CN111954976A - 紧凑型压电惯性驱动台 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种压电惯性驱动台，包括：压电惯性器，滑动件以及保持件。该驱动器包括用于安装在所述保持件上的安装部分，用于与所述滑动件相连接的摩擦部分，位于所述安装部分和所述摩擦部分之间的弯曲部分，具有与所述安装部分相接合的第一端和与所述移动部分相接合的第二端的压电元件，所述移动部分将所述压电元件的运动转移到所述摩擦部分，以驱动所述滑动件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2018年01月19日提交的美国临时专利申请62/619,395的优先权。该美国临时专利申请62/619,395的公开内容在此被引入以作为参考。
技术领域
本发明涉及紧凑型驱动台，尤其涉及的是紧凑型压电惯性驱动台。
背景技术
基于逆压电效应，压电致动器或电动机可以将电能转换成能在一些运动控制应用中使用的机械能或动能。简单的压电致动器可以是压电元件，其可以是具有电极的单层极化压电材料。在一定的电场下，压电元件可能会在一个方向上变形(扩张，收缩或剪切)，但形变通常低于千分之几，这意味着大多数尺寸为几毫米的单层压电元件的运动部分的位移被限制在几微米。然后，多层压电致动器具有堆叠的压电层(机械串联)，这些压电层夹在叉指电极(电气并联)之间，通过多层压电致动器以增加每一层的形变，由此实现高达几百微米的位移。但是，依照串联机械接合，应变仍旧会保持处于千分之几。此外，具有特定结构的机械放大器用于放大压电致动器的位移，但是放大后的位移仍被限制在几毫米。
为了摆脱有限位移以及获得更大的行程范围，目前已经开发了一种压电电动机或是所谓的压电驱动系统，该压电电动机或压电驱动系统通常具有定子或所谓的驱动器和滑动件，并且该滑动件在压电元件驱动的驱动器循环中具有微小的移动，并且可以在多次重复该循环时累积这些微小的移动，由此最终实现大行程。此类压电电动机的行程范围通常仅受滑动件行程范围的限制。压电惯性电动机或所谓的压电惯性驱动台是一种可以将压电元件集成到定子或滑动件中的压电电动机。由于所包含的部件的质量所产生的惯性，该滑动件可以在压电元件的驱动循环中实现微小的运动。
文献US 20070241640 A1(US 7535661 B2)和US 7462974 B2描述的压电惯性驱动致动器包括固定构件，移动压电元件，具有弹簧的振荡基板，布置在振荡基板上并通过惯性与基板一起移动的移动体。这些设计并未引入任何关于弹簧的特殊设计。
专利US 8520327 B2中的设备是一种典型的压电惯性电动机，将压电元件集成在定子或所谓的“压电惯性驱动器”中。该压电惯性驱动器包括刚性主体部分以及具有驱动表面部分、轴向刚性部分和S形弹性部分的连续的柔性弹性构件。该专利主要要求保护的是S形弹性部分，并且没有引入任何关于驱动表面和驱动部分的刚度的特殊设计。
专利US 8593033 B2描述了一种将多个压电元件作为定子以通过单独控制所述多个压电元件来驱动滑动件的压电电动机。该专利不具有任何弯曲部分用来增强压电元件的归位。
专利US 20150076965 A1(US 9312790 B2)中的设备是一种典型的压电惯性电动机，将压电元件集成在定子中。该专利要求保护的是一种不同于专利US 8520327B2中的S形弹性部分的弯曲部分，该弯曲部分由锥形弹簧组成，该锥形弹簧包括具有第一宽度的第一端、具有第二宽度的第二端、以及具有弯折宽度的弯折部分，其中第一宽度和第二宽度小于该弯折宽度。该专利还引入了位于驱动表面和预加载构件上的摩擦衬垫，但是柔性部分的刚度很低并且限制了驱动器的性能。
本申请公开了与用于惯性驱动台的压电惯性驱动器中具有高刚度和紧凑型结构的弯曲部分有关的一系列设计。该弯曲部分既不是S形弹性部分，也不与US 2015/0076965A1中的锥形弹簧相类似。该高刚度弯曲部分能使驱动部分快速响应，并且能使压电元件的循环运动以高频运作，并且最终增强了滑动件的行进速度以及通过摩擦产生的轴向力。
