CN114884393A - 一种二自由度压电驱动器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种二自由度压电驱动器，包括：机座、运动轴、压电驱动组件，运动轴可转动和可移动地连接在机座上，压电驱动组件设于机座上，压电驱动组件均包括两组压电驱动单元，其中一组压电驱动单元用于对运动轴产生钳位运动，另一组压电驱动单元用于对运动轴产生驱动运动，通过对两组压电驱动单元的驱动电压的时序控制，运动轴在两组压电驱动单元的交替驱动和钳位作用下进行直线运动输出和旋转运动输出。

Description

一种二自由度压电驱动器

技术领域

本申请涉及压电驱动装置技术领域，特别涉及一种二自由度压电驱动器。

背景技术

压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应设计的可输出精密运动的新型驱动器，压电驱动器以其高精度、大行程、快速响应等优异性能，被广泛应用于众多领域。

传统的压电驱动器，例如压电电机，通常只能在单一方向上实现直线运动输出或者进行旋转运动，因此限制了压电驱动器的应用范围，尤其对于较为复杂的运动，很难进行推广应用。

发明内容

本申请的目的是提供一种二自由度压电驱动器，能够实现旋转和轴向的直线运动输出，进而提高其应用范围。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种二自由度压电驱动器，包括：机座、运动轴、压电驱动组件，所述运动轴可转动和可移动地连接在所述机座上，所述压电驱动组件设于所述机座上，所述压电驱动组件均包括两组压电驱动单元，其中一组所述压电驱动单元用于对所述运动轴产生钳位运动，另一组所述压电驱动单元用于对所述运动轴产生驱动运动，通过对两组所述压电驱动单元的驱动电压的时序控制，所述运动轴在两组所述压电驱动单元的交替驱动和钳位作用下进行直线运动输出和旋转运动输出。

优选地，包括两组结构相同且沿所述运动轴的轴向方向设置的所述压电驱动组件。

优选地，每组所述压电驱动单元包括两个分别位于所述运动轴两侧的二维压电陶瓷腿，每个所述二维压电陶瓷腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和一个横向剪切压电叠堆，属于同一组所述压电驱动组件，且位于所述运动轴同一侧但属于不同压电驱动单元的两个所述横向剪切压电叠堆，其中一个的剪切运动方向与所述运动轴的轴线相互平行，另一个的剪切运动方向与所述运动轴的轴线相互垂直。

优选地，其中一组所述压电驱动组件的所述纵向伸缩压电叠堆的伸缩方向与另外一组所述压电驱动组件的所述纵向伸缩压电叠堆的伸缩方向均垂直于所述运动轴的轴线且在空间内正交。

优选地，两组所述压电驱动组件均包括整体式柔性外壳，所述压电驱动单元设于相应的所述整体式柔性外壳内，所述整体式柔性外壳用于给所述压电驱动单元提供沿所述运动轴径向预紧力。

优选地，所述整体式柔性外壳包括外壳基体和板式柔性铰链，所述压电驱动单元设于所述板式柔性铰链的内侧，所述板式柔性铰链用于给所述压电驱动单元提供沿所述运动轴的径向的预紧力。

优选地，所述二维压电陶瓷腿还包括多片耐磨陶瓷片，所述纵向伸缩压电叠堆和所述横向剪切压电叠堆之间，以及所述纵向伸缩压电叠堆和所述横向剪切压电叠堆相互远离的一端均设有所述耐磨陶瓷片。

优选地，所述机座包括法兰、左转接环和右转接环，所述左转接环和所述右转接环内部设有用于支撑所述运动轴的直线轴承，所述左转接环连接在所述法兰的左侧，位于左端的压电驱动组件连接在所述左转接环上，所述右转接环连接在所述法兰的右侧，位于右端的所述压电驱动组件连接在所述右转接环上。

优选地，所述机座还包括左端盖和右端盖，所述左端盖罩设在位于左端的所述压电驱动组件上，所述右端盖罩设在位于右端的所述压电驱动组件上。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

1、相对于传统的单一自由度压电驱动器，二自由度压电驱动器的运动轴可同时实现直线运动和旋转运动输出；

2、采用两组压电驱动单元作为驱动部件，其旋转自由度可实现连续运动且无旋转行程限制，即旋转行程无限大；在运动轴有限尺寸约束条件下，相对于传统的直线压电驱动器，其直线运动自由度具有较大的运动行程；

