CN117396055A - 压电陶瓷致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电陶瓷致动器，包括基座、压电陶瓷组以及柔性件，每一所述压电陶瓷组包括一个或多个沿自身输出方向堆叠固定的压电陶瓷，所述压电陶瓷组以及所述柔性件沿所述压电陶瓷组的输出方向相互交替固定，所述柔性件与所述基座固定；通过沿压电陶瓷的输出方向交替设置压电陶瓷组以及柔性件，以使得压电陶瓷组与相邻的柔性件形成致动器单元；一方面，通过柔性件将常规大行程的压电陶瓷堆叠致动器从机械层面分解为若干小行程的致动器单元，以提高压电陶瓷组的侧向刚度；另一方面，通过增设柔性件提升致动器单元整体的侧向刚度，从而提高致动器单元的一阶谐振频率，达到提高压电陶瓷致动器动态位移精度的效果。

Description

压电陶瓷致动器

技术领域

本发明涉及精密工程相关技术领域，特别是涉及一种压电陶瓷致动器。

背景技术

压电陶瓷具有显著的压电效应，是一种能够将机械能和电能进行高效转换的功能性陶瓷材料。在外加电场的作用下，压电陶瓷内部发生相对位移而被极化，并导致陶瓷本身发生形变，对外输出位移，即逆压电效应；反之，当对压电陶瓷施加机械应力时，产生正压电效应，材料两端表面出现少量感应电荷。

然而，压电陶瓷堆叠的输出位移仅能达到其位移输出方向几何长度的千分之一，因此压电陶瓷存在的输出位移行程有限的问题；对此，通常会增加压电陶瓷在输出方向的堆叠长度以提高输出位移范围，然而，压电堆叠侧向刚度与其长度的三次方分之一成正比，长度的增加将不可避免地导致压电堆叠侧向刚度迅速降低，使一阶谐振模态呈现为沿侧向的摇摆振动，降低其一阶谐振频率，从而导致动态位移的精度大幅下降。

发明内容

基于此，有必要针对目前大行程压电陶瓷堆叠存在侧向刚度低、一阶谐振频率较低、动态位移精度低的问题，提供一种在保证输出位移的前提下具有较高的一阶谐振频率及动态位移精度的压电陶瓷致动器。

本申请提供一种压电陶瓷致动器，包括基座、压电陶瓷组以及柔性件，每一所述压电陶瓷组包括一个压电陶瓷或多个沿自身输出方向堆叠固定的所述压电陶瓷，所述压电陶瓷组以及所述柔性件沿所述压电陶瓷组的输出方向相互交替固定，所述柔性件与所述基座固定。

在其中一个实施例中，所述压电陶瓷组沿输出方向的厚度小于其侧向截面任意两点之间长度的最大值。

在其中一个实施例中，所述柔性件沿输出方向的刚度小于等于所述压电陶瓷沿输出方向刚度的10％。

在其中一个实施例中，所述柔性件的比刚度大于等于25N·m/rad。

在其中一个实施例中，所述柔性件的材料为铝合金。

在其中一个实施例中，所述柔性件包括与所述压电陶瓷组沿输出方向固定的第一连接部以及多个连接件，所述连接件一端与所述第一连接部固定，另一端与所述基座固定。

在其中一个实施例中，所述连接件以所述第一连接部为中心周向设置。

在其中一个实施例中，所述基座包括多个与所述压电陶瓷组沿侧向方向一一对应支撑环，所述支撑环与对应的所述压电陶瓷组厚度相等，所述压电陶瓷组以及所述柔性件均位于所述支撑环内；所述柔性件还包括与所述连接件另一端固定的第二连接部，所述第二连接部沿输出方向固定于两个所述支撑环之间。

在其中一个实施例中，所述支撑环的刚度大于500N/μm，密度大于8g/cm³。

在其中一个实施例中，所述基座包括底座，所述底座内设置有预警结构，所述预警结构与沿输出方向位于一侧端部的所述压电陶瓷组相抵，所述预警结构能够调节对所述压电陶瓷组的挤压力。