基于本发明的实施例，压电惯性驱动台设计具有高达大约100毫米/秒的速度以及10N的轴向推力，这一点要高于其他的商用压电惯性驱动台产品。因此，根据本发明实施例的设备在压电惯性驱动台市场中，将会颇具竞争力和吸引力。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种压电惯性驱动台，包括：保持件；通过所述保持件支撑的滑动件，所述滑动件相对于所述保持件在具有行程范围的平滑轨道上移动；与所述保持件相连接并且可操作地以移动所述滑动件的压电惯性驱动器；该驱动器包括：将所述驱动器连接到所述保持件的安装部分；配置成与所述滑动件相接触的摩擦部分；具有与压电元件相连的第一端和与所述摩擦部分相连的第二端的移动部分；具有与所述安装部分相接合的第一端和与所述移动部分相接合的第二端的压电元件；以及具有与所述安装部分相连的第一端和与所述摩擦部分相连的第二端的弯曲部分，其中，所述弯曲部分进一步包括多根连接杆，所述多根连接杆大致平行并连接，且通过狭槽分离；其中，所述移动部分将所述压电元件的运动转移到所述摩擦部分，以驱动所述滑动件。
本发明的一个实施例提供了一种压电惯性驱动器，包括：用于将驱动器连接到保持件的安装部分；配置成用于与滑动件相接触的摩擦部分；具有与压电元件相连的第一端和与所述摩擦部分相连的第二端的移动部分；具有与所述安装部分相接合的第一端和与所述移动部分相接合的第二端的压电元件；以及具有与所述安装部分相连的第一端和与所述摩擦部分相连的第二端的弯曲部分，其中，所述弯曲部分进一步包括多根连接杆，所述多根连接杆大致平行并连接，且通过狭槽分离；其中，所述移动部分将所述压电元件的运动转移到所述摩擦部分，以驱动所述滑动件。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的压电惯性驱动器。
图2是根据本发明的另一个实施例的压电惯性驱动器。
图3是根据本发明的另一个实施例的压电惯性驱动器。
图4是根据本发明的另一个实施例的压电惯性驱动器。
图5示出了压电惯性驱动机制的操作。
图6示出了根据一个实施例的压电惯性驱动器中的连接杆的长度。
图7是图6所示的压电惯性驱动器的一部分的放大视图。
图8示出了根据另一个实施例的压电惯性驱动器中的连接杆的长度。
图9是图8所示的压电惯性驱动器的一部分的放大视图。
具体实施方式
对于根据本发明的原理的说明性实施例而言，与之相关的描述应该结合附图来阅读，这些附图被认为是整个书面描述的一部分。在关于这里公开的发明实施例的描述中，关于方向或方位的任何引用仅仅是为了方便描述，并不以任何方式对本发明的范围进行限制。例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”及其衍生词汇(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)之类的相对性术语应被解释成是指在下文描述或是所论述的附图中显示的方向。这些相对性术语仅仅是为了便于描述，并且除非明确地对此进行指示，否则不需要以特定的方位来构造或操作装置。例如“附着”、“附接”、“连接”，“耦接”、“互连”等术语指的是一种将结构彼此通过中间结构直接或间接固定或附着的关系，此外，除非另有明确描述，否则该术语还可以是指可移动或刚性的附着方式或关系。此外，本发明的特征和优点是通过参考例示实施例来例证的。相应地，本发明显然不应局限于此类示出了既可单独存在也可处于其他特征组合中的特征的一些可能的非限制性组合的示例实施例；本发明的范围是由附加于此的权利要求限定的。
本公开描述了当前想到的关于本发明的一种或多种最佳实施模式。该描述不应被理解成具有限制意义，相反，该描述通过参考附图提供了关于本发明的示例，这些示例仅仅是出于说明性目的给出的，由此将本发明的优点和优点传达给本领域普通技术人员。在不同的附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。
图5示出了压电惯性驱动的基本原理。如图5所示，基础的惯性驱动系统包括三个主要部分：致动器(压电元件)，杆(摩擦部分)以及块(滑动件)。在(A)中，驱动器位于原位。在(B)中，通过缓慢的斜坡电压，压电元件的一端固定，另一端推动摩擦部分以摩擦滑动件向前滑动(该过程是“粘着”过程)。在(C)中，电压突然下降，压电元件以及摩擦部分将突然返回原位，并且摩擦部分会与滑动件一起向后“滑动”(这是“滑动”过程)。图5的底部显示了对于(A)、(B)和(C)的循环中致动器的行程和时间的函数。
