CN111030505B - 二次位移放大型压电驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二次位移放大型压电驱动器，属于压电精密驱动领域。由定子、预紧机构、动子、基座等部分组成。其中定子通过预紧机构安装固定于基座上，定子与动子通过弹性接触方式实现定位和驱动传动。定子包括三角型柔性铰链位移放大机构、驱动足、六边形柔性铰链位移放大机构和压电叠堆促动器。其中驱动足为圆弧形薄金属板，金属板上面有两个完全相同柔性薄板，呈对称放置，与金属板柔性连接。通过对压电叠堆促动器施加控制电信号，推动三角柔性铰链放大机构产生正向位移进而实现一次位移放大，同时弧形驱动足产生自身弯曲形变，柔性薄板所受正压力改变产生自身伸长量，实现二次位移放大。具有结构简单、精度高、行程大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微型精密驱动领域，特别涉及一种二次位移放大型压电驱动器。
背景技术
高精密定位技术正是时下研究的热点问题，而压电驱动器正是其中的核心研究内容。目前，压电驱动器正在航空航天、超精密加工等领域发挥着关键的作用。传统压电驱动器虽然驱动速度较大，但往往结构不够紧凑、分辨率较低，运动准确性较差。随着科技水平的提高，传统的压电驱动器已经不能满足需求，研究高速、高精度、微型化的新型压电驱动器是当下最重要的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二次位移放大型压电驱动器，解决了现有技术存在的上述问题。传统直动式压电驱动器往往位移较小，为了达到放大位移的目的，通过柔性铰链放大机构达成一次位移放大效果，同时对驱动足进行表面处理达到二次位移放大效果。二次位移放大型压电直线驱动器利用压电叠堆的逆压电效应产生的微小形变和力，带动柔性铰链放大机构产生整体较大位移，产生正压力使驱动足表面产生形变从而达到二次位移放大的效果。本发明的二次位移放大型压电直线驱动器，能实现大行程、高精度、大负载的运动的，同时能实现正反两方向的直线运动。所提出压电直线驱动器的三角形柔性铰链机构可以将压电叠堆的微小形变放大，产生较大正向运动，达成一次位移放大，同时驱动足自身产生形变达成二次位移放大。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
二次位移放大型压电驱动器，包括基座1、滑块2、定子3和预紧机构4，所述滑块2和预紧机构4均安装在基座1上，定子3安装在预紧机构4上，并与滑块2弹性接触；
所述定子3包括六边形柔性铰链机构一3-1、六边形柔性铰链机构二3-2、三角形柔性铰链3-3、圆弧形驱动足3-4、压电叠堆一3-5、压电叠堆二3-6、安装孔一3-7和安装孔二3-8，所述六边形柔性铰链机构一3-1包括底部固定梁一3-1-1、侧部柔性铰链一3-1-2和顶部连接梁一3-1-3；所述压电叠堆一3-5两端分别与底部固定梁一3-1-1、顶部连接梁一3-1-3以紧配合方式相连；六边形柔性铰链机构一3-1通过安装孔一3-7固定在预紧机构4上；六边形柔性铰链机构二3-2与六边形柔性铰链机构一3-1结构完全相同，两者对称安装在预紧机构4上；三角形柔性铰链3-3包括铰链一3-3-1、铰链二3-3-2，顶部连接梁一3-1-3与三角形柔性铰链3-3的铰链一3-3-1底部相连，顶部连接梁二3-2-3与三角形柔性铰链3-3的铰链二3-3-2底部相连。
