CN114977878A - 一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，固定板和输出杆相对设置；杆件的两端分别铰接在固定板和输出杆上；预紧块固定在输出杆的内侧，预紧前，将叠堆式压电陶瓷驱动器设置在固定板和预紧块之间；弹性簧片型柔顺组件设置在固定板和输出杆之间，杆件和弹性簧片型柔顺组件的中心面均垂直于输出杆和固定板的上下端面，弹性簧片型柔顺组件的一端固定在输出杆上，当预紧叠堆式压电陶瓷驱动器时，所述预紧调节件与所述弹性簧片型柔顺组件的另一端配合以向叠堆式压电陶瓷驱动器施加预紧力。本发明能够方便、可靠地安装叠堆式压电陶瓷驱动器，使弹性簧片预紧的叠堆式压电陶瓷驱动器能够对其内部得叠堆式压电陶瓷驱动器施加预紧力。
Description
技术领域
本发明涉及微纳操作、微纳测量以及微纳加工等领域，尤其涉及一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置。
背景技术
精密定位技术作为精密制造的核心技术，被广泛地应用于微机电系统、微电子、超精密加工、细胞操纵等各种领域中。压电陶瓷驱动器作为新型的微位移器件，具有体积小、输出力大、精度高、分辨率高和快速响应等优点，被大量地应用为精密定位平台的驱动器。现在市面出售的压电陶瓷驱动器按其包装分为封装和未封装两大类。未封装的压电陶瓷驱动器，即裸压电叠堆驱动器，价格相对便宜，可以承受很大的正压力，但在承受剪切力时极易折断。为了避免在使用过程中动态载荷对叠堆式压电陶瓷驱动器的损坏，需要对裸压电叠堆驱动器施加预紧力。
在应用叠堆式压电陶瓷驱动器时，一般要求一端固定在基座上，另一端衔接固定在被驱动件上，带动其位移输出端自由伸长与收缩，其固定安装的方式对平台的性能具有很大的影响。经过对现有技术文献检索发现，目前常见固定方式通常为粘贴固定，与被驱动件的装配不灵活，不方便以后的调整维修，还存在连接部分受力不平衡等缺点。而后有改进的楔块预紧机构，中国实用新型专利CN211343582U提出一种楔块预紧机构，包括平台、压电陶瓷本体、U形基座、主动楔块和从动楔块，其主动楔块和从动楔块的楔形面滑动连接，从动楔块的上端开设有圆孔，圆孔的内部设置有调节机构，通过旋转螺纹调杆推动主动楔块运动，进而推动与之相接触的从动楔块运动以实现叠堆式压电陶瓷驱动器的预紧，调整及维护简便，但结构较为复杂。相较于楔块预紧机构，弹性体预紧机构有可一体化加工，安装拆卸方便的优点；中国专利CN101232258B提出一种“∏”形的柔性封装结构，其在压电叠堆腔体的底部安装上预紧螺母，螺母端面紧抵压电叠堆驱动器端面，并施加一定的预紧力。压电叠堆腔体的上端面加工出四个安装孔用于固定被驱动构件，在封装结构上开出安装孔以便于驱动器的安装，但封装结构占用空间大，不适用于空间有限的场合，且其预紧螺母的端面和压电叠堆驱动器的端面直接接触，容易损坏驱动器；中国发明专利CN104241516A通过弹性框架及预紧螺母安装压电叠堆驱动器，结构紧凑，占用空间小。但以上弹性体预紧机构都存在预紧螺母的端面和压电叠堆驱动器的端面直接接触的问题，预紧过程中会对压电叠堆驱动器产生扭矩，造成陶瓷的损坏。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，具有结构设计新颖，成本低廉，安装方便且功能可靠的特点，实现对裸压电叠堆驱动器的预紧，满足精密定位场合驱动端高精度、高分辨率、高稳定性的位移输出要求。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，包括固定板、输出杆、杆件、预紧块、弹性簧片型柔顺组件和预紧调节件，
固定板和输出杆相对设置；
杆件的两端分别铰接在固定板和输出杆上；
预紧块固定在输出杆的内侧，预紧前，将叠堆式压电陶瓷驱动器设置在固定板和预紧块之间；
