CN107154747B - 一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，包括压电叠堆驱动单元，压电叠堆驱动单元的外侧设置有用于对压电叠堆驱动单元的输出位移进行放大的柔性放大结构，压电叠堆驱动单元的两端通过引线连接至位于柔性放大结构外侧的驱动电源；所述的柔性放大结构包括连接在压电叠堆驱动单元两端的端盖，以及用于将两个端盖连接在一起的套筒。本发明采用压电驱动器为动力源，具有亚纳米级的精度、输出力大、亚毫秒级的响应、结构紧凑和横向刚度高等优点，同时实现了径向的位移输出，解决了驱动器输出单一方向的问题。
Description
技术领域
本发明属于精密控制领域，具体涉及一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器。
背景技术
近年来，压电驱动器因其响应速度快、损耗低、驱动力大、驱动频率宽、定位精度高而被广泛应用到微控制领域，例如生物和化工工程领域：显微手术、生物细胞的操作、微操作等微纳米级的定位平台，光学工程领域：激光雷达系统、激光加工微操作平台等等。虽然压电陶瓷产生的微位移适用于精密控制领域，但是其位移输出量程有限而受到了很大的限制。因此，压电驱动器多采用基于柔性位移放大结构。柔性位移放大结构主要是机械放大结构结合柔性铰链，柔性铰链具有无损耗、无摩擦、连接无缝隙、结构紧凑等优点。
目前采用的柔性位移放大结构主要为：(1)结合柔性铰链的菱形放大结构，可以实现大位移应变，但是结构横向刚度低；(2)复合桥式结构，改善了桥式结构横向刚度低的缺点但是结构复杂；(3)嵌套蜂窝结构，例如公告号为CN105384139的中国发明专利公开了一种两级嵌套的微位移放大结构，可实现大应变量程。但是，该位移放大结构只可以实现单方向Y轴的位移输出。
因此，在实现位移放大的同时，驱动器如何实现多方向输出称为目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，用于解决在实现位移放大的同时，驱动器如何实现多方向输出的问题，本发明采用压电驱动器为动力源，具有亚纳米级的精度、输出力大、亚毫秒级的响应、结构紧凑和横向刚度高等优点，同时实现了径向的位移输出，解决了驱动器输出单一方向的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，包括压电叠堆驱动单元，压电叠堆驱动单元的外侧设置有用于对压电叠堆驱动单元的输出位移进行放大的柔性放大结构，压电叠堆驱动单元的两端通过引线连接至位于柔性放大结构外侧的驱动电源；所述的柔性放大结构包括连接在压电叠堆驱动单元两端的端盖，以及用于将两个端盖连接在一起的套筒。
进一步地，套筒和两个端盖采用螺纹配合连接或者采用紧固螺钉固定。
进一步地，压电叠堆驱动单元由若干对圆环状或圆片状的压电陶瓷堆叠而成。
进一步地，所述压电陶瓷沿其Z轴极化，且每对压电陶瓷中的两片压电陶瓷极化方向相反，驱动电源对每片压电陶瓷施加的电场方向与其极化方向相同。
进一步地，当压电陶瓷为圆环状时，两个端盖的内侧均设有凸台，压电叠堆驱动单元的两端分别套设在两个端盖内侧的凸台上。
进一步地，当压电陶瓷为圆片状时，两个端盖的内侧均设有凹槽，压电叠堆驱动单元的两端分别嵌套在两个端盖内侧的凹槽中。
进一步地，套筒包括两个中空圆台以及连接在两个中空圆台之间的第一中空圆柱，两个中空圆台直径较小的一端与第一中空圆柱连接，两个中空圆台直径较大的一端均连接有第二中空圆柱，两个端盖分别与两个第二中空圆柱配合连接。
进一步地，两个中空圆台与第一中空圆柱的连接处以及两个中空圆台与第二中空圆柱的连接处均设有柔性铰链。
进一步地，套筒上设置有四对伸缩缝，且四对伸缩缝以套筒的中心线为对称轴呈中心对称。
进一步地，柔性放大结构的刚度小于压电叠堆驱动单元的刚度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出了一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，包括端盖和套筒结合的柔性放大结构，该柔性放大结构继承了菱形放大结构输出大位移量程的优点，改善和优化了横向刚度低、输出驱动力低、其他方向输出导致的“位移缺失”的缺点，同时，该位移放大结构实现了径向的位移输出，解决了驱动器输出单一方向的问题。
进一步地，压电叠堆驱动单元通过端盖内侧的凸台或凹槽进行固定，设计简单、结构紧凑、尺寸小、成本低、结构稳定，可重复使用。