上述压电陶瓷致动器，通过沿压电陶瓷的输出方向交替设置压电陶瓷组以及柔性件，以使得压电陶瓷组与相邻的柔性件形成致动器单元；一方面，通过柔性件将常规大行程的压电陶瓷堆叠致动器从机械层面分解为若干小行程的致动器单元，以提高压电陶瓷组的侧向刚度；另一方面，通过增设柔性件提升致动器单元整体的侧向刚度，从而提高致动器单元的一阶谐振频率，达到提高压电陶瓷致动器动态位移精度的效果。

附图说明

图1为本申请压电陶瓷致动器的立体结构示意图；

图2为图1沿正视方向的剖视结构示意图；

图3为图1中柔性件的立体结构示意图；

图4为图2中预警结构在仰视角度下的立体结构示意图。

附图标记：10、基座；11、支撑环；12、底座；20、压电陶瓷组；21、压电陶瓷；30、柔性件；31、第一连接部；32、连接件；33、第二连接部；40、预警结构；41、V型块；42、钢球；43、螺钉；50、输出块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

目前，为解决大行程压电陶瓷堆叠所存在的一阶谐振频率较低以及动态位移精度低的问题，通常会在压电陶瓷堆叠的基础上设计谐振抑制算法并将其部署于控制系统，从而对大行程压电陶瓷的谐振进行抑制。

该方案虽然能够在一定程度上兼顾行程与动态位移输出特性，但仍存在以下两个严重不足：1.受系统辨识精度和高频不确定性的影响，实际应用中压电堆叠致动器在高频的输出位移精度难以保证；2.谐振抑制算法使系统构成方式更加复杂，并使总体成本大幅增加。

请结合图1以及图2所示，本申请提供一种压电陶瓷致动器，包括基座10、压电陶瓷组20以及柔性件30，每一压电陶瓷组20包括一个压电陶瓷21或多个沿自身输出方向堆叠固定的压电陶瓷21，压电陶瓷组20以及柔性件30沿压电陶瓷组20的输出方向相互交替固定，柔性件30与基座10固定。

为便于描述，将压电陶瓷21在外加电场作用下输出位移的方向定义为输出方向，将垂直于输出方向的方向定义为侧向方向。

本申请中，摒弃了设计控制算法的思路，从机构设计角度出发，通过沿压电陶瓷21的输出方向交替设置压电陶瓷组20以及柔性件30，以使得压电陶瓷组20与相邻的柔性件30形成致动器单元；柔性件30在轴向方向的刚度较小，在侧向方向的刚度较大，其中，轴向方向刚度较小以使得增设柔性件30对压电陶瓷致动器的输出位移影响相对较小。

柔性件30调控压电陶瓷致动器侧向刚度及一阶谐振频率的作用可从两方面体现：

一方面，通过柔性件30将常规大行程的压电陶瓷堆叠致动器从机械层面分解为若干小行程的致动器单元，与将相同数量的压电陶瓷21直接堆叠的方案相比，通过减少每一致动器单元内压电陶瓷组20的厚度以提高每一压电陶瓷组20的侧向刚度，从而有效提高压电陶瓷致动器的侧向刚度，提高其一阶谐振频率，进而达到提高动态位移精度的效果；

另一方面，由于柔性件30侧向刚度较大，因此在与压电陶瓷组20形成致动器单元后能够进一步提升致动器单元整体的侧向刚度，虽然致动器单元侧向的谐振模态仍为弯曲模态，但是由于侧向刚度的提升，能够有效提高致动器单元的一阶谐振频率，从而提高压电陶瓷致动器的动态位移精度。

因此，本申请的压电陶瓷致动器能够兼顾输出位移以及动态性能这两个相互制约的指标，在保证较大输出位移的前提下，使得压电陶瓷致动器仍具有较高动态位移精度。

需要注意的是，压电陶瓷21在外加电场后内部会产生沿输出方向的作用力，该作用力克服压电陶瓷21自身的刚度以使得压电陶瓷21输出一定位移；可以理解的，若柔性件30沿侧向方向固定于压电陶瓷21，压电陶瓷21内部产生的作用力会与柔性件30的作用力抵消，导致没有输出位移；

因此，本申请中压电陶瓷组20与柔性件30沿压电陶瓷21的输出方向相互交替固定，以保证压电陶瓷21与柔性件30的固定面垂直于输出方向，从而避免压电陶瓷21没有输出位移的情况发生。

在一些实施例中，压电陶瓷组20内的压电陶瓷21之间、压电陶瓷组20与柔性件30之间均通过环氧树脂粘接固定，当然，也可采用其他材料进行粘接固定，或采用其他固定方式进行固定，本申请在此不一一限定。