弹性簧片型柔顺组件设置在固定板和输出杆之间，杆件和弹性簧片型柔顺组件的中心面均垂直于输出杆和固定板的上下端面，弹性簧片型柔顺组件的一端固定在输出杆上，当预紧叠堆式压电陶瓷驱动器时，所述预紧调节件与所述弹性簧片型柔顺组件的另一端配合以向叠堆式压电陶瓷驱动器施加预紧力。
对本发明的进一步改进，预紧块下表面与固定板之间的距离大于待预紧的叠堆式压电陶瓷驱动器的高度。如此设置，可以便于装入叠堆式压电陶瓷驱动器7，避免在将叠堆式压电陶瓷驱动器7安装入腔体时，受到过多剪切方向的力，造成陶瓷的损坏。
对本发明的进一步改进，还包括上柔顺铰链和下柔顺铰链，杆件的两端分别通过下柔顺铰链和上柔顺铰链与固定板和输出杆铰接。
对本发明的进一步改进，所述柔性铰链为缺口型柔性铰链或直梁型柔性铰链或交错铰链。
对本发明的进一步改进，预紧块粘接固定在输出杆的内侧。
对本发明的进一步改进，被驱动件固定在输出杆上。被驱动件可以一体成型设置在输出杆上，也可以通过紧固件固定在输出杆上。
对本发明的进一步改进，所述预紧调节件为螺钉。
对本发明的进一步改进，所述弹性簧片型柔顺组件包括调节块和弹性件，弹性件的一端与输出杆固定连接，另一端与调节块固定连接，预紧前，调节块与固定板之间留有间隙，固定板上开设有内螺纹，预紧调节件上开设有与所述内螺纹相配合的外螺纹。预紧调节件能够安装在固定板的内螺纹孔中，通过贯穿固定板的内螺纹通孔连接到弹性簧片型柔顺模块调节块上的内螺纹孔，旋动预紧调节件，至两者中间的间隙减少，施加预紧力。
对本发明的进一步改进，所述弹性簧片型柔顺组件中的弹性件包括至少一个方波形或波纹簧片形或三角波形弹性元件。
对本发明的进一步改进，所述固定板的截面呈阶梯状，包括第一阶梯和第二阶梯，第二阶梯的厚度大于第一阶梯，所述内螺纹贯穿开设在第一阶梯内。
相对于现有技术，本发明至少能够实现以下有益效果：
本发明所提供的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置能够方便、可靠地安装叠堆式压电陶瓷驱动器，使弹性簧片型预紧装置能够对叠堆式压电陶瓷驱动器施加预紧力。叠堆式压电陶瓷驱动器利用该装置预紧，结构紧凑，占用面积小，易于连接到支座和被驱动器上，满足了精密定位、高精度纳米驱动、精密加工、精密测量及微机电系统等相关领域对叠堆式压电陶瓷驱动器预紧装置的需要。
附图说明
为了更清楚地说明发明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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1为本发明实施例中提供的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置结构示意图(图中未示出预紧块)。
图2是本发明实施例中在所述装置上设置叠堆式压电陶瓷驱动器并进行预紧时的结构示意图。
图3为本发明实施例中方波形弹性组件示意图。
图4为本发明实施例中波纹簧片形弹性组件示意图。
图5为本发明实施例中三角波形弹性组件示意图。
图中：1是固定板；2是下柔顺铰链；3是杆件；4是上柔顺铰链；5是输出杆；6是预紧块；7是叠堆式压电陶瓷驱动器；8是弹性簧片型柔顺组件；9是预紧调节件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都是本发明保护的范围。
请参阅图1-图5，本发明提供的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，包括固定块1、输出杆5、预紧块6、弹性簧片型柔顺组件8和预紧调节件9。
请参阅图1和图2，输出杆5和固定板1的上下两端面相互平行，将输出杆5和固定板1之间的空间定义为腔体，杆件3设置在腔体左侧，杆件3的两端分别通过下柔顺铰链2和上柔顺铰链4与固定板1和输出杆5铰接，弹性簧片型柔顺组件8位于腔体右侧，且位于腔体左侧的杆件3和位于右侧的弹性簧片型柔顺组件8的中心面均垂直于输出杆5和固定板的上下端面，预紧块60固定在输出杆5的内侧，预紧前，将叠堆式压电陶瓷驱动器7设置在固定板1和预紧块60之间；弹性簧片型柔顺组件8设置在固定板1和输出杆5之间，弹性簧片型柔顺组件8的一端固定在输出杆5上，当预紧叠堆式压电陶瓷驱动器时，所述预紧调节件9与所述弹性簧片型柔顺组件8的另一端配合以向叠堆式压电陶瓷驱动器7施加预紧力。