所述的圆弧形驱动足3-4包括圆弧薄板3-4-1、柔性薄板一3-4-2和柔性薄板二3-4-3，所述圆弧薄板3-4-1为易变形金属薄板，与三角形柔性铰链3-3顶部柔性连接，圆弧薄板3-4-1与三角形柔性铰链3-3顶部夹角分别为θ1 和θ2 ；圆弧薄板3-4-1表面设置有两个对称布置的柔性薄板一3-4-2和柔性薄板二3-4-3，柔性薄板一3-4-2与圆弧薄板3-4-1成α1角度倾斜，且自身具有弧度β1；柔性薄板二3-4-3与圆弧薄板3-4-1成α2角度倾斜，且自身具有弧度β2；柔性薄板一3-4-2、柔性薄板二3-4-3与滑块2呈面接触。
当需要滑块2沿x轴的正向运动时，向压电叠堆一3-5施加锯齿波电信号，三角形柔性铰链3-3的铰链一3-3-1底部产生y轴正向位移，在顶部滑块2的限制下，三角形柔性铰链3-3整体向右倾斜，圆弧形驱动足3-4与滑块2接触点的假想运动轨迹可分解为x向和y向的位移，当圆弧形驱动足3-4与滑块2紧密接触时，圆弧形驱动足3-4的圆弧薄板3-4-1受正压力产生自身形变，由于只有压电叠堆一3-5伸长，受力点集中在左侧，θ1减小、θ2增大；柔性薄板一3-4-2自身弧度β1变小，与圆弧薄板3-4-1所成角度α1变小，趋于扁平，产生自身伸长量，同时与滑块2间接触面积增大，增大正向驱动摩擦力；柔性薄板二3-4-3远离滑块2，α2、β2变大，达成二次位移放大效果。
二次位移放大型压电驱动器运动具有双向一致性，整体结构左右完全对称，当需要x轴负向运动时，压电叠堆二3-6受同一正向锯齿波信号激励时，滑块2受圆弧形驱动足3-4作用将产生沿x轴负方向运动。
本发明的有益效果在于：利用一个压电叠堆在一次工作周期内，产生两次位移放大，提高驱动器的输出效率；同时可以实现双向运动的一致性。本发明的二次位移放大型压电直线驱动器，能实现大行程、高精度、大负载的运动的，同时能实现正反两方向的直线运动。所提出压电直线驱动器的三角形柔性铰链机构可以将压电叠堆的微小形变放大，产生较大正向运动，达成一次位移放大，同时驱动足自身产生形变达成二次位移放大。本发明具有结构简单、紧凑，控制便捷等优点，在精密医疗器械，光学精密仪器和半导体加工等微纳米精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的定子示意图；
图3为本发明的六边形柔性铰链机构和三角形柔性铰链结构示意图；
图4为本发明的圆弧形驱动足结构示意图；
图5为本发明的圆弧形驱动足工作原理图；
图6为本发明的二次位移放大型驱动器的工作原理图。
图中：1、基座；2、滑块；3、定子；4、预紧机构；
3-1、六边形柔性铰链机构一；3-2、六边形柔性铰链机构二；3-3、三边形柔性铰链；3-4、圆弧形驱动足；3-5、压电叠堆一；3-6、压电叠堆二；3-7、安装孔一；3-8、安装孔二；3-1-1、底部固定梁一；3-1-2、侧部柔性铰链一； 3-1-3、顶部连接梁一；3-2-3、顶部连接梁二；3-3-1、铰链一；3-3-2、铰链二；3-4-1、圆弧薄板；3-4-2、柔性薄板一；3-4-3、柔性薄板二。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的二次位移放大型压电驱动器，包括基座1、滑块2、定子3和预紧机构4，所述滑块2和预紧机构4均安装在基座1上，定子3安装在预紧机构4上，并与滑块2弹性接触；预紧机构4用于预加载定子3和滑块2。
