CN109756150B - 一种复合位移放大型压电致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合位移放大型压电致动器，包括外位移放大框和内多层叠加的柔性放大机构，外位移放大框包括固定端、传递杆、三角放大结构，传递杆一端通过柔性铰链与固定端的端部相连，另一端通过柔性铰链与三角放大结构的端部相连，三角放大结构的顶端通过柔性铰链与输出端相连；内多层叠加的柔性放大机构通过位移转化端固定在传递杆上，包括若干个柔性放大单元，每个柔性放大单元包括顶杆、柔性放大机构机架和方钹型压电叠堆机构，顶杆一端与方钹型压电叠堆机构固定，另一端通过柔性铰链与柔性放大机构机架相连，柔性放大机构机架彼此相连组成柔性放大机构。本发明具有结构简单、体积较小、分辨率高、频率快等优点。
Description
技术领域
本发明属于精密微型机械领域，是一种利用压电效应的微位移放大机构，具体涉及一种复合位移放大型压电致动器。
背景技术
近年来，随着微电子技术、微机械技术、宇航、生物工程等学科的快速发展，微位移技术已成为精密运动系统和精密制造工艺中的关键技术之一。对于上述系统中的传动机构而言，传统的传动机构主要由电机或液压装置来实现。然而电机或液压装置存在许多不足，如定位精度不高、机构复杂、体积大等，不能满足现代精密机械的需求。
压电陶瓷以其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高等优点，得到了国内外广泛的研究和应用。但从总体上看，压电陶瓷其本身输出位移太小，就算目前已成为精密定位时比较理想的驱动元件，行程也只有数十纳米，因此在应用范围上受到了限制。
现有技术中研究的较多的是柔性铰链微位移放大机构，但这些研究的机构都过于复杂，并且在实现微位移放大的同时，极大的减小了驱动器的输出力，无法充分发挥出压电材料优异的驱动性能，因此，如何有效地将微位移进行放大，同时能够达到结构和控制较简单、精度高的目标是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种复合位移放大型压电致动器，其具有结构简单、体积较小、分辨率高、频率快等优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种复合位移放大型压电致动器，包括外位移放大框和内多层叠加的柔性放大机构，外位移放大框包括固定端、传递杆、三角放大结构，传递杆一端通过柔性铰链与固定端的端部相连，另一端通过柔性铰链与三角放大结构的端部相连，三角放大结构的顶端通过柔性铰链与输出端相连；内多层叠加的柔性放大机构通过位移转化端固定在传递杆上，包括若干个柔性放大单元，每个柔性放大单元包括顶杆、柔性放大机构机架和方钹型压电叠堆机构，顶杆一端与方钹型压电叠堆机构固定，另一端通过柔性铰链与柔性放大机构机架相连，柔性放大机构机架彼此相连组成柔性放大机构。
优选的，所述三角放大结构为等腰结构，在每个腰上均设有截面粗端与截面细端。现有技术中致动器截面均为粗端，在不影响整体刚度的前提下，本发明在每个腰上配合设置截面粗端与截面细端，可使得致动器输出位移量更大。
优选的，所述方钹型压电叠堆机构包括若干个叠加的方钹型压电叠堆单元。
更进一步的，所述方钹型压电叠堆包括两片金属方盖和两块沿厚度方向极化的压电陶瓷方片，压电陶瓷方片设置在两片金属方盖中间，三者固定连接。
更进一步的，各个所述方钹型压电叠堆之间采用环氧树脂粘接固定，或者采用在相邻的两片金属方盖上设置限位装置使其紧密配合。
更进一步的，所述方钹型压电叠堆与顶杆之间采用环氧树脂粘接固定，或者采用在金属方盖上焊接单头螺柱，在顶杆上钻螺纹孔，两者通过螺纹配合。
优选的，所述各柔性放大单元之间通过柔性铰链采用结构上串联的方式叠加。
本发明的工作原理为：驱动电源输出直流信号到压电陶瓷方片，压电陶瓷方片由于逆压电效应沿轴向发生微变形，微变形传给其两侧的金属方盖，由于金属方盖的结构特性，使微变形放大，通过顶杆、柔性放大机构机架、位移转化端、传递杆、传递到输出端输出位移，且传递位移量经柔性铰链和三角放大结构各放大级进行放大。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明可以根据需要，将多个柔性放大单元串联在一起制成大位移的致动结构，且每一单元柔性放大机构机架独立，不会减小最终输出位移。
2、本发明提出了一种方钹型压电叠堆的方案，在有限元仿真平台和试验中，同边界条件下，与Cymbal型压电叠堆和普通压电叠堆进行分析比较，得到，方钹型压电叠堆对压电输出位移具有更好的放大效果。
3、本发明结构上采用多级放大叠加设计，加载电压后，方钹型压电叠堆沿轴向产生位移，位移量经金属方盖第一次放大，并通过柔性铰链机架以及外位移放大框的传递，在柔性铰链和三角放大结构下，对位移量再逐一放大，进而由输出端输出的纵向位移更大。
4、本发明内多层叠加的柔性放大机构放置在外位移放大框内，且外位移放大框为一体设计，具有结构简单、位移变形明显、无噪声、体积小、分辨率高和频响快等优点。
附图说明
图1为本实施例整体结构立体图。
图2为本实施例外位移放大框结构主视图。
图3为本实施例采用四个柔性放大单元串联的结构主视图。
图4为本实施例柔性放大机构机架单元图。
