CN106788271A - 一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器 - Google Patents

Abstract

一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，它涉及一种混合铰链式二级桥式放大器。由于桥式放大器自身放大倍数的局限性导致其应用范围受限，同时放大器中部分结构因形变造成放大器的位置损失，降低了放大器的位移放大倍数。本发明中第二级桥式放大机构设在第一级桥式放大机构上，第二级桥式放大机构和第一级桥式放大机构之间设置有压电陶瓷驱动器；第二级桥式放大机构的两个输入端分别与第一级桥式放大机构的两个输出端头相贴紧，压电陶瓷驱动器设置在两个输入端头之间，压电陶瓷驱动器的一端与一个所述输入端头可拆卸连接，压电陶瓷驱动器的另一端穿过第二级桥式放大机构与另一个所述输入端头可拆卸连接。本发明用于柔性机构中。

Description

一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器

技术领域

本发明具体涉及一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器。

背景技术

随着柔性机构的发展，压电陶瓷驱动器在工业上得到越来越多的应用。一般情况下，压电陶瓷驱动器的行程只有自身长度的0.1％～0.2％，这么短的行程使得压电陶瓷驱动器在大多数情况下都无法满足柔顺机构的使用要求。为了解决这个矛盾，各种各样的行程放大器被提了出来。其中桥式放大器由于其结构紧凑，设计简单，对称性好等独特优点，在工程上得到了越来越多的应用。但是带有柔性铰链的桥式放大器由于自身特性，存在着一个放大极限，也就是说，对于特定的结构参数，桥式放大器的放大倍数是受限的，这一缺点大大限制了桥式放大器应用范围。

另一方面，理想的桥式放大机构是只存在柔性铰链的形变，不存在其他结构的形变。换句话说，其他结构都被看作刚性体。但现实情况是其他结构在放大器工作时也会存在形变，这些形变会造成放大器的位移损失，降低放大器的位移放大倍数。这一问题一直没有得到很好的解决。同时还存在单一铰链形式的二级桥式放大器的实际放大倍数远远低于理论值。

发明内容

本发明的目的是提供一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，以解决由于桥式放大器自身放大倍数的局限性导致其应用范围受限，同时放大器中部分结构因形变造成放大器的位置损失，降低了放大器的位移放大倍数的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，它包括第一级桥式放大机构、第二级桥式放大机构和压电陶瓷驱动器，所述第二级桥式放大机构设置在第一级桥式放大机构上，所述第二级桥式放大机构和第一级桥式放大机构之间设置有压电陶瓷驱动器；

所述第一级桥式放大机构包括两个输入端头、两个输出端头和两个第一柔性铰链和两个第二柔性铰链，所述两个输入端头并列设置，两个输出端头并列设置在两个输入端头之间，一个所述输出端头的两端分别通过两个第一柔性铰链与两个输入端头连接，另一个所述输出端头的两端分别通过两个第二柔性铰链与两个输入端头相连接；

第二级桥式放大机构固定套装在第一级桥式放大机构上，第二级桥式放大机构的两个输入端分别与第一级桥式放大机构的两个输出端头相贴紧，所述压电陶瓷驱动器设置在两个输入端头之间，所述压电陶瓷驱动器的一端与一个所述输入端头可拆卸连接，所述压电陶瓷驱动器的另一端穿过第二级桥式放大机构与另一个所述输入端头可拆卸连接。

每个输入端头对应设置有一个刚性梁，每个刚性梁可拆卸连接在其对应的输入端头中远离第二级桥式放大机构的端面上。

第一柔性铰链和第二柔性铰链的结构相同，所述第一柔性铰链包括第一柔性铰头、中部刚性块和第二柔性铰头，所述第一柔性铰头通过中部刚性块与第二柔性铰头固定连接制为一体，中部刚性块的一端通过第一柔性铰头与输入端头相连接，中部刚性块的另一端通过第二柔性铰头与输出端头相连接，第一柔性铰头和第二柔性铰头均为V型柔性铰头。

V型柔性铰链中尖端的锥角的取值范围为45°～90°。

第二级桥式放大机构包括二级柔性铰链圈、两个连接端和多个连接式刚性块，二级柔性铰链圈套装在第一级桥式放大机构上，所述两个连接端和多个连接式刚性块均设置在二级柔性铰链圈上，连接端与输出端头一一对应设置，每个连接端贴紧在其对应的输出端头上且该连接端可拆卸连接在其对应的输出端头上。