所述定子3包括六边形柔性铰链机构一3-1、六边形柔性铰链机构二3-2、三角形柔性铰链3-3、圆弧形驱动足3-4、压电叠堆一3-5、压电叠堆二3-6、安装孔一3-7和安装孔二3-8，所述六边形柔性铰链机构一3-1包括底部固定梁一3-1-1、侧部柔性铰链一3-1-2和顶部连接梁一3-1-3；所述压电叠堆一3-5两端分别与底部固定梁一3-1-1、顶部连接梁一3-1-3以紧配合方式相连，底部固定梁一3-1-1与顶部连接梁一3-1-3的端部通过侧部柔性铰链一3-1-2相连；压电叠堆二3-6与压电叠堆一3-5连接方式相同。六边形柔性铰链机构一3-1通过安装孔一3-7固定在预紧机构4上，六边形柔性铰链机构二3-2通过安装孔二3-8固定在预紧机构4上；六边形柔性铰链机构二3-2与六边形柔性铰链机构一3-1结构完全相同，两者对称安装在预紧机构4上；三角形柔性铰链3-3包括铰链一3-3-1、铰链二3-3-2，顶部连接梁一3-1-3与三角形柔性铰链3-3的铰链一3-3-1底部相连，顶部连接梁二3-2-3与三角形柔性铰链3-3的铰链二3-3-2底部相连。
当需要滑块2沿x轴的正向运动时，在电信号激励压电叠堆的伸长/缩短的一个工作周期中，在0T到3/4T阶段，向压电叠堆一3-5施加正向锯齿波信号激励，使其产生y轴正向位移，带动六边形柔性铰链机构一3-1y轴正向伸长，由于几何学可知，三角形柔性铰链3-3一侧铰链一3-3-1底部y轴正向上升，由于滑块2限制y向位移，三角形柔性铰链3-3端部会产生x向位移和y向正压力，即三角形柔性铰链3-3顶部圆弧形驱动足3-4产生x向位移和y向正压力，圆弧形驱动足3-4自身受-y向正压力产生弯曲形变，由于只有一侧压电叠堆伸长，圆弧形驱动足3-4单侧部受较大正压力，一侧柔性薄板一3-4-2受正压力，弯曲挠度变小，与圆弧薄板3-4-1夹角变小，自身伸长，柔性薄板二3-4-3带动滑块2产生x向位移，达到二次位移放大效果。
在3/4T到T阶段时，锯齿波信号快速下降到0，实现快速复位，由于惯性力的作用，回退位移较小。
所述的圆弧形驱动足3-4包括圆弧薄板3-4-1、柔性薄板一3-4-2和柔性薄板二3-4-3，所述圆弧薄板3-4-1为易变形金属薄板，与三角形柔性铰链3-3顶部柔性连接，圆弧薄板3-4-1与三角形柔性铰链3-3顶部夹角分别为θ1 和θ2 ；圆弧薄板3-4-1表面设置有两个对称布置的柔性薄板一3-4-2和柔性薄板二3-4-3，柔性薄板一3-4-2与圆弧薄板3-4-1成α1角度倾斜，且自身具有一定弧度β1；柔性薄板二3-4-3与圆弧薄板3-4-1成α2角度倾斜，且自身具有一定弧度β2；柔性薄板一3-4-2、柔性薄板二3-4-3与滑块2呈面接触。压电叠堆一3-5施加电信号，三角形柔性铰链3-3右侧倾斜，圆弧形驱动足3-4与滑块2接触点的假想运动轨迹可分解为x向和y向的位移，当圆弧形驱动足3-4与滑块2紧密接触时，圆弧形驱动足3-4的圆弧薄板3-4-1受正压力产生较大自身形变，受力点集中在左侧，使柔性薄板一3-4-2自身弧度变小，趋向于扁平，自身产生一定伸长量，同时与滑块2间接触面积变大，增加驱动摩擦力；柔性薄板二3-4-3远离滑块2，达成二次位移放大效果。
所述的二次位移放大型压电驱动器运动具有双向一致性，整体结构左右完全对称，当需要x轴负向运动时，压电叠堆二3-6受同一正向锯齿波信号激励时，滑块2受圆弧形驱动足3-4作用将产生沿x轴负方向运动。
实施例：
参见图1至图4所示，一种二次位移放大型压电驱动器，由基座1、滑块2、定子3和预紧机构4组成。滑块2和预紧机构4均通过螺钉安装在基座1上，定子3通过螺钉安装在预紧机构4上，并与滑块2弹性接触。预紧机构4用于预加载定子3和滑块2。所述定子3包括六边形柔性铰链机构一3-1、六边形柔性铰链机构二3-2、三角形柔性铰链3-3、圆弧形驱动足3-4、压电叠堆一3-5、压电叠堆二3-6、安装孔一3-7和安装孔二3-8。