图5为本实施例方钹型压电叠堆立体图。
其中：1—顶杆；2—金属方盖；3—压电陶瓷方片；4—第一位移转化端；5—第一传递杆；6—固定端；7—第一柔性铰链；8—第二柔性铰链；9—第六柔性铰链；10—第三柔性铰链；11—第二传递杆；12—第二位移转化端；13—柔性放大机构机架；14—第四柔性铰链；15—三角放大结构；16—输出端；151—截面粗端；152—截面细端；161—第五柔性铰链。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-5所示，本实施例提供一种复合位移放大型压电致动器，包括外位移放大框和内多层叠加的柔性放大机构，内多层叠加的柔性放大机构通过位移转化端固定在外位移放大框的传递杆上，内多层叠加的柔性放大机构包括4个柔性放大单元，外位移放大框包括一个三角放大结构，本实施例结构上采用多级放大叠加设计，能够实现较大的输出位移。
参见图2，本实施例外位移放大框包括固定端6、第一柔性铰链7、第六柔性铰链9、第一传递杆5、第二传递杆11、第四柔性铰链14、三角放大结构15、第五柔性铰链161，第一柔性铰链7、第六柔性铰链9分别设置在固定端6的两端，第一传递杆5通过第一柔性铰链7与固定端6相连，第二传递杆11通过第六柔性铰链9与固定端6相连。在第二传递杆11另一端通过第四柔性铰链14与三角放大结构15的端部相连，同样的，在第一传递杆5另一端通过柔性铰链与三角放大结构15的端部相连。
本实施例中，三角放大结构15为等腰结构，在每个腰上均设有截面粗端151与截面细端152。在三角放大结构15的顶端过第五柔性铰链161与输出端16相连。
参见图3，本实施例中内多层叠加的柔性放大机构两端分别通过第一位移转化端4、第二位移转化端12固定在外位移放大框内。所述内多层叠加的柔性放大机构包括4个柔性放大单元，所述每一柔性放大单元由两顶杆1、2个第二柔性铰链8、柔性放大机构机架13和方钹型压电叠堆机构组成，两个顶杆均是一端与方钹型压电叠堆机构固定，另一端通过第二柔性铰链8与柔性放大机构机架13相连，各柔性放大单元之间通过第三柔性铰链10采用结构上串联的方式叠加。
参见图5，本实施例中，方钹型压电叠堆机构包括5个叠加的方钹型压电叠堆单元。方钹型压电叠堆包括两片金属方盖2和两块沿厚度方向极化的压电陶瓷方片3，两压电陶瓷方片3设置在两片金属方盖2中间，三者固定连接。所述各个方钹型压电叠堆单元之间可采用环氧树脂粘接固定，也可采用在相邻的两片金属方盖2上设置限位装置，通过限位装置使其紧密配合。
所述方钹型压电叠堆与顶杆1之间可以采用环氧树脂粘接固定，也可以采用在金属方盖2上焊接单头螺柱，在顶杆1上钻螺纹孔，两者通过螺纹配合。
参见图4，由于金属方盖2与压电陶瓷方片3的耦合作用改变压电陶瓷方片3的应力分布，并将径向应力转变成轴向应力，使得沿厚度方向极化压电陶瓷方片3的压电常数d31和d33产生的压电效应相加。因此在相同的激励条件以及d31不变的情况下，方钹型压电叠堆的等效压电常数d33比相同尺寸压电陶瓷本身提高数倍。
本实施例所述的复合位移放大型压电致动器的驱动方法，步骤是：驱动电源输出直流信号到压电陶瓷方片3，压电陶瓷方片3由于逆压电效应沿轴向发生微变形，微变形传给其两侧的金属方盖2，由于金属方盖2的结构特性，使微变形第一级放大，通过顶杆1、柔性放大机构机架13、位移转化端(4、12)、传递杆(5、11)传递到输出端16，途径第一到第五柔性铰链以及三角放大结构15各放大级，使位移量再逐次发生放大，最终输出较大位移量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种复合位移放大型压电致动器，其特征在于，包括外位移放大框和内多层叠加的柔性放大机构，外位移放大框包括固定端、传递杆、三角放大结构，传递杆一端通过柔性铰链与固定端的端部相连，另一端通过柔性铰链与三角放大结构的端部相连，三角放大结构的顶端通过柔性铰链与输出端相连；内多层叠加的柔性放大机构通过位移转化端固定在传递杆上，包括若干个柔性放大单元，每个柔性放大单元包括顶杆、柔性放大机构机架和方钹型压电叠堆机构，顶杆一端与方钹型压电叠堆机构固定，另一端通过柔性铰链与柔性放大机构机架相连，柔性放大机构机架彼此相连组成柔性放大机构；
所述方钹型压电叠堆机构包括若干个叠加的方钹型压电叠堆单元；所述方钹型压电叠堆包括两片金属方盖和两块沿厚度方向极化的压电陶瓷方片，压电陶瓷方片设置在两片金属方盖中间，三者固定连接。
2.根据权利要求1所述的复合位移放大型压电致动器，其特征在于，所述三角放大结构为等腰结构，在每个腰上均设有截面粗端与截面细端。
3.根据权利要求1所述的复合位移放大型压电致动器，其特征在于，各个所述方钹型压电叠堆之间采用环氧树脂粘接固定，或者采用在相邻的两片金属方盖上设置限位装置使其紧密配合。
4.根据权利要求1所述的复合位移放大型压电致动器，其特征在于，所述方钹型压电叠堆与顶杆之间采用环氧树脂粘接固定，或者采用在金属方盖上焊接单头螺柱，在顶杆上钻螺纹孔，两者通过螺纹配合。
5.根据权利要求1所述的复合位移放大型压电致动器，其特征在于，所述各柔性放大单元之间通过柔性铰链采用结构上串联的方式叠加。
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