

(3)x-y平面运动

4个箝位极板与4个压电致动器，在计算机软件控制下，分别按x方向，y方向运动组合，就可实现从某一点(x₀，y₀)到任一点(x，y)的平面运动，其工作步骤完全类似图1中x-y平面运动的描述。

(4)转弯与旋转运动

当驱动器沿x正向运动时，若压电致动器13、15一个令其伸长，一个令其缩短，则驱动器就会作转弯运动。如驱动器在步进运动中，始终让13伸缩的位移量比15伸缩位移量大，则驱动器将向-y偏转，反之，则向+y向偏转。

当保持某一个箝位极板不动时，令其对角点的箝位板，分别与相邻的两个压电致动器和箝位板组合，依次作右旋步进或左旋步进，则驱动器绕该箝位板作右旋或左旋运动。如令箝位板9不动，令其对角点上的箝位板11与其相邻的压电致动器14，箝位板10组合，令其向正y向运动一步；该箝位板再与另一相邻的压电致动器15、箝位板12组合，再令其向正x向运行一步，结果驱动器就完成绕箝位板9的左旋或反时针旋转一步，还有一些其它组合的旋转运动，这里不一一列举。图5和图6是本发明的另一种结构二维平面灵巧驱动器。图5和图6中，20是金属弹性体，21、22、23、24是波纹状边，25、26、27、28是压电致动器，29、30、31、32是箝位板，29a、30a(图中未显示出)、31a(图中未显示出)、32a是电极面，34是电流变流体，35是基体，36是绝缘块。从图中可以看出，这种结构与图3类似，不同的是四个压电致动器是安装在一个金属弹性体20内，并被施于弹性予紧力，使其具有更好的回零性和位移线性关系。方块状金属弹性体20是由一方块状金属，用线切割方法，将其四个边切成具有很好弹性的波纹状边21、22、23、24，并切去中间部分而成形。四个压电致动器25、26、27、28通过弹性波纹边而被施以预紧力，弹性体的四个方角，再分别同四个箝位板29、30、31、32粘接在一起，或通过镙钉紧固在一起，四个箝位板的箝位电极面29a、30a、31a(未显示出)，32a同弹性体20是电气绝缘的；四个箝位板、基体35以及箝位板与基板之间的电流变流体34一起，构成四个箝位器，类似于图3所示，四个箝位器与四个压电致动器的不同组合与配合，可实现二维平面上的多种自步进运动与驱动，其工作方式与图3所示的工作方式完全相同。

Claims

1、一种压电一电流变平面自步进灵巧驱动器，其特征在于该驱动器是由基体、电流变流体、三块箝位板和二块压电致动器组成；所述的电流变流体置于基体内，三块箝位板置于电流变流体中，其中心连线的夹角为直角，箝位板的下侧面为电极面，该电极面与基体之间置有绝缘块，二块压电致动器的运动方向互成直角关系，并在压电致动器的与其运动方向相垂直的两个端面上分别设有连接件，每个连接件分别固定在不同的箝位板上；所述的基体、电流变流体分别与箝位板的电极面构成箝位器，三个箝位板的电极面下面，分别置有绝缘块，使得箝位板与基体之间分开一个给定间隙，并使其内充满电流变流体，当在任一箝位板与基体之间施加一电场，则因电流变效应，瞬间将该区间的电流变流体变成弱固态，因而使该极板固定，当去掉电场后，电流变流体又会在瞬间恢复为液态，即恢复为自由状态，称为松位，箝位板与箝位板之间分别装有压电致动器，它们分别构成x，y方向的驱动。

2、如权利要求1所述的驱动器，其特征在于，其中所述的箝位板和压电致动器各有四块，四块箝位板的中心连线构成一个正方形，四块驱动器通过箝位板上的连接件各自固定在不同的箝位板上，构成两对分别用于X、Y方向驱动的压电致动器。

3、一种压电—电流变平面自步进灵巧驱动器，其特征在于该驱动器由基体、电流变流体、四块箝位板、四个压电致动器和一个金属弹性体组成；所述的方块状金属弹性体是由一方块状金属，用线切割方法，将其四个边切成具有很好弹性的波纹状边，并切去中间部分而成形，所述的电流变流体置于基体内，箝位板置于电流变流体中；四个箝位板的下侧面分别为电极面，该电极面与基体之间置有绝缘块；金属弹性体置于箝位板上，弹性体的四个方角部分与块箝位板相对固定，四个压电致动器是安装在一个金属弹性体内，并被施加弹性予紧力，使其具有良好的回零性和位移线性关系，四个压电致动器分别安装在弹性体的每相邻两个方块之间，构成两对分别驱动x、y方向驱动的压电致动器。