3、二自由度压电驱动器在静态时，多个压电陶瓷腿可同时保持运动轴的钳位状态，在掉电状态下具有较高的保持力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请一种具体实施方式所提供的一种二自由度压电驱动器的结构示意图；

图2为二自由度压电驱动器的主视剖视图；

图3为二自由度压电驱动器的俯视剖视图；

图4为两组压电驱动组件和运动轴的结构示意图；

图5为压电驱动组件的结构示意图；

图6为压电驱动组件去除整体式柔性外壳后的结构示意图；

图7为压电陶瓷腿的结构示意图；

图8为二自由度压电驱动器的运动原理示意图；

图9为二自由度压电驱动器沿轴向直线运动一个步长的过程分解示意图；

图10为二自由度压电驱动器的转动运动一个步长的过程分解示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请一种具体实施方式所提供的一种二自由度压电驱动器的结构示意图。

本申请实施例所提供的一种二自由度压电驱动器，包括：机座、运动轴7、压电驱动组件，运动轴7可转动和可移动地连接在机座上，例如可以通过直线轴承5来承载并导向运动轴7，压电驱动组件设于机座上，压电驱动组件均包括两组压电驱动单元Ⅰ和Ⅱ，其中一组压电驱动单元用于对运动轴7产生钳位运动，另一组压电驱动单元用于对运动轴7产生驱动运动，通过对两组压电驱动单元的驱动电压的时序控制，运动轴7在两组压电驱动单元的交替驱动和钳位作用下进行直线运动输出和旋转运动输出，进而提高压电驱动器的运动稳定性和应用范围。其中可以设置两组压电驱动组件2A和2B，两组完全相同的压电驱动组件2A和2B沿运动轴7的轴向方向布置，且在空间内正交，以提高运动轴7的轴向直线运动和旋转运动的稳定性。

在一些实施例中，如图2、图3、图5和图6所示，每组压电驱动单元包括两个分别位于运动轴7两侧的二维压电陶瓷腿，其中压电驱动单元Ⅰ包括25和26两个二维压电陶瓷腿，压电驱动单元Ⅱ包括27和28两个二维压电陶瓷腿，四个压电陶瓷腿25、26、27和28优选通过环氧树脂结构胶与整体式外壳粘接为一体。如图7所示，每个二维压电陶瓷腿包括一个纵向伸缩压电叠堆q和一个横向剪切压电叠堆p，二维压电陶瓷腿还包括多片耐磨陶瓷片u、m、b，纵向伸缩压电叠堆q和横向剪切压电叠堆p之间，以及纵向伸缩压电叠堆q和横向剪切压电叠堆p相互远离的一端均设有耐磨陶瓷片，具体地耐磨陶瓷片u、横向剪切压电叠堆p、耐磨陶瓷片m、纵向伸缩压电叠堆q、耐磨陶瓷片b依次通过环氧树脂结构胶串联粘接在一起。属于同一组压电驱动组件，且位于运动轴7同一侧但属于不同压电驱动单元的两个横向剪切压电叠堆，其中一个的剪切运动方向与运动轴7的轴线相互平行，另一个的剪切运动方向与运动轴7的轴线相互垂直。其中一组压电驱动组件的纵向伸缩压电叠堆的伸缩方向与另外一组压电驱动组件的纵向伸缩压电叠堆的伸缩方向均垂直于运动轴7的轴线且在空间内正交。其中如图4、图5和图6所示，压电驱动组件2A的压电驱动单元Ⅰ中两个二维压电陶瓷腿25和26的纵向伸缩压电叠堆在驱动电压U₁₁的作用下可产生平行于Z向坐标轴的伸缩变形，压电驱动组件2A的压电驱动单元Ⅰ中两个二维压电陶瓷腿25和26的剪切压电叠堆在驱动电压U₁₂的作用下可产生平行于Y向坐标轴的剪切变形，压电驱动组件2A的压电驱动单元Ⅱ中两个二维压电陶瓷腿27和28的纵向伸缩压电叠堆在驱动电压U₂₁的作用下可产生平行于Z向坐标轴的伸缩变形，压电驱动组件2A的压电驱动单元Ⅱ中两个二维压电陶瓷腿27和28的剪切压电叠堆在驱动电压U₂₂的作用下可产生平行于X向坐标轴的剪切变形；压电驱动组件2B的压电驱动单元Ⅰ中两个二维压电陶瓷腿25和26的纵向伸缩压电叠堆在驱动电压U₁₁的作用下可产生平行于Y向坐标轴的伸缩变形，压电驱动组件2B的压电驱动单元Ⅰ中两个二维压电陶瓷腿25和26的剪切压电叠堆在驱动电压U₁₂的作用下可产生平行于Z向坐标轴的剪切变形，压电驱动组件2B的压电驱动单元Ⅱ中两个二维压电陶瓷腿27和28的纵向伸缩压电叠堆在驱动电压U₂₁的作用下可产生平行于Y向坐标轴的伸缩变形，压电驱动组件2A的压电驱动单元Ⅱ中两个二维压电陶瓷腿27和28的剪切压电叠堆在驱动电压U₂₂的作用下可产生平行于X向坐标轴的剪切变形。

