CN114442303B - 一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器，包括两个压电陶瓷堆栈、刚性导向块、柔性传力块、复合传力块、滑杆、基座和外壳，所述两个压电陶瓷堆栈按照伸缩方向平行固定于基座上；所述刚性导向块和复合传力块分别固定于两个压电陶瓷堆栈的自由端；所述柔性传力块固定于基座的凹槽中；所述滑杆穿过基座通过刚性导向块、柔性传力块和复合传力块共同挤压固定，其挤压压力满足：任意两处挤压接触的摩擦力之和大于剩余一处挤压接触的摩擦力；所述外壳通过基座上的限位槽进行定位固定。本发明结构简单易加工，刚性强，稳定性高，适合作为极端条件下的扫描探针显微镜和精密光学系统的微调定位装置使用。
Description
技术领域
本发明属于促动器技术领域，涉及一种微驱动系统，具体涉及一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器。
背景技术
微位移技术是实现超精密加工的重要途径，而微位移促动器是一种能够同时实现纳米级定位精度和厘米级行程的装置，主要利用压电陶瓷片或薄膜、电致伸缩材料的声振动和微小形变的累加效果来产生移动，而压电堆栈则是在此基础上扩大了其性能：不仅保持了压电陶瓷片原有的特性和优点，而且其位移量和输出力都有较大提高，被广泛应用于纳米技术、微机械和微系统、通讯传感技术、半导体技术、电子扫描技术、微生物技术等领域，特别是在极低温和超强磁场等极端条件下作为微型扫描探针显微镜的微调定位装置以及大型天文望远镜的子镜面位移调节装置。而现有微位移促动器存在结构尺寸大、定位精度低和行程短等问题。
发明内容
本发明正是为了解决上述技术问题而设计的一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器，该位移促动器结构简单、机械结构刚性强、定位精度高，有效解决了现有技术中纳米定位器结构复杂、制备成本高、机械刚性不强且不易控制的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器，包括第一压电陶瓷堆栈、第二压电陶瓷堆栈、刚性导向块、柔性传力块、复合传力块、滑杆和基座，两个压电陶瓷堆栈按照伸缩方向平行、彼此面对面垂直固定于基座的一端面上；刚性导向块与复合传力块分别固定于两个压电陶瓷堆栈自由端的彼此相对面上；柔性传力块固定于基座面向压电陶瓷堆栈端面的凹槽中；滑杆穿过柔性传力块、基座，滑杆设置在两个压电陶瓷堆栈之间，且与柔性传力块挤压接触，滑杆通过刚性导向块、柔性传力块和复合传力块共同挤压固定、垂直于基座，其挤压压力满足：任意两处挤压接触的摩擦力之和大于剩余一处挤压接触的摩擦力；
通过对第一压电陶瓷堆栈和第二压电陶瓷堆栈分别施加一路脉冲电压驱动信号，基于两个压电陶瓷堆栈的自由端在其伸缩方向上的伸缩次序不同，实现滑杆位置的微位移调节。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一压电陶瓷堆栈、第二压电陶瓷堆栈结构相同，均由两片以上的压电陶瓷片按照电极极性正负负正的顺序堆叠而成。
作为本发明的一种优选技术方案，所述复合传力块包括限位卡槽与铍铜弹簧片，限位卡槽上设置有预设数量的限位点，铍铜弹簧片的两端固定在限位卡槽上的限位点上，使铍铜弹簧片凸起呈圆弧型，限位卡槽背向铍铜弹簧片的一面与压电陶瓷堆栈的自由端固定，通过铍铜弹簧片与滑杆挤压接触。
作为本发明的一种优选技术方案，所述刚性导向块采用不锈钢或钛材料加工而成，构成滑杆移动的导轨；所述柔性传力块采用铍铜材料加工而成。
作为本发明的一种优选技术方案，还包括外壳，外壳通过基座上的限位槽进行固定连接，将压电陶瓷堆栈、刚性导向块、柔性传力块、复合传力块包含在内，外壳的顶部端面存在贯穿外壳内外的通孔，所述滑杆经过该通孔，并且不与外壳接触。
本发明的有益效果是：
1、采用刚性导向块、柔性传力块和复合传力块共同挤压固定中心的滑杆，结构刚性更强，通过摩擦力原理驱动控制滑杆进行纳米级位移调节，控制精度高且性能稳定；
2、复合传力块由机械加工的限位卡槽和条状铍铜弹簧片组成，零部件加工和装配更加简单，且实现了压电陶瓷堆栈自由端挤压压力的连续可调。