在本发明的其中一些实施例中，柔性铰链为缺口型柔性铰链或直梁型柔性铰链或交错铰链。
弹性簧片型柔顺组件8包括调节块和弹性件弹性件的一端与输出杆5固定连接，另一端与调节块固定连接，预紧前，调节块与固定板1之间留有间隙，固定板1上开设有内螺纹，预紧调节件9上开设有与所述内螺纹相配合的外螺纹，在本发明的其中一些实施例中，弹性件包括至少一个方波形弹性元件，在其他实施例中，弹性件包括至少一个波纹簧片形弹性元件，在另一其他实施例中，弹性件包括至少三角波形弹性元件。每个弹性元件中心对称，厚度为d，总长度为l1，水平宽度为l2。
在本发明的其中一些实施例中，所述预紧调节件9为螺钉。
在本发明的其中一些实施例中，固定板1的截面呈阶梯状，包括第一阶梯和第二阶梯，第二阶梯的厚度大于第一阶梯，所述内螺纹贯穿开设在第一阶梯内，
弹性簧片型柔顺组件8下端的调节块含内螺纹孔，固定板1右下方的第一阶梯含与所述内螺纹孔同轴线的贯穿该固定板1的内螺纹通孔，且固定板1和调节块之间留有间隙。
所述叠堆式压电陶瓷驱动器7设置在腔体内部预紧块6的下方，预紧块6为软材料块，设置在腔体内部上侧，置于压电陶瓷驱动器7和输出杆5之间，输出杆5下端面与预紧块6的上端面固定连接，在应用预紧装置时，预紧块6的下端面与叠堆式压电陶瓷驱动器7的上端面接触并压紧，叠堆式压电陶瓷驱动器7的下端面与固定板1的上端面接触并压紧，以对叠堆式压电陶瓷驱动器7施加预紧力。但在应用预紧装置前，预紧块6与叠堆式压电陶瓷驱动器7之间留有少量间隙，以避免在将叠堆式压电陶瓷驱动器7安装入腔体时，受到过多剪切方向的力，造成陶瓷的损坏。在应用预紧装置时，置于压电陶瓷驱动器7和输出杆5之间的预紧块6可避免输出杆5绕柔顺铰链转动时，挤压叠堆式压电陶瓷驱动器7临界边缘，造成陶瓷的损坏。预紧调节件9能安装在固定块1的内螺纹孔中，并且贯穿固定块1上的内螺纹通孔，然后连接到弹性簧片型柔顺组件8下端的调节块内的螺纹孔。
叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片预紧装置的装配实施方式：从装置的前边或后边将预紧块6和叠堆式压电陶瓷驱动器7从上到下依次放置于弹性框架的腔体中，且预紧块6的上端面用胶液粘固于输出杆5的内侧面。预紧调节件9拧入到固定板1上的内螺纹通孔中，并连接到弹性簧片型柔性模块8下端调节块内的螺纹孔。当预紧调节件9拧至两者中间的间隙刚好减少时，再继续向上拧动预紧调节件9，弹性簧片型柔顺组件8将对叠堆式压电陶瓷驱动器7产生预紧力。每向上拧动一圈螺纹，固定板1和弹性簧片型柔性模块8间的间隙减少，预紧力增加。对叠堆式压电陶瓷驱动器7施加一定的预紧力后，叠堆式压电陶瓷驱动器7的弹性簧片预紧装置装配完成。
叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片预紧装置的应用实施方式：根据应用场景在固定板上添置紧固孔，通过固定板上的紧固孔将预紧装置紧固在支座上。根据应用场景，将被驱动件固定在输出杆5上(以在输出杆5的任意位置为被驱动件的输入端，设计一体化加工的被驱动件，或添置紧固孔，通过输出杆5上的紧固孔将被驱动件紧固在输出杆5上)。给叠堆式压电陶瓷驱动器7施加驱动电压，根据逆压电效应，叠堆式压电陶瓷驱动器7沿轴向伸长，带动弹性簧片型柔性模块8沿轴向伸长，杆件3和输出杆5绕上下柔顺铰链转动，最终使输出杆5带动被驱动件沿叠堆式压电陶瓷驱动器7伸长方向运动。杆件3、输出杆5与上下的柔顺铰链共同组成杠杆式放大机构，具有位移放大作用，位移放大比大于1。设计被驱动件或添置紧固孔时，可通过被驱动件位于输出杆5的位置计算输出位移放大比，调整放大位移。