请参考图2所示，在一些实施例中，压电陶瓷组20沿输出方向的厚度小于其侧向截面任意两点之间长度的最大值，以提高每一压电陶瓷组20的侧向刚度，提高其一阶谐振频率，进而达到提高动态位移精度的效果。

需要注意的是，柔性件30的厚度越大则其刚度就越大，虽然柔性件30侧向刚度的提升会致动器单元整体的刚度，从而提高压电陶瓷致动器的动态性能，但是，柔性件30沿输出方向的刚度过大会导致致动器单元的输出位移大幅降低，从而产生一定的输出位移损失；具体的，假设柔性件30沿输出方向的刚度为k1，压电陶瓷21沿输出方向的刚度为k2，则损失的输出位移为k1/k1+k2；因此，对柔性件30刚度的设计受输出位移损失的约束，在设计过程中需要同时兼顾输出位移以及动态性能。

在一些实施例中，柔性件30沿输出方向的刚度小于等于压电陶瓷21沿输出方向刚度(压电陶瓷21沿输出方向的刚度参数由相应的参数手册提供)的10％；在该参数范围内，与相同数量的压电陶瓷21直接堆叠的方案相比，压电陶瓷致动器的输出行程能够达到其80％以上，输出行程的损失在可接受范围内，且动态性能能够得到大幅提升。

可以理解的，在柔性件30沿输出方向刚度位于上述参数范围内的前提下，优选柔性件30沿侧向方向刚度越大、沿输出方向刚度越小的方案，以尽可能增加压电陶瓷致动器的动态性能，减少其输出行程损失量。

具体的，以8片5mm×5mm×2mm的压电陶瓷21堆叠的方案为例，压电陶瓷21直接粘接的情况下，压电陶瓷致动器的一阶谐振频率为5.6kHz；而相同尺寸、数量的压电陶瓷21，将两个压电陶瓷21以及一个厚度为0.2m、材质为7075铝合金的柔性件30组成一组致动器单元的方案下，压电陶瓷致动器的一阶谐振频率为25.7kHz；压电陶瓷致动器的输出位移可以达到对比方案输出位移的80％以上，同时一阶谐振频率的提升超过4倍。

在一些实施例中，柔性件30的比刚度大于等于25N·m/rad。比刚度是指材料弹性模量(刚度)与其密度的比值，在柔性件30刚度一定的情况下，比刚度越大，其自身密度越小，又由于材料的质量与其谐振频率呈反相关，因此，柔性件30的密度越小，相同体积下的质量越小，谐振频率越高，从而能够提高致动器单元的一阶谐振频率，进而达到提升动态性能的效果；而在上述参数范围内，对于动态性能的提升效果能够满足需求。

在一些实施例中，柔性件30的材料为7075铝合金，7075铝合金在具有密度小、弹性模量大、比刚度大等特点的同时，价格相对具有相似材料特性的材料较低，具有较高的性价比；当然，柔性件30也可为其他材料，只要比刚度满足上述参数范围即可，本申请在此不做进一步的限定。

请参考图3所示，在一些实施例中，柔性件30包括与压电陶瓷组20沿输出方向固定的第一连接部31以及多个连接件32，连接件32一端与第一连接部31固定，另一端与基座10固定；通过多个连接件32进行连接，以使得柔性件30具有较高的侧向刚度；当然，柔性件30也可为其他结构，只要能够通过结构设计尽可能增加自身侧向刚度，减少轴向刚度即可。

请参考图3所示，在一些实施例中，连接件32以第一连接部31为中心周向设置，以使得柔性件30能够沿侧向均匀的支持压电陶瓷组20。

请结合图1以及图2所示，在一些实施例中，基座10包括多个与压电陶瓷组20沿侧向方向一一对应支撑环11，支撑环11与对应的压电陶瓷组20厚度相等，压电陶瓷组20以及柔性件30均位于支撑环11内；柔性件30还包括与连接件32另一端固定的第二连接部33，第二连接部33沿输出方向固定于两个支撑环11之间。

如此设置，一方面便于压电陶瓷组20以及柔性件30的安装；另一方面使得压电陶瓷致动器整体呈模块化设计，可以根据实际输出位移的需求安装不同数量的支撑环11以及致动器单元，以提高本申请压电陶瓷致动器的泛用性。