进一步地，套筒包括两个中空圆台以及连接在两个中空圆台之间的第一中空圆柱，两个中空圆台的自由端还分别连接有一个第二中空圆柱，两个中空圆台与第一中空圆柱的连接处以及两个中空圆台与第二中空圆柱的连接处均设有柔性铰链，可以提高径向输出位移量程，具有无摩擦、无损耗、结构紧凑的优点。
进一步地，套筒上设置有四对伸缩缝，有助于微位移放大。
进一步地，压电叠堆驱动单元的刚度大于端盖和套筒组成的柔性放大结构，因此压电叠堆驱动单元产生的施加到端盖上的轴向应力几乎不会使压电叠堆驱动单元发生压缩变形。轴向应力推动端盖，套筒侧壁径向扩张，实现了压电叠堆驱动单元轴向位移转化为径向位移并且放大输出。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的俯视图；
图4是本发明的另一种结构示意图；
图5是图4的左视图；
图6是图4的俯视图；
图7是针对本发明图1结构施加电压后的变形示意图。
其中：1-端盖；2-套筒；3-铰链；4-压电叠堆驱动单元；5-驱动电源；6-紧固螺钉；7、伸缩缝；8-未变形的轮廓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图6，一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，包括柔性放大结构、压电叠堆驱动单元4以及驱动电源5。柔性放大结构对压电叠堆驱动单元4输出位移进行放大，套筒2和两个端盖1组成柔性放大结构；柔性放大结构成周期对称和上下对称；两个端盖1和套筒2之间采用螺纹配合连接或者采用紧固螺钉固定。端盖1成阶梯圆柱状，端盖1的小直径端与压电叠堆驱动单元4的接触方式为嵌入或被嵌入，该接触方式可很好的固定压电叠堆驱动单元4，套筒2上设置有四对伸缩缝7，且四对伸缩缝7以套筒2的中心线为对称轴呈中心对称，压电叠堆驱动单元4的电源引线从侧壁开缝处引出。
套筒2包括两个中空圆台以及连接在两个中空圆台之间的第一中空圆柱，两个中空圆台直径较小的一端与第一中空圆柱连接，两个中空圆台直径较大的一端均连接有第二中空圆柱，两个端盖1分别与两个第二中空圆柱配合连接，两个中空圆台与第一中空圆柱的连接处以及两个中空圆台与第二中空圆柱的连接处均设有柔性铰链3，套筒2上设置有四对伸缩缝7，且四对伸缩缝7以套筒2的中心线为对称轴呈中心对称，压电叠堆驱动单元4的两端的引线通过伸缩缝7连接至位于柔性放大结构外侧的驱动电源5；当套筒2两端有内螺纹，两端盖大直径端有外螺纹，端盖1和套筒2采用螺纹配合固定；当套筒2两端没有内螺纹，两端盖1大直径端没有外螺纹，端盖1和套筒2采用紧固螺钉6固定连接。
端盖1呈阶梯圆柱状，端盖1与压电叠堆驱动单元4的连接方式为上下端盖1的小直径端内嵌到压电叠堆驱动单元4内，端盖阶梯面与压电叠堆驱动单元4上下表面接触；或上下端盖1的小直径端具有一个凹槽，压电叠堆驱动单元4置于上下端盖的凹槽内，上下端盖1阶梯面与压电叠堆驱动单元4上下表面接触。
压电叠堆驱动单元4采用若干对圆环或圆片状的压电陶瓷，压电陶瓷沿其Z轴极化，每对压电陶瓷的极化方向相反，第一块压电陶瓷的极化方向为+Z方向，第二块压电陶瓷的极化方向为-Z方向，以此类推。且对每片压电陶瓷所施加的驱动电源5的电场方向与其极化方向相同，压电陶瓷片厚度小于1μm，采用结构上串联、电路上并联的连接方式可以实现150v的低电压驱动。
本发明工作原理如下：压电叠堆驱动单元4的陶瓷片的极化方向与所施加的外电场方向与极化方向相同，当给压电叠堆驱动单元4施加电源时，由于压电陶瓷逆压电效应，压电叠堆驱动单元4发生轴向扩张，且压电叠堆驱动单元4的刚度大于端盖和套筒组成的柔性放大结构，因此压电叠堆驱动单元4产生的施加到端盖上的轴向应力几乎不会使其发生压缩变形，轴向应力推动端盖，套筒侧壁径向扩张，陶瓷叠堆轴向位移转化为径向位移并且放大输出。
下面对本发明的操作过程做详细描述：
本发明的一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其有两种结构。一种结构包括：端盖1、套筒2、柔性铰链3、压电叠堆驱动单元4和驱动电源5。图1为一种结构的剖面图，可以看到端盖1呈圆柱阶梯状，端盖1大直径端有外螺纹，小直径端内嵌到圆环状压电叠堆驱动单元4内侧，用于固定压电叠堆驱动单元4；套筒2上下端内侧有内螺纹，与端盖1的大直径端的外螺纹配合固定，端盖1给压电叠堆驱动单元4施加一定的预应力，压电叠堆驱动单元4与端盖1紧密结合；套筒2拐点处结合柔性铰链3；压电叠堆驱动单元4上施加驱动电源5，引线从套筒2侧壁伸缩缝7处引出；套筒2侧壁周期对称开8条伸缩缝7，如图2所示。
