CN108258932B - 一种多层式旋转型压电微位移驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多层式旋转型压电微位移驱动器，包括内基体、n层凸齿基体、m层凹齿基体、外基体、薄壁梁和压电陶瓷片，内基体为圆形或环形，凸齿基体和凹齿基体均为环状梳齿形，外基体为环形，内基体与凸齿基体通过薄壁梁连接，n层凸齿基体与m层凹齿基体相互间隔布置且通过薄壁梁连接，外基体与凹齿基体或凸齿基体通过薄壁梁连接，压电陶瓷片位于薄壁梁的两侧面上。本发明借鉴多层式压电堆叠驱动器的技术思想，采用多层环状梳齿形基体的设计结构，通过将各层基体由薄壁梁和压电陶瓷片激发产生的微小角度旋转变形叠加实现大角度旋转位移输出，具有结构紧凑、易于微型化、旋转角度与输出力矩可调等特点。
Description
技术领域
本发明属于微纳驱动技术领域，特别是涉及一种多层式旋转型压电微位移驱动器。
背景技术
压电驱动器是一种利用压电陶瓷材料的逆压电效应将输入电能转换为输出机械能的新型微驱动器，由于该类驱动器具有结构简单易于微型化、无电磁干扰且不受电磁干扰、响应速度快等优势近年来受到国内外研究学者的广泛关注，已被成功应用于超精密加工、机器人关节、航空航天、数码电子产品以及生物医疗器械等领域。
随着材料科学以及加工制造技术的飞速发展，各类性能优异的压电驱动器层出不穷，其中以多层式压电堆叠驱动器的应用最为广泛。多层式压电堆叠驱动器主要是由多层d33工作模式的压电陶瓷片和电极片叠加形成，电极片被交替的连接到驱动器两端的外电极上，这样多层压电陶瓷片组成了多个微位移输出单元，当施加电信号激励时，该多层式压电堆叠驱动器的输出位移为各层压电陶瓷片的输出微位移之和，具有位移变形大、输出力大等特点，广泛应用于超精加工、微位移平台以及机器人技术等领域。然而，当前多层式压电堆叠驱动器多为直线输出式驱动器，即施加电信号激励时，多层式压电堆叠驱动器整体将会产生沿压电陶瓷片厚度方向的伸缩变形。而对于能够产生旋转位移输出的多层压电陶瓷驱动器，目前还没有机构和公司对其进行研究与研发，而旋转运动又是极为常见的一种运动输出形式，存在广泛的实际应用需求。因此，设计一种能够实现大角度输出的多层式旋转型压电微位移驱动器，已成为当前微纳驱动技术领域亟待解决的关键问题之一，将会对拓展压电驱动器的应用范围和促进压电驱动技术的发展产生深远的影响。
发明内容
为了丰富压电驱动器的种类，拓展压电驱动技术的应用范围，本发明借鉴已有实现直线位移输出的多层式压电堆叠驱动器的设计思想，提出了一种多层式旋转型压电微位移驱动器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种多层式旋转型压电微位移驱动器，包括内基体1、n层凸齿基体2、m层凹齿基体3、外基体4、薄壁梁5和压电陶瓷片6，其中n为大于等于1的整数，m为大于等于0的整数，且n＝m或n＝m+1；
所述内基体1的形状为圆形或环形，所述凸齿基体2和凹齿基体3的形状均为环状梳齿形，所述外基体4的形状为环形；凸齿基体2沿其圆周方向至少设置2个凸齿2-1，凹齿基体3沿其圆周方向至少设置2个凹齿3-1；内基体1与凸齿基体2之间通过至少2个薄壁梁5连接，且该薄壁梁5位于所述的凸齿2-1内；n层凸齿基体2与m层凹齿基体3相互间隔布置，且相邻的凸齿基体2与凹齿基体3通过至少2个薄壁梁5连接；外基体4与凹齿基体3或凸齿基体2通过至少2个薄壁梁5连接，且该薄壁梁5位于所述的凹齿3-1或凸齿2-1内；所述压电陶瓷片6沿其厚度方向极化，且设置于薄壁梁5的两侧面上。
进一步地，所述内基体1、n层凸齿基体2、m层凹齿基体3和外基体4同圆心布置。
进一步地，所述内基体1或外基体4上设置固定孔7。
进一步地，所述凸齿2-1或凹齿3-1沿圆周方向均匀分布。
进一步地，所述凸齿2-1或凹齿3-1的设置方向指向内基体1的圆心。
进一步地，所述凸齿基体2与其相邻且位于外层的凹齿基体3之间的薄壁梁5沿圆周方向均匀分布。
进一步地，所述薄壁梁5的设置方向指向内基体1的圆心。
进一步地，所述薄壁梁5两侧面上的压电陶瓷片6的极化方向相同。
进一步地，所述压电陶瓷片6激发沿圆周方向分布的薄壁梁5产生沿同一圆周方向的弯曲变形。
进一步地，所述内基体1、n层凸齿基体2、m层凹齿基体3、外基体4和薄壁梁5由一体件加工。
