CN115001309A - 一种平面压电驱动器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种平面压电驱动器，包括：驱动部件、运动部件、预紧部件、支撑部件；运动部件位于驱动部件的驱动末端，预紧部件用于对运动部件施加朝向驱动部件的预紧力；支撑部件用于支撑驱动组件；驱动部件包括两组压电单元，两组压电单元均包括多个压电陶瓷腿，其中每个压电陶瓷支腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和两个剪切变形方向在空间内正交的横向剪切压电叠堆。在平面压电驱动器运动时，其中一组压电单元用于对运动部件产生钳位运动，另外一组压电单元用于对运动部件产生驱动运动，两组压电单元在电压时序控制下，以控制运动部件在平面内移动，进而提高其应用范围。

Description

一种平面压电驱动器

技术领域

本申请涉及压电驱动装置技术领域，特别涉及一种平面压电驱动器。

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紧密运动的驱动器，压电驱动器以其高精度、大行程、快速响应等优异性能，被广泛应用于航空航天、微机电系统及纳机电系统、生物医药工程、微纳米光刻和半导体制造及自适应光学等领域。

传统的压电驱动器通常只能在单一方向上实现直线运动输出，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平面压电驱动器，能够实现平面内任意方向的运动，从而提高其应用范围。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种平面压电驱动器，包括：驱动部件、运动部件、预紧部件、支撑部件；所述运动部件位于所述驱动部件的驱动末端，所述预紧部件用于对所述运动部件施加朝向所述驱动部件的预紧力；所述支撑部件用于支撑所述驱动组件；所述驱动部件包括两组压电单元，两组所述压电单元均包括多个压电陶瓷腿，每个所述压电陶瓷支腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和两个剪切变形方向在空间内正交的横向剪切压电叠堆；在平面压电驱动器运动时，其中一组所述压电单元用于对所述运动部件产生钳位运动，另外一组所述压电单元用于对所述运动部件产生驱动运动，两组所述压电单元在电压时序控制下，以控制所述运动部件在平面内移动。

优选地，多个所述压电陶瓷腿沿圆周方向均匀分布，其中一组所述压电单元的相邻的两个所述压电陶瓷腿之间设有一个另外一组所述压电单元的所述压电陶瓷腿。

优选地，所述压电陶瓷支腿还包括位于其末端的耐磨陶瓷薄片，所述耐磨陶瓷薄片与所述运动部件下表面接触。

优选地，所述预紧部件包括压板、螺钉和碟簧，所述压板位于所述运动部件上方，所述压板下方设有滚动部，所述滚动部与所述运动部件的上表面接触；所述支撑部件的中部设有通孔，所述螺钉从所述通孔向上穿出，且与所述压板连接，所述螺钉用于将所述碟簧压紧在所述支撑部件底部。

优选地，所述滚动部为滚珠，所述压板下方设有用于容纳所述滚珠的凹槽。

优选地，所述压板下方设有多个沿圆周方向均匀分布的所述滚珠。

优选地，所述支撑部件的底部设有用于容纳所述螺钉的头部和所述碟簧的凹腔。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本申请所提供的一种平面压电驱动器，包括：驱动部件、运动部件、预紧部件、支撑部件；运动部件位于驱动部件的驱动末端，预紧部件用于对运动部件施加朝向驱动部件的预紧力；支撑部件用于支撑驱动组件；驱动部件包括两组压电单元，两组压电单元均包括多个压电陶瓷腿，其中每个压电陶瓷支腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和两个剪切变形方向在空间内正交的横向剪切压电叠堆，纵向伸缩压电叠堆可在电压作用下产生纵向的伸长和收缩变形，横向剪切压电叠堆可在电压的作用下产生横向剪切变形。在平面压电驱动器运动时，其中一组压电单元用于对运动部件产生钳位运动，另外一组压电单元用于对运动部件产生驱动运动，两组压电单元在电压时序控制下，以控制运动部件在平面内移动，进而提高其应用范围。

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为平面压电驱动器的结构示意图；

图2为平面压电驱动器的剖视结构示意图；

图3为平面压电驱动器去除预紧部件的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为平面压电驱动器的六个压电陶瓷腿的分布图；