六边形柔性铰链机构一3-1包括底部固定梁一3-1-1，侧部柔性铰链一3-1-2和顶部连接梁一3-1-3；压电叠堆一3-5两端分别与底部固定梁一3-1-1，顶部连接梁一3-1-3以紧配合方式相连；六边形柔性铰链机构一3-1通过安装孔一3-7固定在预紧机构4上。六边形柔性铰链机构二3-2与六边形柔性铰链机构一3-1结构完全相同，两者对称安装在预紧机构4上。三角形柔性铰链3-3包括铰链一3-3-1、铰链二3-3-2。顶部连接梁一3-1-3与三角形柔性铰链3-3的铰链一3-3-1底部相连。顶部连接梁二3-2-3与三角形柔性铰链3-3的铰链二3-3-2底部相连。
圆弧形驱动足3-4包括圆弧薄板3-4-1、柔性薄板一3-4-2和柔性薄板二3-4-3；圆弧薄板3-4-1为易变形金属薄板，与三角形柔性铰链3-3顶部柔性连接，圆弧薄板3-4-1与三角形柔性铰链3-3顶部夹角分别为θ1 和θ2。圆弧薄板3-4-1表面设置有两个对称布置的柔性薄板一3-4-2和柔性薄板二3-4-3，柔性薄板一3-4-2与圆弧薄板3-4-1成α1角度倾斜，且自身具有一定弧度β1，柔性薄板二3-4-3与圆弧薄板3-4-1成α2角度倾斜，且自身具有一定弧度β2；与滑块2呈面接触。
参见图4及图5所示，当需滑块2x轴正向运动时，向压电叠堆一3-5施加锯齿波电信号，三角柔性铰链3-3的铰链一3-3-1底部产生y轴正向位移，通过几何学可知，在顶部滑块2的限制下，三角柔性铰链3-3整体向右倾斜，圆弧形驱动足3-4与滑块2接触点的假想运动轨迹可分解为x向和y向的位移，当驱动足与滑块2紧密接触时，驱动足的圆弧薄板3-4-1受正压力产生较大产生自身形变，由于只有压电叠堆一3-5伸长，受力点集中在左侧，θ1减小、θ2增大；柔性薄板一3-4-2自身弧度β1变小，与圆弧薄板3-4-1所成角度α1变小，产生自身伸长，同时与滑块2间接触面积增大，增大正向驱动摩擦力；柔性薄板二3-4-3远离滑块2，α2、β2变大，达成二次位移放大效果。
参见图6所示，是本发明提出的二次位移放大型驱动器的工作原理图，驱动方式是按以下步骤进行的：
步骤a：从t0至t1时刻，向压电叠堆一3-5施加正向锯齿波信号激励，压电叠堆一3-5 y轴正向伸长h，带动六边形柔性铰链机构一3-1y轴正向伸长h，由于几何学可知，三角形柔性铰链3-3的铰链一3-3-1底部y轴正向上升h，端部P点假想运动轨迹可分解为x向和y向的位移（lx和ly），即三角形柔性铰链3-3顶部圆弧形驱动足3-4产生x轴正向位移和y轴正向力（lx和Fp），产生的驱动摩擦力Fs推动滑块2沿x轴正向前进，达成一次位移放大效果。
随着Fp增大，驱动足与滑块2紧密接触时圆弧形驱动足3-4自身受y轴负向压力Fn产生弯曲形变，由于受力点主要集中在左侧，柔性薄板一3-4-2受力使自身弧度变小，与圆弧薄板3-4-1所成角度变小，自身伸长同时与滑块2间的接触面积变大，增大了驱动摩擦力Fs，推动滑块2沿x轴正向前进，达成二次位移放大效果。
步骤b：在t1到t2阶段时，锯齿波信号快速下降到0，压电叠堆一3-5回缩，实现快速复位，由于惯性力的作用，滑块2将保持在如图6中（c）部分所示位置。通过重复步骤a和b，压电驱动器逐步实现沿着x轴正向的大工作行程运动。
当压电叠堆二3-6受同一正向锯齿波信号激励时，滑块2将产生x 轴负向运动，可实现双向运动的一致性。