本发明的有益效果：通过借鉴研究与应用较为广泛的直线型多层式压电堆叠驱动器叠加多层压电陶瓷片厚度方向微小位移实现大变形输出的技术思想，本发明采用多层环状梳齿形基体的设计结构，将各层环状梳齿形基体由薄壁梁和压电陶瓷片激发产生的微小角度旋转变形叠加通过内基体或外基体实现大角度旋转位移输出，提出一种多层式旋转型压电微位移驱动器。本发明通过将压电陶瓷片和薄壁梁共同构成的激振体设置于环状梳齿形基体的多个凸齿或凹齿内，使得本发明具有较为紧凑的设计结构；通过改变环状梳齿形基体的设置层数，可实现不同旋转角度的输出需求；通过改变薄壁梁沿圆周方向的设置个数，可满足不同负载大小的输出需求；本发明可根据实际应用环境的空间尺寸要求，选择内层基体或外层基体实现旋转位移输出；此外，本发明采用厚度方向尺寸远小于直径方向尺寸的盘形设计结构，易于实现微型化设计。
附图说明
图1为具体实施方式一中的一种多层式旋转型压电微位移驱动器的结构示意图；
图2为图1中的内基体沿逆时针方向输出旋转位移的示意图；
图3为具体实施方式二中的一种多层式旋转型压电微位移驱动器的结构示意图；
图4为图3中的外基体沿逆时针方向输出旋转位移的示意图；
图5为具体实施方式一和具体实施方式二中压电陶瓷片的极化方向示意图，图中箭头表示其极化方向；
图6为具体实施方式三中的一种多层式旋转型压电微位移驱动器的结构示意图；
图7为图6中的内基体沿逆时针方向输出旋转位移的示意图；
图8为具体实施方式四中的一种多层式旋转型压电微位移驱动器的结构示意图；
图9为图8中的外基体沿逆时针方向输出旋转位移的示意图；
图10为具体实施方式三和具体实施方式四中压电陶瓷片的极化方向示意图，图中箭头表示其极化方向；
图11为本发明提出的一种多层式旋转型压电微位移驱动器中设置有4个凸齿的凸齿基体结构示意图；
图12为本发明提出的一种多层式旋转型压电微位移驱动器中设置有4个凹齿的凹齿基体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式一：下面结合说明书附图1、图2、图5、图11和图12对本实施方式作进一步详细的说明。本实施方式提供了一种外基体4上设置有固定孔7且采用1层凸齿基体2和1层凹齿基体3的多层式旋转型压电微位移驱动器的具体实施方案，包括内基体1、1层凸齿基体2、1层凹齿基体3、外基体4、薄壁梁5和压电陶瓷片6。
所述内基体1、凸齿基体2、凹齿基体3和外基体4同圆心布置。所述内基体1的形状为圆形，所述外基体4的形状为环形，且该外基体4上设置有固定孔7，用于实现本发明的安装固定，所述凸齿基体2和凹齿基体3的形状均为环状梳齿形，凸齿基体2沿其圆周方向均匀设置4个凸齿2-1，且该4个凸齿2-1的设置方向均指向内基体1的圆心，即沿内基体1的半径方向设置(如说明书附图11所示)；凹齿基体3沿其圆周方向均匀设置4个凹齿3-1，且该4个凹齿3-1的设置方向均指向内基体1的圆心，即沿内基体1的半径方向设置(如说明书附图12所示)。所述内基体1与凸齿基体2之间通过沿圆周方向均匀设置的4个薄壁梁5连接，该4个薄壁梁5位于凸齿基体2的4个凸齿2-1内，且该4个薄壁梁5的设置方向指向内基体1的圆心，即沿内基体1的半径方向设置。所述凸齿基体2与位于其外层的凹齿基体3通过沿圆周方向均匀设置的4个薄壁梁5连接，且该4个薄壁梁5的设置方向指向内基体1的圆心，即沿内基体1的半径方向设置。所述外基体4与凹齿基体3之间通过4个沿圆周方向均匀设置的4个薄壁梁5连接，该4个薄壁梁5位于凹齿基体3的4个凹齿3-1内，且该4个薄壁梁的设置方向指向内基体1的圆心，即沿内基体1的半径方向设置。所述内基体1、凸齿基体2、凹齿基体3、外基体4和薄壁梁5由一体金属件加工而成。所述压电陶瓷片6采用d31工作模式，沿其厚度方向极化，压电陶瓷片6设置于本实施方式中所有薄壁梁5的两个侧面上，该侧面与内基体1的圆形横截面垂直，且本实施方式中位于薄壁梁5两个侧面上的压电陶瓷片6的极化方向相同(如说明书附图5所示，图中箭头表示其极化方向)，当施加电信号激励时，薄壁梁5侧面上的两片压电陶瓷片6分别产生伸长变形和收缩变形，致使薄壁梁5与其侧面上的压电陶瓷片6整体产生弯曲变形，进而带动与其相连接的位于内层的凹齿基体3或凸齿基体2或内基体1产生旋转位移。所述位于薄壁梁5两侧面上的压电陶瓷片6激发沿圆周方向分布的薄壁梁5产生沿同一圆周方向的弯曲变形，进而带动与其相连接的位于内层的凹齿基体3或凸齿基体2或内基体1产生同一方向的旋转位移。本实施方式中外基体4上设置有固定孔7用于安装固定，因此各层环状梳齿形基体产生的微小旋转位移经过多层结构叠加最终通过内基体1实现大角度旋转位移输出(如说明书附图2所示，图中箭头方向表示运动方向，该运动方向可通过调整施加于压电陶瓷片上的激励电信号改变)。