另一种结构包括：端盖1、套筒2、柔性铰链3、压电叠堆驱动单元4、驱动电源5和紧固螺母6。图4为另一种结构的剖面图，可以看到端盖1呈圆柱阶梯状，大直径端不具有有外螺纹，套筒2上下端不具有内螺纹，端盖1和套筒2通过紧固螺钉6固定；端盖1的小直径端具有凹槽，压电叠堆驱动单元4置于凹槽中；压电叠堆驱动单元4的预紧力通过紧固螺母施加，压电叠堆驱动单元4与端盖1紧密接触；套筒2拐点处结合柔性铰链3；压电叠堆驱动单元4上施加驱动电源5，引线从套筒2侧壁的伸缩缝7引出；套筒2侧壁周期对称开8条伸缩缝7，如图5所示。
本实施例采用ANSYS有限元软件对本发明驱动器进行分析，得到该驱动器的谐振频率为6118Hz。图7所示为该驱动器压电叠堆施加电压后的变形示意图，8为未变形的轮廓，得到轴向输出位移为1.07e-5m，径向输出位移为4.81e-5m，该驱动器的放大倍数为4.50倍。
实施例1：
首先，将下端盖1旋进套筒2底部，通过内外螺纹相配合连接；下端盖1的小直径端内嵌到压电叠堆驱动单元4内侧，压电叠堆驱动单元4的下表面与下端盖1的阶梯面接触；压电叠堆驱动单元4电源线从套筒2侧壁伸缩缝7处引出，施加驱动电源5；上端盖1的小直径端内嵌到压电叠堆驱动单元4内侧，上端盖1的阶梯面与压电叠堆驱动单元4的上表面接触；上端盖1的大直径端具有外螺纹，套筒3顶端具有内螺纹，将端盖1旋进套筒2顶端，并且给压电叠堆驱动单元4施加预应力。
实施例2：
与实施例1不同的是，再此实施例中端盖1和套筒3不具有外螺纹和内螺纹，端盖1和套筒2通过紧固螺钉6固定；上下端盖1的小直径端具有一个凹槽，压电叠堆驱动单元4置于凹槽中，压电叠堆驱动单元4两端和端盖采用环氧树脂粘接固定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其特征在于，包括压电叠堆驱动单元(4)，压电叠堆驱动单元(4)的外侧设置有用于对压电叠堆驱动单元(4)的输出位移进行放大的柔性放大结构，压电叠堆驱动单元(4)的两端通过引线连接至位于柔性放大结构外侧的驱动电源(5)；所述的柔性放大结构包括连接在压电叠堆驱动单元(4)两端的端盖(1)，以及用于将两个端盖(1)连接在一起的套筒(2)，套筒(2)包括两个中空圆台、连接在两个中空圆台之间的第一中空圆柱以及连接在两个中空圆台外侧的第二中空圆柱，两个中空圆台直径较小的一端与第一中空圆柱连接，两个中空圆台直径较大的一端均连接有第二中空圆柱，两个端盖(1)分别与两个第二中空圆柱配合连接，两个中空圆台与第一中空圆柱的连接处以及两个中空圆台与第二中空圆柱的连接处均设有柔性铰链(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其特征在于，套筒(2)和两个端盖(1)采用螺纹配合连接或者采用紧固螺钉(6)固定。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其特征在于，压电叠堆驱动单元(4)由若干对圆环状或圆片状的压电陶瓷堆叠而成。
4.根据权利要求3所述的一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷沿其Z轴极化，且每对压电陶瓷中的两片压电陶瓷极化方向相反，驱动电源(5)对每片压电陶瓷施加的电场方向与其极化方向相同。
5.根据权利要求3所述的一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其特征在于，当压电陶瓷为圆环状时，两个端盖(1)的内侧均设有凸台，压电叠堆驱动单元(4)的两端分别套设在两个端盖(1)内侧的凸台上。
6.根据权利要求3所述的一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其特征在于，当压电陶瓷为圆片状时，两个端盖(1)的内侧均设有凹槽，压电叠堆驱动单元(4)的两端分别嵌套在两个端盖(1)内侧的凹槽中。
7.根据权利要求1所述的一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其特征在于，套筒(2)上设置有四对伸缩缝(7)，且四对伸缩缝(7)以套筒(2)的中心线为对称轴呈中心对称。
8.根据权利要求1所述的一种基于柔性放大结构的径向压电驱动器，其特征在于，柔性放大结构的刚度小于压电叠堆驱动单元(4)的刚度。
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