在一些实施例中，如图4和图5所示，两组压电驱动组件均包括整体式柔性外壳，压电驱动单元设于相应的整体式柔性外壳内，整体式柔性外壳用于给压电驱动单元提供径向预紧力。其中整体式柔性外壳包括外壳基体和板式柔性铰链，压电驱动单元设于板式柔性铰链的内侧，板式柔性铰链用于给压电驱动单元提供朝向运动轴的径向预紧力，具体地整体式柔性外壳由外壳基体和四个板式柔性铰链21、22、23和24整体加工而成，其中21与22并联，23与24并联。

在一些实施例中，如图1所示，机座包括法兰4、左转接环3、右转接环6、左端盖1和右端盖8，左转接环3和右转接环6内部设有用于支撑运动轴7的直线轴承5，左转接环3连接在法兰4的左侧，位于左端的压电驱动组件2A连接在左转接环3上，右转接环6连接在法兰4的右侧，位于右端的压电驱动组件2B连接在右转接环6上，左端盖1罩设在位于左端的压电驱动组件2A上，右端盖8罩设在位于右端的压电驱动组件2B上，其中左转接环3和右转接环6通过多个螺栓10连接固定，同时与法兰4压紧连接；左端盖1和右端盖8分别与法兰4接触，并通过多个螺栓11与相应的左转接环3和右转接环6连接；压电驱动组件2A和2B通过多个螺栓9分别与左转接环3和右转接环6连接，压电驱动组件2A的四个纵向压电叠堆的伸缩变形方向与Z轴平行，压电驱动组件2B的四个纵向压电叠堆的伸缩变形方向与Y轴平行。

请参考图5和图6，二自由度压电驱动器静态时，压电驱动单元的Ⅰ和Ⅱ的二维压电陶瓷腿25、26、27和28在板式柔性铰链21、22、23和24的预紧作用下与运动轴7线接触并压紧运动轴7产生摩擦耦合作用，在运动轴7与八个压电陶瓷腿间的最大静摩擦力为压电驱动器的掉电保持力。板式柔性铰链21、22、23和24的变形产生的对运动轴7的预紧力F_N可由下式计算得出：

F_N＝K*(dr-L-2h)

式中，K为两个板式柔性铰链(21和22，23和24)并联后的变形刚度，dr为运动轴7的直径，h为压电陶瓷腿的高度，L为整体式柔性外壳加工后压电陶瓷腿粘胶位置的宽度。

请参考图5和图6，压电驱动器静态时，运动轴7与八个压电陶瓷腿间的最大静摩擦力为压电驱动器的掉电保持力F_hold，可由下式计算得出：

F_hold＝2*μ*F_N

式中，μ为运动轴7与压电陶瓷腿间的静摩擦系数。

请参考图8和图9，压电驱动器在X向直线运动时，压电驱动单元Ⅰ起到钳位作用，即保持运动轴7位置不动；压电驱动单元Ⅱ起到驱动作用，即驱动运动轴7沿X向实现直线运动输出。