具体实施方式二：下面结合说明书附图3、图4、图5、图11和图12对本实施方式作进一步详细的说明。本实施方式提供了一种内基体1上设置有固定孔7且采用1层凸齿基体2和1层凹齿基体3的多层式旋转型压电微位移驱动器的具体实施方案，本实施方式中的结构组成及具体连接方式均与具体实施方式一相同，不同之处在于本实施方式中内基体1上设置有固定孔7，用于实现本发明的安装固定。当对压电陶瓷片6施加电信号激励时，薄壁梁5侧面上的两片压电陶瓷片6分别产生伸长变形和收缩变形，致使薄壁梁5与其侧面上的压电陶瓷片6整体产生弯曲变形，进而带动与其相连接的位于外层的凸齿基体2或凹齿基体3或外基体4产生旋转位移；所述位于薄壁梁5两侧面上的压电陶瓷片6激发沿圆周方向分布的薄壁梁5产生沿同一圆周方向的弯曲变形，进而带动与其相连接的位于外层的凸齿基体2或凹齿基体3或外基体4产生同一方向的旋转位移。本实施方式中内基体1上设置有固定孔7用于安装固定，因此各层环状梳齿形基体产生的微小旋转位移经过多层结构叠加最终通过外基体4实现大角度旋转位移输出(如说明书附图4所示，图中箭头方向表示运动方向，该运动方向可通过调整施加于压电陶瓷片上的激励电信号改变)。
具体实施方式三：下面结合说明书附图6、图7、图10和图11对本实施方式做进一步详细的说明。本实施方式提供了一种外基体4上设置有固定孔7且仅采用1层凸齿基体2的多层式旋转型压电微位移驱动器的具体实施方案，包括内基体1、1层凸齿基体2、外基体4、薄壁梁5和压电陶瓷片6。
所述内基体1、凸齿基体2和外基体4同圆心布置。所述内基体1的形状为圆形，所述外基体4的形状为环形，且该外基体4上设置有固定孔7，用于实现本发明的安装固定，所述凸齿基体2的形状为环状梳齿形，凸齿基体2沿其圆周方向均匀设置4个凸齿2-1，且该4个凸齿2-1的设置方向均指向内基体1的圆心(如说明书附图11所示)。所述内基体1与凸齿基体2之间通过沿圆周方向均匀设置的4个薄壁梁5连接，该4个薄壁梁5位于凸齿基体2的4个凸齿2-1内，且该4个薄壁梁5的设置方向均指向内基体1的圆心，即沿内基体1的半径方向设置。所述凸齿基体2与外基体5之间通过沿圆周方向均匀设置的4个薄壁梁5连接，且该4个薄壁梁的设置方向均指向内基体1的圆心，即沿内基体1的半径方向设置。所述内基体1、凸齿基体2、外基体4和薄壁梁5由一体金属件加工而成。所述压电陶瓷片6沿其厚度方向极化，压电陶瓷片6设置于本实施方式中所有薄壁梁5的两个侧面上，该侧面与内基体1的圆形横截面垂直，且本实施方式中位于薄壁梁5两个侧面上的压电陶瓷片6的极化方向相同(如说明书附图10所示，图中箭头表示其极化方向)，当施加电信号激励时，薄壁梁5侧面上的两片压电陶瓷片6分别产生伸长变形和收缩变形，致使薄壁梁5与其侧面上的压电陶瓷片6整体产生弯曲变形，进而带动与其相连接的位于内层的凸齿基体2或内基体1产生旋转位移；所述位于薄壁梁5两侧面上的压电陶瓷片6激发沿圆周方向分布的薄壁梁5产生沿同一圆周方向的弯曲变形，进而带动与其相连接的位于内层的凸齿基体2或内基体1产生同一方向的旋转位移。本实施方式中外基体4上设置有固定孔7用于安装固定，因此各层环状梳齿形基体产生的微小旋转位移经过多层结构叠加最终通过内基体1实现大角度旋转位移输出(如说明书附图7所示，图中箭头方向表示运动方向，该运动方向可通过调整施加于压电陶瓷片上的激励电信号改变)。