叠堆式压电陶瓷驱动器7的装配是通过上下两端面被压紧来实现的，在调整维修叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片预紧装置时，向下拧动预紧调节件至预紧装置回复应用预紧前状态，即可对叠堆式压电陶瓷驱动器7进行拆卸、更换、安装等操作。在实施预紧装置的装配时，预紧调节件安装在固定板1上的内螺纹通孔中，连接到弹性簧片型柔性模块8上的内螺纹孔，通过消除固定板1与弹性簧片型柔性模块8调节块之间的间隙的方式，间接对叠堆式压电陶瓷驱动器7施加预紧力，避免预紧调节件9的端面和压电叠堆驱动器的端面直接接触，拧动预紧调节件9施加预紧力时对压电叠堆驱动器产生扭矩，造成陶瓷的损坏。
通过本发明实施例提供的预紧装置，能够方便、可靠地安装叠堆式压电陶瓷驱动器，使弹性簧片型预紧装置能够对叠堆式压电陶瓷驱动器施加预紧力。且预紧调节件不与压电叠堆驱动器的端面直接接触，避免了对叠堆式压电陶瓷驱动器的损坏。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，包括固定板(1)、输出杆(5)、杆件(3)、预紧块(60)、弹性簧片型柔顺组件(8)和预紧调节件(9)，
固定板(1)和输出杆(5)相对设置；
杆件(3)的两端分别铰接在固定板(1)和输出杆(5)上；
预紧块(6)固定在输出杆(5)的内侧，预紧前，将叠堆式压电陶瓷驱动器(7)设置在固定板(1)和预紧块(6)之间；
弹性簧片型柔顺组件(8)设置在固定板(1)和输出杆(5)之间，弹性簧片型柔顺组件(8)的一端固定在输出杆(5)上，当预紧叠堆式压电陶瓷驱动器时，所述预紧调节件(9)与所述弹性簧片型柔顺组件(8)的另一端配合以向叠堆式压电陶瓷驱动器(7)施加预紧力。
2.根据权利要求1所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，预紧块(6)下表面与固定板(1)之间的距离大于待预紧的叠堆式压电陶瓷驱动器的高度。
3.根据权利要求1所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，还包括上柔顺铰链(4)和下柔顺铰链(2)，杆件(3)的两端分别通过下柔顺铰链(2)和上柔顺铰链(4)与固定板(1)和输出杆(5)铰接。
4.根据权利要求3所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，所述柔性铰链为缺口型柔性铰链或直梁型柔性铰链或交错铰链。
5.根据权利要求1所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，预紧块(6)粘接固定在输出杆(5)的内侧。
6.根据权利要求1所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，被驱动件固定在输出杆(5)上。
7.根据权利要求1所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，所述预紧调节件(9)为螺钉。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，所述弹性簧片型柔顺组件(8)包括调节块和弹性件，弹性件的一端与输出杆(5)固定连接，另一端与调节块固定连接，固定板(1)上开设有内螺纹，预紧调节件(9)上开设有与所述内螺纹相配合的外螺纹，预紧前，调节块与固定板(1)之间留有间隙。
9.根据权利要求8所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，所述弹性簧片型柔顺组件(8)中的弹性件包括至少一个方波形或波纹簧片形或三角波形弹性元件。
10.根据权利要求8所述的一种叠堆式压电陶瓷驱动器的弹性簧片型预紧装置，其特征在于，所述固定板(1)的截面呈阶梯状，包括第一阶梯和第二阶梯，第二阶梯的厚度大于第一阶梯，所述内螺纹贯穿开设在第一阶梯内。
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