由于滑动件的惯性，与“粘着”过程中向前行进的距离相比，“滑动”过程中的后退相对较小。然后，在“粘着-滑动”循环之后，滑动件最终会向前移动一点。该循环被重复执行，并且滑动件会向前移动。对于后退行进而言，该循环将相反地变为“滑动-粘着”。为了增强压电元件和摩擦部分的收缩/复位，通常会使用弯曲件/弹簧来将其推回。最新的设计以及本发明的实施例主要集中在弯曲/弹簧部分设计以及与其他必要部件的集成。
在一个实施例中，压电惯性驱动台包括压电惯性驱动器，具有一定行程和平滑轨道的线性轨道、轴承或诸如此类的滑动件，将定子与滑动件结合在一起的保持件，以及其他主要部件。在我们的专利申请中，我们主要关注于压电惯性驱动器的设计。
在图1中示出了关于该驱动器的第一实施例，示出了该压电惯性驱动器的主视图，该压电惯性驱动器包括安装部分10、压电元件20，弯曲部分30、摩擦部分35以及移动部分40。除了压电元件20和摩擦部分35之外的所有部分都是由单片金属材料(例如钢、青铜等等)制成的整体结构，由此保持整个结构具有很高的刚度，以及实现紧凑且经济高效的设计。安装部分10具有用于将驱动器安装在保持件上的安装孔11和12，并且该部分在驱动过程中保持静止，由此使得充当整个驱动器的定子。部分15连接安装部分10和弯曲部分30。位于部分15底壁上的点16用于在驱动器和滑动件之间施加预紧力。弯曲部分30和31是多根平行的连接杆，其角度公差的范围是从-20°到+20°。杆的数量、每一根单独的杆的宽度以及两根相邻的杆之间的空间可以被调节，以便获得优选的弯曲部分刚度。部分32连接弯曲部分31和摩擦部分35，部分41连接移动部分40和摩擦部分35。压电元件20的一个移动表面借助粘合剂或其他适当的可连接装置接合到安装部分10的表面。压电元件20的另一个运动表面借助粘合剂或其他适当的可连接装置接合到移动部分40的表面。摩擦部分既可以被单独制造，也可以或与弯曲部分一起以一体化的方式制造。在该实施例中，摩擦部分35是用耐磨材料(例如陶瓷，非有机复合材料)制造或者被覆盖了耐磨涂层(例如聚合物，非有机复合物涂层等等)，由此增强长期操作过程中的耐磨性、稳定性和寿命，并且其通过粘合剂或其他适当的可附着手段接合到部分42。
在压电惯性驱动器的运动循环中，压电元件20会在一定的电信号的作用下膨胀，由于安装部分10是固定的，因此它会推动移动部分40向前移动。部分41会将其长度方向上的运动从移动部分40转移到摩擦部分35和弯曲部分30，并且可以避免沿其他方向传递移动。然后，摩擦部分35将会伸出并且弯曲部分30将会弹性变形(就该实施例而言是伸长和弯曲)。伸出的摩擦部分35会与滑动件摩擦，所述滑动件会与摩擦部35很好地接触，并且可以沿着摩擦力方向或是其切线方向平滑行进。在具有缓慢上升的电场的作用下，压电元件20会驱动摩擦部分35与滑动件粘着，并通过静摩擦力摩擦滑动件向前移动。然后，电场突然下降到零，膨胀的压电元件20和变形的弯曲部分30将迅速恢复原位，由此会使摩擦部分产生向后的摩擦力。该向后摩擦需要足够快，以使摩擦部分35从滑动件上滑落，同时滑动件会因为滑动摩擦而向后移动一点。由于滑动件的质量所产生的惯性，向后滑动距离要小于粘着向前距离。由此，压电惯性驱动器的整个运动周期会以很小的前向移动距离结束，并且这种机制被称为“粘着滑动”驱动。另一方面，为了实现向后行进，压电元件20首先驱动摩擦部分35与滑动件一起向前滑动，然后缓慢恢复原位，以使摩擦部分35与滑动件向后粘着，并且最终使得滑动件向后移动一小段距离。与摩擦部分35接触的滑动件部分是用耐磨材料(例如陶瓷，具有聚合物或非有机复合涂层的金属等等)制成的，由此提高长期操作期间的耐磨性、稳定性和寿命，并且其既可以单独制造并借助粘合剂或其他适当的可附着手段与滑动件接合在一起，也可以与滑动件一起以一体化的方式接合在一起。
