CN110829884B - 一种复合型动静耦合压电致动器及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合型动静耦合压电致动器及其驱动方法，致动器包括第一菱型微位移放大机构、第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构和驱动足，第一菱型微位移放大机构包括第一固定架，第一固定架一端固定，在第一固定架内部沿轴线方向设有第一压电叠堆，在第一固定架相邻两边上分别设有第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构顶部通过驱动足连接在一起，且二者内部沿轴线方向分别设有第二压电叠堆和第三压电叠堆。本发明致动器结构简单紧凑，可实现电机在静态直流电压和动态交流电压下的驱动，实现动静耦合激励，具有定位精度高、应用范围广的优点。
Description
技术领域
本发明属于压电致动器技术领域，具体涉及一种基于压电叠堆放大机构的复合型动静耦合压电致动器及其驱动方法。
背景技术
随着技术的发展，精密定位成为相关技术领域的关键技术，例如在扫描探针显微镜、微纳米外科、生物医学等领域的科学和工程应用中，精密定位技术发挥着至关重要的作用。在这些应用中，对运动范围和定位系统分辨率的要求通常分别为毫米和纳米级，这就需要致动器具有很好的精度。
致动器中影响精密定位的因素主要包括执行器、机械结构、测量技术和定位系统的控制方法。现有的致动器包括电磁、静电和形状记忆合金执行器、压电致动器等，压电致动器因其紧凑、高分辨率和响应迅速的优点而成为驱动源的理想选择。然而，压电致动器的输出位移非常小，至多为其长度的0.1％。为此通常需要利用位移放大机构来扩大压电致动器的输出位移，但是即使采用了位移放大机构，其整体运动范围仍然有限。此外，增加的输出位移是以降低输出力为代价的，实用性尚存在缺陷。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种复合型动静耦合压电致动器，该压电致动器将压电叠堆与菱型振子结合在一起，结构非常简单紧凑，利于装配，能够满足工业精密驱动场合的要求。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述复合型动静耦合压电致动器的驱动方法，该方法可实现电机在静态直流电压和动态交流电压下的驱动，实现动静耦合激励，使得其定位精度更高，应用范围更广，适合各种环境下的工业精密驱动场合下使用。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种复合型动静耦合压电致动器，包括第一菱型微位移放大机构、第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构和驱动足，第一菱型微位移放大机构包括第一固定架，第一固定架一端固定，在第一固定架内部沿轴线方向设有第一压电叠堆，在第一固定架相邻两边上分别设有第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构顶部通过驱动足连接在一起，且二者内部沿轴线方向分别设有第二压电叠堆和第三压电叠堆。本发明压电致动器通过3个菱型微位移放大机构进行组合，可通过逆压电效应实现动静耦合，产生较大的位移，有效提高电机能量的转化率，同时能够满足工业精密驱动的需求。
优选的，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构沿第一固定架轴线镜像对称分布。从而使驱动足保持在法线上移动。
优选的，第一菱型微位移放大机构中第一固定架采用金属弹性体，第一压电叠堆两端分别通过第一连接螺栓与第一固定架固定；第一压电叠堆中的压电电极片为矩形块或者圆柱形的结构。
更进一步的，第一固定架一端设有内螺纹孔，通过固定螺栓与隔震台上的螺纹孔连接在一起。
优选的，第二菱型微位移放大机构包括第二固定架和第二压电叠堆，第二固定架采用金属弹性体，第二固定架第一端与第一固定架固定，第二端固定驱动足，第三端和第四端固定第二压电叠堆。
优选的，第三菱型微位移放大机构均包括第三固定架和第三压电叠堆，第三固定架采用金属弹性体，第三固定架第一端与第一固定架固定，第二端固定驱动足，第三端和第四端固定第三压电叠堆。
优选的，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构中的第二压电叠堆和第三压电叠堆的规格和数量是一致的，压电叠堆中压电电极片的截面形状为矩形或者是圆形。
优选的，第一菱型微位移放大机构、第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构中的固定架长轴和短轴的比值在2.5～4之间。
优选的，在各个菱型微位移放大机构中，压电叠堆和固定架相连处设有柔性铰链圆弧过渡部分，柔性铰链圆弧过渡部分关于菱型微位移放大机构轴线对称。
优选的，驱动足为倒V型结构，上表面为平面，和3个菱型微位移放大机构是一体加工而成，设置在整个压电致动器凸起的中间位置。
更进一步的，所述驱动足和各个菱型微位移放大机构通过线切割一次性加工而成。从而结构更加紧凑，避免工作时产生寄生运动，同时也避免参数变化对整个结构输出运动的影响。