图6为压电陶瓷腿的结构示意图；

图7为平面压电驱动器在R_θ方向上的运动原理示意图；

图8为平面压电驱动器在R_θ方向上的运动结构示意图；

图9为平面压电驱动器在R_θ方向上的运动过程示意图。

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，本申请实施例所提供的一种平面压电驱动器，包括：驱动部件、运动部件6、预紧部件、支撑部件4，运动部件6位于驱动部件的驱动末端，预紧部件用于对运动部件6施加朝向驱动部件的预紧力，通过预紧部件可以提高驱动器的整体刚度；支撑部件4用于支撑驱动组件。其中驱动部件包括两组压电单元，在平面压电驱动器运动时，其中一组压电单元用于对运动部件产生钳位运动，另一组压电单元用于对运动部件产生驱动运动，每组压电单元均包括多个压电陶瓷腿，其中每个压电陶瓷支腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和两个剪切变形方向在空间内正交的横向剪切压电叠堆，纵向伸缩压电叠堆可在电压作用下产生纵向的伸长和收缩变形，横向剪切压电叠堆可在电压的作用下产生横向剪切变形。驱动部件在预紧部件的预紧作用下，通过摩擦耦合驱动运动部件6在平面内任意方向的步进运动输出，进而提高其应用范围。

在一些实施例中，多个压电陶瓷腿沿圆周方向均匀分布，其中一组压电单元的相邻的两个压电陶瓷腿之间设有一个另外一组压电单元的压电陶瓷腿。如图3和图4所示，四个压电陶瓷腿5A、5B、5C、5D位于支撑部件4的上方，且分别位于正方形的四个角处，对角线的两个压电陶瓷腿为一组压电单元，例如压电陶瓷腿5A和5C形成压电单元Ⅰ，由电压U_1j(j＝1,2,3)驱动，压电陶瓷5B和5D形成压电单元Ⅱ，由电压U_2j(j＝1,2,3)驱动；如图5所示，六个压电陶瓷腿分别位于正六边形的六个角处，位于正三角形的三个压电陶瓷腿为一组压电单元。

在一些实施例中，各压电陶瓷支腿还包括位于其末端的耐磨陶瓷薄片t，耐磨陶瓷薄片t与运动部件6下表面接触，如图3所示，压电陶瓷腿5A包括纵向伸缩压电叠堆5A-b、横向剪切压电叠堆5A-n、横向剪切压电叠堆5A-m和耐磨陶瓷薄片5A-t，其中耐磨陶瓷薄片t、纵向伸缩压电叠堆b和两个横向剪切压电叠堆m、n之间可以通过环氧树脂结构串联粘贴而成，压电陶瓷支腿具有三个平移自由度且可在小体积空间实现较大的推力输出，通过耐磨陶瓷薄片可以提高压电陶瓷支腿的耐磨性、进而保证压电陶瓷支腿的抗磨损能力。

在压电陶瓷腿局部坐标系(O-x₀y₀z₀)中，上述纵向伸缩压电叠堆b在驱动电压U_i1(i＝1,2)的驱动下产生平行于z₀向坐标轴的伸缩变形，用Δz₀表示；横向剪切压电叠堆n在驱动电压U_i2(i＝1,2)的驱动下产生平行于x₀向坐标轴的剪切变形，用Δx₀表示；横向剪切压电叠堆m在驱动电压U_i3(i＝1,2)的驱动下产生平行于y₀向坐标轴的剪切变形，用Δy₀表示；忽略压电叠堆的迟滞特性，认为压电叠堆变形量与电压间为线性关系，则有：

式中，K₃₃为纵向伸缩压电叠堆b的电压变形系数，K₁₅为横向剪切压电叠堆n和m的电压变形系数；V₂为横向剪切压电叠堆n的额定驱动电压,V₃为横向剪切压电叠堆m的额定驱动电压，V₂＝V₃；i＝1,2。

其中压电陶瓷腿末端在三个一维压电叠堆的组合变形作用下可实现x₀、y₀和z₀三个自由度方向的平移运动且三个平移运动方向相互正交，压电陶瓷腿末端位置的可达空间可用集合{P}表示:

{P}＝{z|z∈[0，Δz_0max]}∩{y|y∈[-Δy_0min，Δy_0max]}∩{x|x∈[-Δx_0min，Δx_0max]}

其中压电陶瓷腿的局部坐标系O-x₀y₀z₀与新型平面压电驱动器的整体坐标系O-XYZ在空间内方位一致，即空间内坐标轴x₀、y₀和z₀分别平行于坐标轴X、Y和Z。

在一些实施例中，预紧部件包括压板7、螺钉1和碟簧3，压板7位于运动部件6上方，压板7下方设有滚动部，滚动部与运动部件6的上表面接触，运动部件6优选为运动平台，运动平台的中部设有供螺钉1穿出的孔位，滚动部优选为滚珠8，压板7下方设有用于容纳滚珠8的凹槽，具体地，压板7下方设有多个沿圆周方向均匀分布的滚珠8；支撑部件4主要起到支撑作用，其具体结构可以根据需要进行选择，例如可以为圆盘型底座结构，支撑部件4的中部设有通孔，支撑部件4的底部设有用于容纳螺钉1的头部和碟簧3的凹腔，螺钉1从通孔向上穿出，且与压板7连接，以将碟簧3压紧在支撑部件4底部，其中螺钉1的头部和碟簧3之间设有平垫片2，通过碟簧3可以对压板7施加向下的压力，进而保证运动部件6的平稳移动。其中如图2所示，预紧螺钉1与预紧压板7连接紧固后，压缩碟簧3在Z向产生变形δh，进而产生预紧力，用F_N表示，可由下式计算得出：

F_N＝K*δh

式中，K为碟簧3的压缩刚度。

其中预紧力F_N通过预紧压板7和周向分布的多个滚珠8将运动轴6压向压电陶瓷腿顶端所处的平面Ⅰ，在运动轴6下表面产生摩擦耦合作用，运动轴6下表面与平面Ⅰ间的最大静摩擦力可表示为

f_max＝μ*F_N

式中,μ为运动轴6下表面与平面Ⅰ间的静摩擦系数。

请参考图3和图4，驱动器在动态运动时，压电单元Ⅰ的两个陶瓷腿5A和5C的两个耐磨陶瓷薄片上面组成的平面Ⅱ与压电单元Ⅱ的两个陶瓷腿5B和5D的两个耐磨陶瓷薄片上面组成的平面Ⅲ不再共面，平面Ⅱ和平面Ⅲ与运动轴6下表面交替接触，驱动运动轴6在平面XY内的任意方向输出连续且精密的步进运动。

请参考图7和图8，平面驱动器在XY平面内沿R_θ方向步进运动，方向R_θ与X轴夹角为θ；此时压电陶瓷腿末端的自由度简化为平行于Z向的纵向伸缩压电叠堆的伸缩变形和平行于R_θ向的剪切变形的叠加，其中R_θ向的剪切变形由横向剪切压电叠堆n的沿平行于X向的剪切变形和横向剪切压电叠堆m的沿平行于Y向的剪切变形耦合产生，沿R_θ方向的剪切变形量ΔR_θ可由下式计算：

特别地，当k＝0时，R_θ与X+重合；当k＝1时，R_θ与Y+重合；当k＝2时，R_θ与X-重合；当k＝3时，R_θ与Y-重合。

为了便于理解上述实施例的平面压电驱动器的工作原理，下面以平面压电驱动器在R_θ+方向的步进运动为例进行说明，如图7、图8和图9所示，其中R_θ+方向如图7所示，压电单元Ⅰ的纵向伸缩压电叠堆的驱动电压为U₁₁，压电单元Ⅰ中部的横向剪切压电叠堆的驱动电压为U₁₂，压电单元Ⅰ中另一个横向剪切压电叠堆的驱动电压为U₁₃；压电单元Ⅱ的纵向伸缩压电叠堆的驱动电压为U₂₁，压电单元Ⅱ中部的横向剪切压电叠堆的驱动电压为U₂₂压电单元Ⅱ中另一个横向剪切压电叠堆的驱动电压为U₂₃，图9为平面压电驱动器在R_θ+方向的步进运动过程示意图。

a、U₂₁保持零电压，通过U₁₁、U₁₂和U₁₃驱动压电单元Ⅰ产生Z-向伸长变形和R_θ-向的剪切变形、同时通过U₂₂和U₂₃驱动压电单元Ⅱ产生R_θ+向的剪切变形，则压电单元Ⅰ实现运动平台的钳位、压电单元Ⅱ与运动平台不接触；

b、U₂₁保持零电压、U₁₁保持不变，通过U₁₂和U₁₃驱动压电单元Ⅰ产生R_θ+向剪切变形、同时通过U₂₂和U₂₃驱动压电单元Ⅱ产生R_θ-向的剪切变形，此时压电单元Ⅰ在摩擦耦合作用下，带动运动平台向R_θ+运动Δl₁，压电单元Ⅱ与运动平台不接触；