二级柔性铰链圈为簧片式柔性铰链圈。

压电陶瓷驱动器的一端穿过一个所述输入端头且与该输入端头对应的刚性梁可拆卸连接，压电陶瓷驱动器的另一端穿过另一个所述输入端头且与该输入端头对应的刚性梁可拆卸连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的结构设置简单且合理，通过第一级桥式放大机构和第二级桥式放大机构之间相互配合设置有效刚性部件形变对位置损失的影响，从而有效提升本发明的放大倍数。

2、本发明中刚性梁为加强第一级桥式放大机构输入端头刚性的梁体，刚性梁采用弹性模量比结构材料弹性模量高的材料制作的梁体。将加强刚性梁固定在易变形的输入端头上，使得该处变形大大减小，进而使得放大器的位移损失也大大减小。

3、本发明中第一级放大机构中的两个第一柔性铰链和两个第二柔性铰链均为V型柔性铰链，第二级放大机构中的二级柔性铰链圈为簧片式柔性铰链圈。V型柔性铰链与簧片式柔性铰链圈的设置大大提高二级放大机构的放大倍数，通过样品测试以及理论计算得出本发明的实际放大倍数与理想放大倍数近似相等。

附图说明

图1示意了本发明的主视结构剖面图；

图2示意了第一级桥式放大机构1的主视结构图；

图3示意了刚性梁1-5的主视结构图；

图4示意了图3的俯视结构图；

图5示意了第二级桥式放大机构2的主视结构图；

图6示意了第二级桥式放大机构2的俯视结构图；

图7示意了图6中A-A处的剖面图；

图8示意了第一级桥式放大机构1、第二级桥式放大机构2、压电陶瓷驱动器3和两个刚性梁1-5之间连接关系的立体图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8说明本实施方式，本实施方式包括第一级桥式放大机构1、第二级桥式放大机构2、压电陶瓷驱动器3和刚性组件，所述第二级桥式放大机构2设置在第一级桥式放大机构1上，所述第二级桥式放大机构2和第一级桥式放大机构1之间设置有压电陶瓷驱动器3；

所述第一级桥式放大机构1包括两个输入端头1-1、两个输出端头1-2和两个第一柔性铰链1-3和两个第二柔性铰链1-4，所述两个输入端头1-1并列设置，两个输出端头1-2并列设置在两个输入端头1-1之间，一个所述输出端头1-2的两端分别通过两个第一柔性铰链1-3与两个输入端头1-1相连接，另一个所述输出端头1-2的两端分别通过两个第二柔性铰链1-4与两个输入端头1-1相连接；

第二级桥式放大机构2固定套装在第一级桥式放大机构1上，第二级桥式放大机构2的两个输入端分别与第一级桥式放大机构1的两个输出端头1-2相贴紧，所述压电陶瓷驱动器3设置在两个输入端头1-1之间，所述压电陶瓷驱动器3的一端与一个所述输入端头1-1可拆卸连接，所述压电陶瓷驱动器3的另一端穿过第二级桥式放大机构2与另一个所述输入端头1-1可拆卸连接。

本发明的第一级桥式放大机构1为一体式结构，即两个输入端头1-1、两个输出端头1-2和两个第一柔性铰链1-3和两个第二柔性铰链1-4之间固定连接制为一体。

本发明中第一柔性铰链1-3与输入端头1-1一一对应设置，第二柔性铰链1-4与输入端头1-1一一对应设置。

具体实施方式二：结合图3、图4和图8说明本实施方式，本实施方式中每个输入端头1-1对应设置有一个刚性梁1-5，每个刚性梁1-5可拆卸连接在其对应的输入端头1-1中远离第二级桥式放大机构2的端面上。

本实施方式中输入端头1-1的形状为条形，刚性梁1-5的设置是为了加强输入端头1-1的刚性，刚性梁1-5的形状与其对应的输入端头1-1的形状相配合，刚性梁1-5的长度与其对应的输入端头1-1的长度相等。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中第一柔性铰链1-3和第二柔性铰链1-4的结构相同，所述第一柔性铰链1-3包括第一柔性铰头1-3-1、中部刚性块1-3-2和第二柔性铰头1-3-3，所述第一柔性铰头1-3-1通过中部刚性块1-3-2与第二柔性铰头1-3-3固定连接制为一体，中部刚性块1-3-2的一端通过第一柔性铰头1-3-1与输入端头1-1相连接，中部刚性块1-3-2的另一端通过第二柔性铰头1-3-3与输出端头1-2相连接，第一柔性铰头1-3-1和第二柔性铰头1-3-3均为V型柔性铰头。