初始时，压电驱动器静态，压电驱动单元Ⅰ和压电驱动单元Ⅱ无电压作用，运动轴7在静摩擦力作用下保持不动；

a、U₁₂、U₂₁保持零电压,通过U₁₁驱动压电驱动单元Ⅰ产生Z向伸长变形、同时通过U₂₂驱动压电驱动单元Ⅱ产生X-向的剪切变形，则压电驱动单元Ⅰ实现运动轴7的钳位、压电驱动单元Ⅱ与运动轴7不接触；

b、U₁₂保持零电压、U₁₁和U₂₂保持不变，通过U₂₁驱动压电驱动单元Ⅱ产生Z向伸长变形，此时压电驱动单元Ⅰ和压电驱动单元Ⅱ同时实现运动轴7的钳位；

c、U₁₂保持零电压，U₂₁和U₂₂保持不变，通过U₁₁驱动压电驱动单元Ⅰ产生Z向缩短变形，此时压电驱动单元Ⅰ与运动轴7不接触，压电驱动单元Ⅱ实现运动轴7的钳位；

d、U₁₂保持零电压，U₁₁和U₂₁保持不变，通过U₂₂驱动压电驱动单元Ⅱ产生由X-向X+的剪切变形，此过程压电驱动单元Ⅰ与运动轴7不接触，压电驱动单元Ⅱ在摩擦力的作用下带动运动轴7向X+运动1个步长ΔRX；

e、U₁₂保持零电压、U₂₁和U₂₂保持不变，通过U₁₁驱动压电驱动单元Ⅰ产生Z向伸长变形，此时压电驱动单元Ⅰ和压电驱动单元Ⅱ同时实现运动轴7的钳位；

f、U₁₂保持零电压、U₁₁和U₂₂保持不变，通过U₂₁驱动压电驱动单元Ⅱ产生Z向缩短变形，此时驱动压电驱动单元Ⅰ实现运动轴7的钳位，压电驱动单元Ⅱ与运动轴6不接触。

如图8和图9，二自由度压电驱动器在完成a-b-c-d-e-f-a过程后，其运动轴7向X+向运动了一个步长Δl；

如图8和图9，循环重复a-b-c-d-e-f-a过程，二自由度压电驱动器即可实现在X+向的连续直线运动输出。

如图8和图9，循环重复f-e-d-c-b-f过程，可实现二自由度压电驱动器在X-向的的连续直线运动输出。

请参考图8和图10，压电驱动器在绕X轴旋转步进运动时，驱动单元Ⅱ起到钳位作用，即保持运动轴7位置不动；驱动单元Ⅰ起到驱动作用，即驱动运动轴7在绕X轴步进旋转。

请参考图8和图10，压电驱动器绕X轴旋转步进运动的过程如下：

初始时，压电驱动器静态，压电驱动单元Ⅰ和压电驱动单元Ⅱ无电压作用，运动轴7在静摩擦力作用下保持不动；

A、U₁₁和U₂₂保持零电压,通过U₂₁驱动压电驱动单元Ⅱ产生Z向伸长变形、同时通过U₁₂驱动压电驱动单元Ⅰ产生Y向的剪切变形，则压电驱动单元Ⅱ实现运动轴7的钳位、压电驱动单元Ⅰ与运动轴7不接触；

B、U₂₂保持零电压、U₁₂和U₂₁保持不变，通过U₁₁驱动压电驱动单元Ⅰ产生Z向伸长变形，此时压电驱动单元Ⅰ和压电驱动单元Ⅱ同时实现运动轴7的钳位；

C、U₂₂保持零电压，U₁₁和U₁₂保持不变，通过U₂₁驱动压电驱动单元Ⅱ产生Z向缩短变形，则压电驱动单元Ⅰ实现运动轴7的钳位，压电驱动单元Ⅱ与运动轴7不接触；

D、U₂₂保持零电压，U₁₁和U₂₁保持不变，通过U₁₂驱动压电驱动单元Ⅰ产生Y向的剪切变形，变形量为ΔL，则压电驱动单元Ⅰ在摩擦力的作用下带动运动轴7绕X轴旋转一个步距角度ΔRX，压电驱动单元Ⅱ与运动轴7不接触；