c、U₁₁、U₁₂、U₁₃、U₂₂和U₂₃保持不变，通过U₂₁驱动压电单元Ⅱ产生Z+向伸长变形，此时压电单元Ⅰ和压电单元Ⅱ同时实现运动平台的钳位；

d、U₁₂、U₂₁、U₂₂和U₂₃保持不变，通过U₁₂驱动压电单元Ⅰ产生Z-向缩短变形，此时压电单元Ⅰ与运动平台不接触，压电单元Ⅱ实现运动平台的钳位；

e、U₁₁保持零电压、U₂₁保持不变，通过U₂₂和U₂₃驱动压电单元Ⅱ产生R_θ+向剪切变形、同时通过U₁₂和U₁₃驱动压电单元Ⅰ产生R_θ-向的剪切变形，此时压电单元Ⅰ与运动平台不接触，压电单元Ⅱ在摩擦耦合作用下带动运动平台向R_θ+运动Δl₂；

f、U₁₂、U₁₃、U₂₁、U₂₂和U₂₃保持不变，通过U₁₁驱动压电单元Ⅰ产生Z+向伸长变形，此时压电单元Ⅰ和压电单元Ⅱ同时实现运动平台的钳位；

如图9所示，平面压电驱动器在完成a-b-c-d-e-f过程后，其运动平台向R_θ+运动了一个步长，用ΔL表示，可由下式得出：

ΔL＝Δl₁+Δl₂

如图9所示，循环重复a-b-c-d-e-f-a过程,平面压电驱动器可实现在R_θ+向的连续步进运动。

如图9所示，循环重复a-f-e-d-c-b-a过程，平面压电驱动器可实现在R_θ-向的连续步进运动。

请参考图2和图8，平面驱动器在R_θ向步进运动时，平面Ⅱ与运动轴6间的摩擦力F_f1和平面Ⅲ与运动轴间的摩擦力F_f2交替驱动运动轴6产生步进运动，二者相等且有如下关系：

F_f1＝F_f2＝F_f＝f_max

请参考图2和图8，驱动器在R_θ向步进运动时，运动轴6驱动负载运动的能力用F表示，即新型平面压电驱动器在R_θ向的驱动力，可由下式计算得出：

F＝F_f-f

其中，f为驱动器动态时，运动轴6上表面与滚珠8间的滚动摩擦阻力。

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平面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 (7)

1.一种平面压电驱动器，其特征在于，包括：驱动部件、运动部件、预紧部件、支撑部件；所述运动部件位于所述驱动部件的驱动末端，所述预紧部件用于对所述运动部件施加朝向所述驱动部件的预紧力；所述支撑部件用于支撑所述驱动组件；所述驱动部件包括两组压电单元，两组所述压电单元均包括多个压电陶瓷腿，每个所述压电陶瓷支腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和两个剪切变形方向在空间内正交的横向剪切压电叠堆；在平面压电驱动器运动时，其中一组所述压电单元用于对所述运动部件产生钳位运动，另外一组所述压电单元用于对所述运动部件产生驱动运动，两组所述压电单元在电压时序控制下，以控制所述运动部件在平面内移动。

2.根据权利要求1所述的平面压电驱动器，其特征在于，多个所述压电陶瓷腿沿圆周方向均匀分布，其中一组所述压电单元的相邻的两个所述压电陶瓷腿之间设有一个另外一组所述压电单元的所述压电陶瓷腿。

3.根据权利要求2所述的平面压电驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷支腿还包括位于其末端的耐磨陶瓷薄片，所述耐磨陶瓷薄片与所述运动部件下表面接触。

4.根据权利要求1所述的平面压电驱动器，其特征在于，所述预紧部件包括压板、螺钉和碟簧，所述压板位于所述运动部件上方，所述压板下方设有滚动部，所述滚动部与所述运动部件的上表面接触；所述支撑部件的中部设有通孔，所述螺钉从所述通孔向上穿出，且与所述压板连接，所述螺钉用于将所述碟簧压紧在所述支撑部件底部。

5.根据权利要求4所述的平面压电驱动器，其特征在于，所述滚动部为滚珠，所述压板下方设有用于容纳所述滚珠的凹槽。

6.根据权利要求5所述的平面压电驱动器，其特征在于，所述压板下方设有多个沿圆周方向均匀分布的所述滚珠。

7.根据权利要求4所述的平面压电驱动器，其特征在于，所述支撑部件的底部设有用于容纳所述螺钉的头部和所述碟簧的凹腔。

Images