在一些实施例中，支撑环11的刚度大于500N/μm，密度大于8g/cm³。

支撑环11用于起到固定柔性件30的作用，理想状态下支撑环11为完全固定状态，以起到机械式的隔离效果，避免支撑环11自身的谐振模态影响到柔性件30以及压电陶瓷组20；因此，将支撑环11的刚度以及密度限制于上述参数范围内，以使得支撑环11能够近似等效为完全固定状态。

在一些实施例中，支撑环11为不锈钢、钢或其他满足上述参数范围的材料，且优选刚度大、密度大的材料。

请参考图4所示，在一些实施例中，基座10包括底座12，底座12内设置有预警结构40，预警结构40与沿输出方向位于一侧端部的制动器单元相抵，预警结构40能够调节对压电陶瓷组20的挤压力。

压电陶瓷21是由多层细微的压电层通过粘接加压处理后得到的紧实材料，若承受拉力可能因自身的拉伸导致结构破坏；而预警结构40能够为压电陶瓷组20提供预紧力，防止压电陶瓷21因承受拉力导致破坏的情况发生。

具体的，预警结构40包括V型块41、钢球42以及螺钉43，螺钉43与底座12的螺纹孔螺纹连接，钢球42沿输出方向分别与螺钉43以及V型块41的V型面相抵，V型块41的另一侧平面输出方向与致动器单元相抵。

请参考图1所示，在一些实施例中，压电陶瓷致动器还包括输出块50，输出块50沿输出方向固设于远离底座12一侧的制动器单元，输出块50的材质可以为铝、钢或其他密度相对较小且硬度相对较高的材料，本申请在此不做进一步的限定。

可以理解的，压电陶瓷致动器所需要驱动的负载越大，对其整体动态特性的影响越大，这里的负载包括输出块50的重量以及压电陶瓷致动器所驱动的外部载荷，其中外部载荷无法改变，因此为避免负载过大导致动态特性下降的情况发生，需要尽可能减少输出块50的重量，在体积一定的前提下选择密度相对较小的材料作为输出块50。

此外，若输出块50在输出过程中发生变形，会导致输出位移不准确的情况发生，因此选择硬度较高的材料作为输出块50能够避免上述情况发生。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷致动器，其特征在于，包括基座(10)、压电陶瓷组(20)以及柔性件(30)，每一所述压电陶瓷组(20)包括一个压电陶瓷(21)或多个沿自身输出方向堆叠固定的所述压电陶瓷(21)，所述压电陶瓷组(20)以及所述柔性件(30)沿所述压电陶瓷组(20)的输出方向相互交替固定，所述柔性件(30)与所述基座(10)固定。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述压电陶瓷组(20)沿输出方向的厚度小于其侧向截面任意两点之间长度的最大值。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述柔性件(30)沿输出方向的刚度小于等于所述压电陶瓷(21)沿输出方向刚度的10％。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述柔性件(30)的比刚度大于等于25N·m/rad。

5.根据权利要求4所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述柔性件(30)的材料为7075铝合金。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述柔性件(30)包括与所述压电陶瓷组(20)沿输出方向固定的第一连接部(31)以及多个连接件(32)，所述连接件(32)一端与所述第一连接部(31)固定，另一端与所述基座(10)固定。

7.根据权利要求6所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述连接件(32)以所述第一连接部(31)为中心周向设置。

8.根据权利要求6所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述基座(10)包括多个与所述压电陶瓷组(20)沿侧向方向一一对应支撑环(11)，所述支撑环(11)与对应的所述压电陶瓷组(20)厚度相等，所述压电陶瓷组(20)以及所述柔性件(30)均位于所述支撑环(11)内；所述柔性件(30)还包括与所述连接件(32)另一端固定的第二连接部(33)，所述第二连接部(33)沿输出方向固定于两个所述支撑环(11)之间。

9.根据权利要求8所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述支撑环(11)的刚度大于500N/μm，密度大于8g/cm³。

10.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述基座(10)包括底座(12)，所述底座(12)内设置有预警结构(40)，所述预警结构(40)与沿输出方向位于一侧端部的所述压电陶瓷组(20)相抵，所述预警结构(40)能够调节对所述压电陶瓷组(20)的挤压力。