具体实施方式四：下面结合说明书附图8、图9、图10和图11对本实施方式作进一步详细的说明。本实施方式提供了一种内基体1上设置有固定孔7且仅采用1层凸齿基体2的多层式旋转型压电微位移驱动器的具体实施方案，本实施方式中的结构组成及具体连接方式均与具体实施方式三相同，不同之处在于本实施方式中内基体1上设置有固定孔7，用于实现本发明的安装固定。当对压电陶瓷片6施加电信号激励时，薄壁梁5侧面上的两片压电陶瓷片6分别产生伸长变形和收缩变形，致使薄壁梁5与其侧面上的压电陶瓷片6整体产生弯曲变形，进而带动与其相连接的位于外层的凸齿基体2或外基体4产生旋转位移；所述位于薄壁梁5两侧面上的压电陶瓷片6激发沿圆周方向分布的薄壁梁5产生沿同一圆周方向的弯曲变形，进而带动与其相连接的位于外层的凸齿基体2或外基体4产生同一方向的旋转位移。本实施方式中内基体1上设置有固定孔7用于安装固定，因此各层环状梳齿形基体产生的微小旋转位移经过多层结构叠加最终通过外基体4实现大角度旋转位移输出(如说明书附图9所示，图中箭头方向表示运动方向，该运动方向可通过调整施加于压电陶瓷片上的激励电信号改变)。
以上对本发明所提供的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：包括内基体(1)、n层凸齿基体(2)、m层凹齿基体(3)、外基体(4)、薄壁梁(5)和压电陶瓷片(6)，其中n为大于等于1的整数，m为大于等于0的整数，且n＝m或n＝m+1；
所述内基体(1)的形状为圆形或环形，所述凸齿基体(2)和凹齿基体(3)的形状均为环状梳齿形，所述外基体(4)的形状为环形；凸齿基体(2)沿其圆周方向至少设置2个凸齿(2-1)，所述凸齿(2-1)内设置有薄壁梁(5)，凹齿基体(3)沿其圆周方向至少设置2个凹齿(3-1)，所述凹齿(3-1)内设置有薄壁梁(5)；内基体(1)与凸齿基体(2)之间通过至少2个薄壁梁(5)连接，且该薄壁梁(5)位于所述的凸齿(2-1)内；n层凸齿基体(2)与m层凹齿基体(3)相互间隔布置，且相邻的凸齿基体(2)与凹齿基体(3)通过至少2个薄壁梁(5)直接连接；外基体(4)与凹齿基体(3)或凸齿基体(2)通过至少2个薄壁梁(5)连接，当外基体(4)与凹齿基体(3)通过至少2个薄壁梁(5)连接时，该薄壁梁(5)位于所述凹齿(3-1)内，当外基体(4)与凸齿基体(2)通过至少2个薄壁梁(5)连接时，该薄壁梁(5)直接连接凸齿基体(2)和外基体(4)；所述压电陶瓷片(6)沿其厚度方向极化，且设置于薄壁梁(5)的两侧面上。
2.根据权利要求1所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述内基体(1)、n层凸齿基体(2)、m层凹齿基体(3)和外基体(4)同圆心布置。
3.根据权利要求1所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述内基体(1)或外基体(4)上设置固定孔(7)。
4.根据权利要求1所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述凸齿(2-1)或凹齿(3-1)沿圆周方向均匀分布。
5.根据权利要求4所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述凸齿(2-1)或凹齿(3-1)的设置方向指向内基体(1)的圆心。
6.根据权利要求1所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述凸齿基体(2)与其相邻且位于外层的凹齿基体(3)之间的薄壁梁(5)沿圆周方向均匀分布。
7.根据权利要求6所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述薄壁梁(5)的设置方向指向内基体(1)的圆心。
8.根据权利要求1所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述薄壁梁(5)两侧面上的压电陶瓷片(6)的极化方向相同。
9.根据权利要求8所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述压电陶瓷片(6)激发沿圆周方向分布的薄壁梁(5)产生沿同一圆周方向的弯曲变形。
10.根据权利要求1所述的一种多层式旋转型压电微位移驱动器，其特征在于：所述内基体(1)、n层凸齿基体(2)、m层凹齿基体(3)、外基体(4)和薄壁梁(5)由一体件加工。
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