本实施方式中第一柔性铰头1-3-1和第二柔性铰头1-3-3均为V型柔性铰头是根据样品多次实验确定的，第一柔性铰链1-3和第二柔性铰链1-4的形状为最佳类型的柔性铰链，V型柔性铰链由第一柔性铰头1-3-1、中部刚性块1-3-2和第二柔性铰头1-3-3固定连接制为一体形成，第一柔性铰头1-3-1和第二柔性铰头1-3-3分别设置在中部刚性块1-3-2的上端面和下端面上，第一级桥式放大机构1中的每个输入端头1-1上加工有与第一柔性铰头1-3-1相对应的第一凸起部，第一凸起部的形状与第一柔性铰头1-3-1的形状相配合。第一级桥式放大机构1中的每个输出端头1-2上加工有与第二柔性铰头1-3-3相对应的第二凸起部，第二凸起部的形状与第二柔性铰头1-3-3的形状相配合。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中V型柔性铰链中尖端的锥角的取值范围为45°～90°。

本实施方式中V型柔性铰链中尖端的锥角的取值范围为45°～90°，该角度范围内能够使第一级桥式放大机构1具有更高的输出刚度，进而能够更好的驱动第二级桥式放大机构2。

本实施方式中V型柔性铰链中尖端的锥角的最佳取值为90°，当V型柔性铰链中尖端的锥角为90°时，由于每个输入端头1-1上的第一凸起部的形状与尖端的形状相配合，每个输出端头1-2的第二凸起部的形状与尖端的形状相配合，即第一凸起部与尖端之间的夹角α为90°。夹角α的最佳角度值是考虑铰链形变刚度、设计、加工难度以及放大效果的因素综合得出的。同理第二凸起部与尖端之间的夹角β为90°。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中第二级桥式放大机构2包括二级柔性铰链圈2-1、两个连接端2-2和多个连接式刚性块2-3，二级柔性铰链圈2-1套装在第一级桥式放大机构1上，所述两个连接端2-2和多个连接式刚性块2-3均设置在二级柔性铰链圈2-1上，连接端2-2与输出端头1-2一一对应设置，每个连接端2-2贴紧在其对应的输出端头1-2上且该连接端2-2可拆卸连接在其对应的输出端头1-2上。

本实施方式中二级柔性铰链圈2-1、两个连接端2-2和多个连接式刚性块2-3为一体式结构。

本实施方式中两个连接端2-2与其各自对应的输出端头1-2相连接处为第二级桥式放大机构2的输入端，即第二级桥式放大机构2具有两个输入端。第二级桥式放大机构2具有一个输出端9。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施五的进一步说明，本实施方式中二级柔性铰链圈2-1为簧片式柔性铰链圈。簧片式柔性铰链圈的设置是根据多次样品实验得出的，能够有效配合两个连接端2-2最大程度地减小第二级桥式放大机构2的位置损失。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施二的进一步说明，本实施方式中压电陶瓷驱动器3的一端穿过一个所述输入端头1-1且与该输入端头1-1对应的刚性梁1-5可拆卸连接，压电陶瓷驱动器3的另一端穿过另一个所述输入端头1-1且与该输入端头1-1对应的刚性梁1-5可拆卸连接。

本发明经过多次样品实验，实验的具体结构参数数据如下表：

本发明的样品经过多次实验后的对比结果如下表二：

第一种实验结构为第一级放大机构1和第二级放大机构2均采用的簧片式铰链结构。第一种实验结构的放大倍数为5.84。第二种实验结构为第一级放大机构1采用V型铰链结构，第二级放大机构2采用簧片式铰链结构，即为本发明的结构，本发明的放大倍数为31.98，明显优于第一种实验结构。

通过上述实验对比可以说明，当第一级放大机构1采用V型铰链结构，第二级放大机构2采用簧片式铰链结构时，其放大倍数与第一种实验结构相比得到了极大的提高。

本发明的装配过程：

两个刚性梁1-5分别通过两个螺钉5固定安装在第一级桥式放大机构1的两个输入端头1-1，其中两个刚性梁1-5中的一个刚性梁1-5上加工有螺纹孔，螺纹孔内设置有预紧螺钉6，两个刚性梁1-5中的另一个刚性梁1-5上加工有外螺纹7；在第一级桥式放大机构1的两个输出端头1-2分别通过紧固螺钉8与第二级桥式放大机构2的两个连接端2-2相连接，压电陶瓷驱动器3的一端通过一个刚性梁1-5上加工有外螺纹7相连接，压电陶瓷驱动器3的另一端通过预紧螺钉6与第一级桥式放大机构1的另一个刚性梁1-5相连接，从而实现有效预紧。