一种基于上述复合型动静耦合压电致动器的驱动方法，驱动过程中包括静态微位移变形驱动和动态宏位移变形驱动，其中：
静态微位移变形驱动，是指先对第一压电叠堆施加一定幅值的直流激励，使得第一压电叠堆产生切向变形；然后对第二压电叠堆和第三压电叠堆施加直流激励，使驱动足在法线方向上产生变形；
动态宏位移变形驱动，是指对第一压电叠堆、第二压电叠堆和第三压电叠堆均施加一定幅值和频率的交流激励，使得上述三个压电叠堆产生周期性切向位移变形，施加频率为整个压电致动器驱动足在法线方向上振动的共振频率，使得驱动足在法线方向上位移增大，实现动态变形激励。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明提出了一种将压电叠堆与菱型振子结合在一起的压电致动器，结构简单，利于电机的装配和修理，在施加直流电压驱动下，可实现静态微位移变形，在施加交流电压驱动下，可实现动态宏位移变形，实现动静耦合激励，提高了压电致动器的运动精度，使得压电致动器的应用范围更广，适合各种环境下的工业精密驱动场合下使用。
2、本发明使用多个菱型放大机构，能够放大压电叠堆的输出位移，把切向的位移转化成法向伸长位移，通过二次放大位移，使得电机能量转化率和输出得到提高。而且由于压电致动器结构简单，器件少，所以致动器可以轻松缩小尺寸，利于装配，这种致动器适合在工业精密驱动场合下使用。
附图说明
图1是本实施例压电致动器的平面结构示意图。
图2是本实施例压电致动器的立体结构示意图。
图3是本实施例压电致动器施加静态直流激励变形示意图。
图4是本实施例压电致动器施加动态交流激励变形示意图。
图5是本实施例压电致动器实现动静耦合激励变形示意图。
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
附图中各个部件的标号如下：驱动足1、第三压电叠堆2、第三压电叠堆中的压电电极片2-1和2-2、第一固定架3、固定螺栓4、第一压电叠堆5、第一压电叠堆中的压电电极片5-1和5-2、第一连接螺栓6、第二固定架7、第二连接螺栓8。
下面结合附图，对本实施例一种复合型动静耦合压电致动器的各个部分及其工作原理进行具体说明。
本实施例一种复合型动静耦合压电致动器，包括第一菱型微位移放大机构、第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构和驱动足1，三者结构类似，其中第一菱型微位移放大机构较大，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构固定在第一菱型微位移放大机构的侧边上，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构顶部通过驱动足连接在一起。三个菱型微位移放大机构内部均设有压电叠堆，驱动过程中，通过对压电叠堆进行直流或交流激励，驱动足产生法线上变形，可实现静态微位移或者动态宏位移变形。
其中，第一菱型微位移放大机构包括第一固定架3，第一固定架3采用金属弹性体，为菱形机构，长轴和短轴的比值在2.5～4之间。第一固定架第一端设有内螺纹孔，隔震台固定端设有螺纹孔，在使用时通过固定螺栓4和上述内螺纹孔配合固定。在第一固定架第二端和第三端也均设有螺纹孔，沿第一固定架长轴轴线方向设有第一压电叠堆5，第一压电叠堆两端分别通过第一连接螺栓6与第二端和第三端固定，如图2所示第一压电叠堆中的压电电极片5-1和5-2为矩形块。在第一压电叠堆和第一固定架相连处设有柔性铰链圆弧过渡部分，关于菱形长轴轴线对称。
其中，第二菱型微位移放大机构包括第二固定架7和第二压电叠堆，第二固定架7采用金属弹性体，为菱形机构，长轴和短轴的比值在2.5～4之间。第二固定架第一端与第一固定架固定，二者可采用一体成型方式加工而成。第二端用于固定驱动足。其第三端和第四端均设有螺纹孔，沿第二固定架长轴轴线方向设有第二压电叠堆，第二压电叠堆两端分别通过第二连接螺栓8与第三端和第四端固定。如图2所示第二压电叠堆中的压电电极片为矩形块。在第二压电叠堆和第二固定架相连处设有柔性铰链圆弧过渡部分，柔性铰链圆弧过渡部分关于菱形长轴轴线对称。
第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构沿第一固定架短轴轴线镜像对称分布。第三菱型微位移放大机构包括第三固定架和第三压电叠堆2，压电电极片2-1和2-2为矩形块。具体结构与第二菱型微位移放大机构相同，第二压电叠堆和第三压电叠堆的规格和数量也相同，此处不再重复表述。
本实施例中，驱动足为倒V型结构，上表面(也就是与执行机构接触的一面)为平面，驱动足和3个菱型微位移放大机构可通过线切割一次性加工而成。驱动足设置在整个压电致动器凸起的中间位置。
本实施例中，当对压电叠堆施加电压时，由于逆压电效应，第一压电叠堆收缩，通过连接螺栓使得第一菱型放大机构产生法向的位移，第二和第三菱型放大机构里的压电叠堆也由于逆压电效应使得菱型放大机构产生位移，两个菱型放大机构的位移在法线方向上合成一个大的位移变化。
特别的，本实施例驱动过程中可实现动静耦合激励变形，包括静态微位移变形驱动和动态宏位移变形驱动，其中：