摩擦部分35的行程距离以及变形应变取决于弯曲部分30的刚度。由此，通过调节弯曲部分中的连接杆的数量、每一根单独的杆的宽度以及两根相邻杆之间的空间，可以对摩擦部分的行程距离进行调节。具有优选的刚度和行程值，驱动器可以驱动具有线性轨道的滑动件，以使其在向前和向后这两个方向上移动，或者驱动器可以驱动具有轴承的滑动件，以使其在顺时针和逆时针方向上旋转。
在以高频驱动压电惯性驱动器时，滑动件将高速行进，并且“粘着”将不再适用，且驱动机制将会转成“滑移”模式。高频驱动需要高刚度的弯曲部分，以使驱动部分能够快速响应，以及使得压电元件的循环运动能以高频运作。因此，在该实施例中，弯曲部分30的刚度被设计和调整成具有用于高频操作的很高的刚度，以便实现高行进速度和高轴向力。
图2示出了根据第二实施例的驱动器的主视图。与第一实施例相似，该压电惯性驱动器包括具有两个安装孔101和102的安装部分100，压电元件120，弯曲部分130，摩擦部分135以及移动部分140。连接和移动周期同样与先前的实施例相似。其区别之处列举如下：弯曲部分130是水平的，并且连接杆之间的角度同样是用于调节刚度的调节参数。摩擦部分135较大，并且具有与部分142相接触的两个表面，以更好地进行安装；用于连接弯曲部分131和摩擦部分135的部分132相对较厚，由此使得整个结构具有较高的刚度。在第二实施例中，弯曲部分130的刚度被设计成高于第一实施例，由此在高频驱动下实现更高的性能。
图3示出了将两个驱动器结合在一起的第三实施例。该实施例具有对称结构，该对称结构具有两个安装孔201和202，两个压电元件220和221，两个移动部分240和241，以及一个或两个摩擦部分250和251，由此共用了中间的弯曲部分230和231。在图4中示出了具有一个摩擦部分350的相似实施例。弯曲部分230和231保持水平，其具有针对高频驱动和高性能设计的高刚度。具有两个压电元件220和221，整个驱动器的刚度将被进一步提高，因为压电陶瓷材料与金属相比通常具有更高的刚度。两个压电元件220和221连接到两个单独的摩擦部分250和251。为了实现工作循环中的刚度增强，当一个压电元件膨胀时，另一个压电元件同时收缩，反之亦然。并且，在该实施例中，用于施加预紧力的点206被设置在驱动器的中间，该点将用于向驱动器施加相等的力，并且由此会在两个方向上实现稳定的速度和运动。摩擦部分250和251同样是用耐磨材料制成或被覆盖有耐磨涂层，由此提高长期操作期间的耐磨性、稳定性和寿命。
在以上所有的实施例中，弯曲部分被设计成具有平行连接的连接杆，可以通过改变连接杆的数量、每一根单独的杆的宽度、两根相邻的杆之间的间隔、以及杆与摩擦部分行程方向之间的夹角来调节弯曲部分的刚度。在具有高刚度的情况下，压电惯性驱动器可以实现快速响应和高频驱动，以便实现高速行进和很高的力输出。在具有相对较低的刚度的情况下，压电惯性驱动器将更适合低频低速驱动。
图6和图7示出了根据一个实施例的压电惯性驱动器中的尺寸参数。图7显示了由图6中的虚线框限定区域的细节。图8和9显示了根据另一个实施例的压电惯性驱动器中的尺寸参数。图9显示了由图8中的虚线框限定区域的细节。
应该指出的是，增大狭槽宽度(B)会提升结构刚度，同时，增大连接杆宽度(C)会提升结构刚度。在一个实施例中，狭槽宽度(B)与连接杆宽度(C)之比处于0.4到2.5的范围以内。增大狭槽长度(D)和连接杆长度(A)会降低结构的刚度，而减小狭槽长度和连接杆长度则会提升结构刚度。此外，在使用更多的连接杆时，结构的刚度将被提高。应该指出的是，当连接杆长度(A)与连接杆宽度(C)之比增大时，结构的刚度将会降低。在一个实施例中，连接杆长度(A)与连接杆宽度(C)之比处于10到16的范围以内。并且，当狭槽长度(D)与狭槽宽度(B)之比增大时，结构的刚度将会降低。在一个实施例中，狭槽长度(D)与狭槽宽度(B)之比在10到16的范围以内。
虽然已经对照所描述的若干个实施例而以一定的长度和一定特殊性对本发明进行了描述，但是本发明并不限于任何此类细节或实施例或是任何特定的实施例，相反，其应该被理解成鉴于现有技术而提供了最广泛的可能的解释，并且由此有效地包含了本发明的预期范围。此外，以上内容是依照发明人可以预见的实施例来描述本发明的，但是目前尚未预见的关于本发明的非实质性修改仍然可以代表其等效形式。