本发明的工作过程：

当压电陶瓷驱动器3通电后，压电陶瓷驱动器3伸长，输出原始位移，该位移通过第一级桥式放大机构1的两个输入端头1-1实现第一次放大，而后位移通过第一级桥式放大机构1的两个输出端头1-2传递到第二级桥式放大机构2的两个连接端2-2处，从而实现第二级桥式放大机构2的第二次放大，两次放大后的位移通过第二级放大机构的一个输出端9输出。

Claims (7)

1.一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，其特征在于：它包括第一级桥式放大机构(1)、第二级桥式放大机构(2)和压电陶瓷驱动器(3)，所述第二级桥式放大机构(2)设置在第一级桥式放大机构(1)上，所述第二级桥式放大机构(2)和第一级桥式放大机构(1)之间设置有压电陶瓷驱动器(3)；

所述第一级桥式放大机构(1)包括两个输入端头(1-1)、两个输出端头(1-2)和两个第一柔性铰链(1-3)和两个第二柔性铰链(1-4)，所述两个输入端头(1-1)并列设置，两个输出端头(1-2)并列设置在两个输入端头(1-1)之间，一个所述输出端头(1-2)的两端分别通过两个第一柔性铰链(1-3)与两个输入端头(1-1)相连接，另一个所述输出端头(1-2)的两端分别通过两个第二柔性铰链(1-4)与两个输入端头(1-1)相连接；

第二级桥式放大机构(2)固定套装在第一级桥式放大机构(1)上，第二级桥式放大机构(2)的两个输入端分别与第一级桥式放大机构(1)的两个输出端头(1-2)相贴紧，所述压电陶瓷驱动器(3)设置在两个输入端头(1-1)之间，所述压电陶瓷驱动器(3)的一端与一个所述输入端头(1-1)可拆卸连接，所述压电陶瓷驱动器(3)的另一端穿过第二级桥式放大机构(2)与另一个所述输入端头(1-1)可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，其特征在于：每个输入端头(1-1)对应设置有一个刚性梁(1-5)，每个刚性梁(1-5)可拆卸连接在其对应的输入端头(1-1)中远离第二级桥式放大机构(2)的端面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，其特征在于：第一柔性铰链(1-3)和第二柔性铰链(1-4)的结构相同，所述第一柔性铰链(1-3)包括第一柔性铰头(1-3-1)、中部刚性块(1-3-2)和第二柔性铰头(1-3-3)，所述第一柔性铰头(1-3-1)通过中部刚性块(1-3-2)与第二柔性铰头(1-3-3)固定连接制为一体，中部刚性块(1-3-2)的一端通过第一柔性铰头(1-3-1)与输入端头(1-1)相连接，中部刚性块(1-3-2)的另一端通过第二柔性铰头(1-3-3)与输出端头(1-2)相连接，第一柔性铰头(1-3-1)和第二柔性铰头(1-3-3)均为V型柔性铰头。

4.根据权利要求3所述的一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，其特征在于：V型柔性铰链中尖端的锥角的取值范围为45°～90°。

5.根据权利要求1或4所述的一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，其特征在于：第二级桥式放大机构(2)包括二级柔性铰链圈(2-1)、两个连接端(2-2)和多个连接式刚性块(2-3)，二级柔性铰链圈(2-1)套装在第一级桥式放大机构(1)上，所述两个连接端(2-2)和多个连接式刚性块(2-3)均设置在二级柔性铰链圈(2-1)上，连接端(2-2)与输出端头(1-2)一一对应设置，每个连接端(2-2)贴紧在其对应的输出端头(1-2)上且该连接端(2-2)可拆卸连接在其对应的输出端头(1-2)上。

6.根据权利要求5所述的一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，其特征在于：二级柔性铰链圈(2-1)为簧片式柔性铰链圈。

7.根据权利要求2所述的一种刚性加强的混合铰链式二级桥式放大器，其特征在于：压电陶瓷驱动器(3)的一端穿过一个所述输入端头(1-1)且与该输入端头(1-1)对应的刚性梁(1-5)可拆卸连接，压电陶瓷驱动器(3)的另一端穿过另一个所述输入端头(1-1)且与该输入端头(1-1)对应的刚性梁(1-5)可拆卸连接。