图3示出了压电致动器施加静态直流激励实现静态微位移变形驱动的示意图，在图3(a)中，对第一压电叠堆施加一定幅值的直流激励，使得第一压电叠堆产生切向变形，第一固定架向两侧伸长，然后对第二压电叠堆和第三压电叠堆施加直流激励，两个压电叠堆同样向两侧伸长，使得驱动足在法线方向产生二次变形，在法线方向上前进。在图3(b)中，停止对所有压电叠堆施加的直流激励，使得致动器恢复成未变形状态。重复上述两个步骤，即可使驱动足实现纳米级别的微位移变形驱动。
图4示出了压电致动器施加动态交流激励实现动态宏位移变形驱动的示意图，图4(a)为施加到压电叠堆上的交流电压波形图。采用该信号激励图形，可使得3个压电叠堆产生周期性切向位移变形，因为施加频率为整个压电致动器驱动足在法线方向上振动的共振频率，会使得驱动足在法线方向上位移增大，如图4(b)所示，以此来实现微米级别的动态宏位移变形驱动。
在实际应用中，可将静态微位移变形驱动和动态宏位移变形驱动同时进行，以此来实现动静耦合激励变形，如图5所示，在实现大位移的同时，还能够实现较大的运动精度。
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 (9)
1.一种复合型动静耦合压电致动器，其特征在于，包括第一菱型微位移放大机构、第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构和驱动足，第一菱型微位移放大机构包括第一固定架，第一固定架一端固定，在第一固定架内部沿轴线方向设有第一压电叠堆，在第一固定架相邻两边上分别设有第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构顶部通过驱动足连接在一起，且二者内部沿轴线方向分别设有第二压电叠堆和第三压电叠堆；
第一菱型微位移放大机构、第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构中的固定架长轴和短轴的比值在2.5～4之间；
在各个菱型微位移放大机构中，压电叠堆和固定架相连处设有柔性铰链圆弧过渡部分，柔性铰链圆弧过渡部分关于菱型微位移放大机构轴线对称；
通过先对第一压电叠堆施加一定幅值的直流激励，使得第一压电叠堆产生切向变形，再对第二压电叠堆和第三压电叠堆施加直流激励，使驱动足在法线方向上产生变形，实现静态微位移变形驱动；
通过对第一压电叠堆、第二压电叠堆和第三压电叠堆均施加一定幅值和频率的交流激励，使得上述三个压电叠堆产生周期性切向位移变形，使得驱动足在法线方向上位移增大，实现动态宏位移变形驱动。
2.根据权利要求1所述的复合型动静耦合压电致动器，其特征在于，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构沿第一固定架轴线镜像对称分布。
3.根据权利要求1所述的复合型动静耦合压电致动器，其特征在于，第一菱型微位移放大机构中第一固定架采用金属弹性体，第一压电叠堆两端分别通过第一连接螺栓与第一固定架固定；第一压电叠堆中的压电电极片为矩形块或者圆柱形的结构。
4.根据权利要求3所述的复合型动静耦合压电致动器，其特征在于，第一固定架一端设有内螺纹孔，通过固定螺栓与隔震台上的螺纹孔连接在一起。
5.根据权利要求1所述的复合型动静耦合压电致动器，其特征在于，第二菱型微位移放大机构包括第二固定架和第二压电叠堆，第二固定架采用金属弹性体，第二固定架第一端与第一固定架固定，第二端固定驱动足，第三端和第四端固定第二压电叠堆；
第三菱型微位移放大机构均包括第三固定架和第三压电叠堆，第三固定架采用金属弹性体，第三固定架第一端与第一固定架固定，第二端固定驱动足，第三端和第四端固定第三压电叠堆。
6.根据权利要求1所述的复合型动静耦合压电致动器，其特征在于，第二菱型微位移放大机构、第三菱型微位移放大机构中的第二压电叠堆和第三压电叠堆的规格和数量是一致的，压电叠堆中压电电极片的截面形状为矩形或者是圆形。
7.根据权利要求1所述的复合型动静耦合压电致动器，其特征在于，驱动足为倒V型结构，上表面为平面，和3个菱型微位移放大机构是一体加工而成，设置在整个压电致动器凸起的中间位置。
8.根据权利要求7所述的复合型动静耦合压电致动器，其特征在于，所述驱动足和各个菱型微位移放大机构通过线切割一次性加工而成。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述复合型动静耦合压电致动器的驱动方法，其特征在于，驱动过程中包括静态微位移变形驱动和动态宏位移变形驱动，其中：
静态微位移变形驱动，是指先对第一压电叠堆施加一定幅值的直流激励，使得第一压电叠堆产生切向变形；然后对第二压电叠堆和第三压电叠堆施加直流激励，使驱动足在法线方向上产生变形；
动态宏位移变形驱动，是指对第一压电叠堆、第二压电叠堆和第三压电叠堆均施加一定幅值和频率的交流激励，使得上述三个压电叠堆产生周期性切向位移变形，施加频率为整个压电致动器驱动足在法线方向上振动的共振频率，使得驱动足在法线方向上位移增大，实现动态变形激励。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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