E、U₂₂保持零电压、U₁₁和U₁₂保持不变，通过U₂₁驱动压电驱动单元Ⅱ产生Z向伸长变形，此时压电驱动单元Ⅰ和压电驱动单元Ⅱ同时实现运动轴7的钳位；

F、U₂₂保持零电压、U₁₂和U₂₁保持不变，通过U₁₁驱动压电驱动单元Ⅰ产生Z向缩短变形，此时压电驱动单元Ⅰ与运动轴7不接触，驱动压电驱动单元Ⅱ实现运动轴7的钳位。

请参考图8和图10，二自由度精密压电驱动器在完成上述A-B-C-D-E-F-A过程后，其运动轴7绕X轴旋转了一个步距角度ΔRX,步距角与压电驱动单元Ⅰ沿Y向的剪切变形量关系如下：

式中，dr为运动轴7的直径。

请参考图8和图10，循环重复A-B-C-D-E-F-A过程，二自由度压电驱动器即可实现绕X轴的连续正向旋转运动输出。

请参考图8和图10，循环重复F-E-D-C-B-A-F过程，二自由度压电驱动器即可实现绕X轴的连续负向旋转运动输出。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的一种二自由度压电驱动器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种二自由度压电驱动器，其特征在于，包括：机座、运动轴、压电驱动组件，所述运动轴可转动和可移动地连接在所述机座上，所述压电驱动组件设于所述机座上，所述压电驱动组件均包括两组压电驱动单元，其中一组所述压电驱动单元用于对所述运动轴产生钳位运动，另一组所述压电驱动单元用于对所述运动轴产生驱动运动，通过对两组所述压电驱动单元的驱动电压的时序控制，所述运动轴在两组所述压电驱动单元的交替驱动和钳位作用下进行直线运动输出和旋转运动输出。

2.根据权利要求1所述的二自由度压电驱动器，其特征在于，包括两组结构相同且沿所述运动轴的轴向方向设置的所述压电驱动组件。

3.根据权利要求2所述的二自由度压电驱动器，其特征在于，每组所述压电驱动单元包括两个分别位于所述运动轴两侧的二维压电陶瓷腿，每个所述二维压电陶瓷腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和一个横向剪切压电叠堆，属于同一组所述压电驱动组件，且位于所述运动轴同一侧但属于不同所述压电驱动单元的两个所述横向剪切压电叠堆，其中一个的剪切运动方向与所述运动轴的轴线相互平行，另一个的剪切运动方向与所述运动轴的轴线相互垂直。

4.根据权利要求3所述的二自由度压电驱动器，其特征在于，其中一组所述压电驱动组件的所述纵向伸缩压电叠堆的伸缩方向与另外一组所述压电驱动组件的所述纵向伸缩压电叠堆的伸缩方向均垂直于所述运动轴的轴线且在空间内正交。

5.根据权利要求2所述的二自由度压电驱动器，其特征在于，两组所述压电驱动组件均包括整体式柔性外壳，所述压电驱动单元设于相应的所述整体式柔性外壳内，所述整体式柔性外壳包括外壳基体和板式柔性铰链，所述压电驱动单元设于所述板式柔性铰链的内侧，所述板式柔性铰链用于给所述压电驱动单元提供沿所述运动轴径向的预紧力。

6.根据权利要求3所述的二自由度压电驱动器，其特征在于，所述二维压电陶瓷腿还包括多片耐磨陶瓷片，所述纵向伸缩压电叠堆和所述横向剪切压电叠堆之间，以及所述纵向伸缩压电叠堆和所述横向剪切压电叠堆相互远离的一端均设有所述耐磨陶瓷片。

7.根据权利要求2至6任一项所述的二自由度压电驱动器，其特征在于，所述机座包括法兰、左转接环和右转接环，所述左转接环和所述右转接环内部设有用于支撑所述运动轴的直线轴承，所述左转接环连接在所述法兰的左侧，位于左端的压电驱动组件连接在所述左转接环上，所述右转接环连接在所述法兰的右侧，位于右端的所述压电驱动组件连接在所述右转接环上。

8.根据权利要求2至6任一项所述的二自由度压电驱动器，其特征在于，所述机座还包括左端盖和右端盖，所述左端盖罩设在位于左端的所述压电驱动组件上，所述右端盖罩设在位于右端的所述压电驱动组件上。

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