附图说明
图1为本发明所述一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器整体结构示意图；
图2为本发明所述一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器的俯视图；
图3为本发明所述柔性传力块的结构示意图；
图4为本发明所述基座的结构示意图；
图5为本发明所述两路电压驱动信号示意图。
图中：1a.压电陶瓷堆栈；1b.压电陶瓷堆栈；2.刚性导向块；3.柔性传力块；4.复合传力块；5.滑杆；6.基座；7.外壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器，如图1所示，包括第一压电陶瓷堆栈1a、第二压电陶瓷堆栈1b、刚性导向块2、柔性传力块3、复合传力块4、滑杆5和基座6，两个压电陶瓷堆栈按照伸缩方向平行、彼此面对面垂直固定于基座6的一端面上；刚性导向块2与复合传力块4分别固定于两个压电陶瓷堆栈自由端的彼此相对面上；如图4所示，基座6的一端面上设置有凹槽，且在凹槽中有贯穿基座6两面的通孔，柔性传力块3固定于基座6面向压电陶瓷堆栈端面的凹槽中；如图3中所示，在本实施例中柔性传力块3为一个铍铜薄片，并且在与基座上通孔相对应的位置在该薄片上也设置有贯通的通孔，并且在薄片通孔的内沿上有两个固定件，两固定件分别与刚性导向块2与复合传力块4位置相对应，滑杆5穿过柔性传力块3、基座6，滑杆5设置在两个压电陶瓷堆栈之间，且与柔性传力块3的两个固定件挤压接触，滑杆5通过刚性导向块2、柔性传力块3和复合传力块4共同挤压固定、垂直于基座，其挤压压力满足：任意两处挤压接触的摩擦力之和大于剩余一处挤压接触的摩擦力；如图2所示为该微位移促动器的俯视图，该微位移促动器还包括外壳7，外壳7通过基座6上的限位槽进行固定连接，将压电陶瓷堆栈、刚性导向块2、柔性传力块3、复合传力块4包含在内，外壳7的顶部端面存在贯穿外壳内外的通孔，所述滑杆5经过该通孔，并且不与外壳7接触。
通过对第一压电陶瓷堆栈1a和第二压电陶瓷堆栈1b分别施加一路脉冲电压驱动信号，基于两个压电陶瓷堆栈的自由端在其伸缩方向上的伸缩次序不同，实现滑杆5位置的微位移调节。
所述第一压电陶瓷堆栈1a、第二压电陶瓷堆栈1b结构相同，均由两片以上的压电陶瓷片按照电极极性正负负正的顺序堆叠而成。
所述复合传力块4包括限位卡槽与铍铜弹簧片，限位卡槽上设置有预设数量的限位点，铍铜弹簧片的两端固定在限位卡槽上的限位点上，使铍铜弹簧片凸起呈圆弧型，限位卡槽背向铍铜弹簧片的一面与压电陶瓷堆栈的自由端固定，通过铍铜弹簧片与滑杆5挤压接触。
所述刚性导向块2可以由任何刚性较强且易加工的材料加工而成，本技术方案中采用不锈钢或钛材料加工而成，构成滑杆5移动的导轨；所述柔性传力块3采用铍铜材料加工而成。
基于上述所描述的微位移促进器，如图5所示，通过过对第一压电陶瓷堆栈1a和第二压电陶瓷堆栈1b分别施加一路脉冲电压驱动信号E1和E2，一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器向上步进的过程如下，在本实施例中，复合传力块4设置在压电陶瓷堆栈1b上，刚性导向块2设置在压电陶瓷堆栈1a上：
在到的阶段，施加在压电陶瓷堆栈1a上的E1电压信号保持在-Vmax不变，而施
加在压电陶瓷堆栈1b上的E2电压信号从-Vmax逐渐上升到Vmax，在这个过程中，压电陶瓷堆栈
1a保持伸长状态不变，而压电陶瓷堆栈1b将由伸长状态变为收缩状态；由于滑杆5通过刚性
导向块2、柔性传力块3和复合传力块4共同挤压固定、垂直于基座，其中任意两处挤压接触
的摩擦力之和大于剩余一处挤压接触的摩擦力；导致滑杆5不会发生移动，此时，复合传力
块4相对于滑杆5会产生相对滑动至新的位置。
在到的阶段，施加在压电陶瓷堆栈1b上的E2电压信号保持在Vmax不变，而施
加在压电陶瓷堆栈1a上的E1电压信号从-Vmax逐渐上升到Vmax，在这个过程中，压电陶瓷堆
栈1b保持收缩状态不变，而压电陶瓷堆栈1a将由伸长状态变为收缩状态；由于滑杆5通过刚