本发明的二次位移放大型压电粘滑驱动器由定子、预紧机构、动子、基座等部分组成。其中定子通过预紧机构安装固定于基座上，定子与动子通过弹性接触方式实现定位和驱动传动。定子包括三角型柔性铰链位移放大机构、驱动足、六边形柔性铰链位移放大机构和压电叠堆促动器。其中驱动足为圆弧形薄金属板，金属板上面有两个完全相同柔性薄板，呈对称放置，与金属板柔性连接。通过对压电叠堆促动器施加控制电信号，推动三角柔性铰链放大机构产生正向位移进而实现一次位移放大，同时弧形驱动足产生自身弯曲形变，柔性薄板所受正压力改变产生自身伸长量，实现二次位移放大。本发明具有结构简单、精度高、行程大等特点，利用三角柔性放大机构和弧形驱动足结构产生二次放大效果，可实现双向驱动运动。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种二次位移放大型压电驱动器，其特征在于：包括基座（1）、滑块（2）、定子（3）和预紧机构（4），所述滑块（2）和预紧机构（4）均安装在基座（1）上，定子（3）安装在预紧机构（4）上，并与滑块（2）弹性接触；
所述定子（3）包括六边形柔性铰链机构一（3-1）、六边形柔性铰链机构二（3-2）、三角形柔性铰链（3-3）、圆弧形驱动足（3-4）、压电叠堆一（3-5）、压电叠堆二（3-6）、安装孔一（3-7）和安装孔二（3-8），所述六边形柔性铰链机构一（3-1）包括底部固定梁一（3-1-1）、侧部柔性铰链一（3-1-2）和顶部连接梁一（3-1-3）；所述压电叠堆一（3-5）两端分别与底部固定梁一（3-1-1）、顶部连接梁一（3-1-3）以紧配合方式相连；六边形柔性铰链机构一（3-1）通过安装孔一（3-7）固定在预紧机构（4）上；六边形柔性铰链机构二（3-2）与六边形柔性铰链机构一（3-1）结构完全相同，两者对称安装在预紧机构（4）上；三角形柔性铰链（3-3）包括铰链一（3-3-1）、铰链二（3-3-2），顶部连接梁一（3-1-3）与三角形柔性铰链（3-3）的铰链一（3-3-1）底部相连，顶部连接梁二（3-2-3）与三角形柔性铰链（3-3）的铰链二（3-3-2）底部相连；
所述的圆弧形驱动足（3-4）包括圆弧薄板（3-4-1）、柔性薄板一（3-4-2）和柔性薄板二（3-4-3），所述圆弧薄板（3-4-1）为易变形金属薄板，与三角形柔性铰链（3-3）顶部柔性连接，圆弧薄板（3-4-1）与三角形柔性铰链（3-3）顶部夹角分别为θ1 和θ2 ；圆弧薄板（3-4-1）表面设置有两个对称布置的柔性薄板一（3-4-2）和柔性薄板二（3-4-3），柔性薄板一（3-4-2）与圆弧薄板（3-4-1）成α1角度倾斜，且自身具有弧度β1；柔性薄板二（3-4-3）与圆弧薄板（3-4-1）成α2角度倾斜，且自身具有弧度β2；柔性薄板一（3-4-2）、柔性薄板二（3-4-3）与滑块（2）呈面接触；
二次位移放大型压电驱动器运动具有双向一致性，整体结构左右完全对称，当需要x轴负向运动时，压电叠堆二（3-6）受同一正向锯齿波信号激励时，滑块（2）受圆弧形驱动足（3-4）作用将产生沿x轴负方向运动。
2.根据权利要求1所述的二次位移放大型压电驱动器，其特征在于：滑块（2）沿x轴的正向运动时，向压电叠堆一（3-5）施加锯齿波电信号，三角形柔性铰链（3-3）的铰链一（3-3-1）底部产生y轴正向位移，在顶部滑块（2）的限制下，三角形柔性铰链（3-3）整体向右倾斜，圆弧形驱动足（3-4）与滑块（2）接触点的假想运动轨迹可分解为x向和y向的位移，当圆弧形驱动足（3-4）与滑块（2）紧密接触时，圆弧形驱动足（3-4）的圆弧薄板（3-4-1）受正压力产生自身形变，由于只有压电叠堆一（3-5）伸长，受力点集中在左侧，θ1减小、θ2增大；柔性薄板一（3-4-2）自身弧度β1变小，与圆弧薄板（3-4-1）所成角度α1变小，趋于扁平，产生自身伸长量，同时与滑块（2）间接触面积增大，增大正向驱动摩擦力；柔性薄板二（3-4-3）远离滑块（2），α2、β2变大，达成二次位移放大效果。
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