Claims (18)
1.一种压电惯性驱动台，包括：
保持件；
滑动件，通过所述保持件支撑，所述滑动件相对于所述保持件在具有行程范围的平滑轨道上移动；
压电惯性驱动器，与所述保持件相连接，并且可操作，以移动所述滑动件；
所述驱动器包括：
安装部分(10)，将所述驱动器连接到所述保持件；
摩擦部分(35)，配置成与所述滑动件相接触；
移动部分(40)，具有与压电元件(20)相连的第一端和与所述摩擦部分相连的第二端；
压电元件(20)，具有与所述安装部分(10)相接合的第一端和与所述移动部分(40)相接合的第二端；以及
弯曲部分(30、31)，具有与所述安装部分(10)相连的第一端和与所述摩擦部分(35)相连的第二端，
其中，所述弯曲部分(30、31)进一步包括多根连接杆，所述多根连接杆大致平行并连接，且通过狭槽分离；
其中，所述移动部分(40)将所述压电元件(20)的运动转移到所述摩擦部分(35)，以驱动所述滑动件。
2.根据权利要求1所述的压电惯性驱动台，其中，任何两根杆或任何两条狭槽之间的角度公差处于-20°到0°和0°到+20°的范围内。
3.根据权利要求1所述的压电惯性驱动台，其中，杆的宽度与狭槽的宽度之间的比值处于0.4到2.5的范围内。
4.根据权利要求1所述的压电惯性驱动台，其中，单独的杆的长度与宽度之间的比值处于10到16的范围内。
5.根据权利要求1所述的压电惯性驱动台，进一步包括由耐磨材料制成或覆盖有耐磨涂层的摩擦部分。
6.根据权利要求1所述的压电惯性驱动台，进一步包括部分或全部由耐磨材料制成或覆盖有耐磨涂层的滑动件。
7.根据权利要求1所述的压电惯性驱动台，进一步包括：
两个或更多个压电元件，每一个所述压电元件的第一端和第二端与其对应的安装部分和移动部分相接合；以及
一个或更多个摩擦部分；
其中，摩擦部分的数量与压电元件的数量无关。
8.根据权利要求6所述的压电惯性驱动台，其中，所述两个或更多个压电元件配置成根据预先定义的顺序协同工作。
9.根据权利要求1所述的压电惯性驱动台，其中，所述压电元件的运动包括循环的收缩和膨胀，收缩速度和膨胀速度不同。
10.一种压电惯性驱动器，包括：
安装部分(10)，用于将驱动器连接到保持件；
摩擦部分(35)，配置成用于与滑动件相接触；
移动部分(40)，具有与压电元件(20)相连的第一端和与所述摩擦部分(35)相连的第二端；
压电元件(20)，具有与所述安装部分(10)相接合的第一端和与所述移动部分(40)相接合的第二端；以及
弯曲部分(30、31)，具有与所述安装部分(10)相连的第一端和与所述摩擦部分(35)相连的第二端，
其中，所述弯曲部分(30、31)进一步包括多根连接杆，所述多根连接杆大致平行并连接，且通过狭槽分离；
其中，所述移动部分(40)将所述压电元件(20)的运动转移到所述摩擦部分(35)，以驱动所述滑动件。
11.根据权利要求10所述的压电惯性驱动器，其中，任何两根杆或任何两条狭槽之间的角度公差处于-20°到0度和0°到+20°的范围内。
12.根据权利要求10所述的压电惯性驱动器，其中，杆的宽度与狭槽的宽度之间的比值处于0.4到2.5的范围内。
13.根据权利要求10所述的压电惯性驱动器，其中，单独的杆的长度与宽度之间的比值处于10到16的范围内。
14.根据权利要求10所述的压电惯性驱动器，进一步包括由耐磨材料制成或覆盖有耐磨涂层的摩擦部分。
15.根据权利要求10所述的压电惯性驱动器，进一步包括部分或完全由耐磨材料制成或覆盖有耐磨涂层的滑动件。
16.根据权利要求10所述的压电惯性驱动器，进一步包括：
两个或更多个压电元件，每一个所述压电元件的第一端和第二端与其对应的安装部分和移动部分相接合；以及
一个或更多个摩擦部分；
其中，摩擦部分的数量与压电元件的数量无关。
17.根据权利要求14所述的压电惯性驱动器，其中，所述两个或更多个压电元件配置成根据预先定义的顺序协同工作。
18.根据权利要求10所述的压电惯性驱动器，其中，所述压电元件的运动包括循环的收缩和膨胀，收缩速度和膨胀速度不同。
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