性导向块2、柔性传力块3和复合传力块4共同挤压固定、垂直于基座6，其中任意两处挤压接
触的摩擦力之和大于剩余一处挤压接触的摩擦力；滑杆5也不会发生移动，刚性导向块2相
对于滑杆5会产生相对滑动至新的位置。
在到的阶段，将施加在压电陶瓷堆栈1a和压电陶瓷堆栈1b上的两路电压信号
同时从Vmax逐渐将到-Vmax，在这个过程中，压电陶瓷堆栈1a和压电陶瓷堆栈1b将会同时由
收缩状态变为伸长状态；由于滑杆5通过刚性导向块2、柔性传力块3和复合传力块4共同挤
压固定、垂直于基座6，其中任意两处挤压接触的摩擦力之和大于剩余一处挤压接触的摩擦
力；滑杆5相对于柔性传力块3产生相对滑动，从而带动滑杆5向上步进一步。
综上所述，循环往复T0到T3过程即可实现纳米定位器的连续步进实现滑杆5位置的微位移调节。同理，施加两路与之反向对称的电压驱动信号即可控制微位移促动器向相反的方向连续步进实现滑杆5位置的微位移调节。
本发明设计了一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器，包括两个压电陶瓷堆栈、刚性导向块、柔性传力块、复合传力块、滑杆、基座和外壳，所述两个压电陶瓷堆栈按照伸缩方向平行固定于基座上；所述刚性导向块和复合传力块分别固定于两个压电陶瓷堆栈的自由端；所述柔性传力块固定于基座的凹槽中；所述滑杆穿过基座通过刚性导向块、柔性传力块和复合传力块共同挤压固定，其挤压压力满足：任意两处挤压接触的摩擦力之和大于剩余一处挤压接触的摩擦力；所述外壳通过基座上的限位槽进行定位固定。本发明结构简单易加工，刚性强，稳定性高，适合作为极端条件下的扫描探针显微镜和精密光学系统的微调定位装置使用。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器，其特征在于：包括第一压电陶瓷堆栈(1a)、第二压电陶瓷堆栈(1b)、刚性导向块(2)、柔性传力块(3)、复合传力块(4)、滑杆(5)和基座(6)，两个压电陶瓷堆栈按照伸缩方向平行、彼此面对面垂直固定于基座(6)的一端面上；刚性导向块(2)与复合传力块(4)分别固定于两个压电陶瓷堆栈自由端的彼此相对面上；柔性传力块(3)固定于基座(6)面向压电陶瓷堆栈端面的凹槽中；滑杆(5)穿过柔性传力块(3)、基座(6)，滑杆(5)设置在两个压电陶瓷堆栈之间，且与柔性传力块(3)挤压接触，滑杆(5)通过刚性导向块(2)、柔性传力块(3)和复合传力块(4)共同挤压固定、垂直于基座(6)，其挤压压力满足：任意两处挤压接触的摩擦力之和大于剩余一处挤压接触的摩擦力；
通过对第一压电陶瓷堆栈(1a)和第二压电陶瓷堆栈(1b)分别施加一路脉冲电压驱动信号，基于两个压电陶瓷堆栈的自由端在其伸缩方向上的伸缩次序不同，实现滑杆(5)位置的微位移调节；
所述复合传力块(4)包括限位卡槽与铍铜弹簧片，限位卡槽上设置有预设数量的限位点，铍铜弹簧片的两端固定在限位卡槽上的限位点上，使铍铜弹簧片凸起呈圆弧型，限位卡槽背向铍铜弹簧片的一面与压电陶瓷堆栈的自由端固定，通过铍铜弹簧片与滑杆(5)挤压接触；
所述刚性导向块(2)采用不锈钢或钛材料加工而成，构成滑杆(5)移动的导轨；所述柔性传力块(3)采用铍铜材料加工而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器，其特征在于：所述第一压电陶瓷堆栈(1a)、第二压电陶瓷堆栈(1b)结构相同，均由两片以上的压电陶瓷片按照电极极性正负负正的顺序堆叠而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷堆栈的微位移促动器，其特征在于：还包括外壳(7)，外壳(7)通过基座(6)上的限位槽进行固定连接，将压电陶瓷堆栈、刚性导向块(2)、柔性传力块(3)、复合传力块(4)包含在内，外壳(7)的顶部端面存在贯穿外壳内外的通孔，所述滑杆(5)经过该通孔，并且不与外壳(7)接触。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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