CN202957768U - 基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，属于机电领域。包括转子、定子、基壳，其中定子内封装有钳位机构、低频旋转驱动机构、低频直线驱动机构，是一个通过多个薄壁柔性铰链连接的整体式结构，且压电叠堆驱动单元装于转子中。优点在于：大大提高传统精密驱动器的驱动定位精度，降低结构的复杂性和尺寸、响应迅速、驱动力大、稳定性好、低能量损耗、不受磁场干扰、高分辨率、高位移精度、驱动功率低和工作频率宽、无爬行、成本低、投资少、效益高等优点。

Description

基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器

技术领域

    本实用新型涉及一种基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，应用于超精密加工机床、微电子技术、材料试件纳米力学性能的检测、微机电系统、精密光学、航空航天和机器人、通信领域、计算机、和办公自动化等民用高技术方面等领域。

背景技术

在科学技术的日新月异的今天，高新科学技术研究成果、高精尖技术的应用使精密驱动和精密定位技术正在突破传统的光、机、电框架，被广泛应用于微小机械制造、超精密加工、生物工程、数据存储技术、生命与医疗科学、生物化学、数据存储、集成电路制造、精密光学、半导体技术、显微镜技术、扫描隧道显微镜、微型零件的操作和装配、半导体制造设备以及光电等领域中。微机械技术、微纳米测量技术、微纳米级的定位和驱动技术已成为当今世界高新技术领域的热门，各种形式各异的具有精密驱动、精密测量和精密定位功能的新型驱动器被陆续研制开发出来。精密定位技术作为关键技术之一，在现代尖端领域和科学研究占有极其重要的地位，左右着各领域精密技术的发展，欧美等先进国家在军工武器和高技术等方面的领先地位得益于其在精密定位和测试技术方面的发展水平。同样，他们在微电子技术、通信领域、计算机、光学、和办公自动化等民用高技术方面的领先也是与其在精密测试与制造技术方面的领先地位分不开的。

    传统的精密驱动器主要采用精密螺杆螺母副、滚动或滑动导轨、涡轮-凸轮机构、齿轮-杠杆机构、精密螺旋楔块等机构，由于存在较大的间隙和摩擦，结构不够紧凑，存在爬行、多环节传动等原因，不能满足现代精密驱动器的技术要求。而压电陶瓷材料具备的高精度、响应快、驱动力大、频率响应好、驱动功率低、工作频率宽、不受电磁干扰、无空回、无摩擦、不需润滑、低能耗等优点，随着压电元件性能的不断发展提升以及加工技术水平的进步，近年来，由此类元件作为精密驱动的微纳米级精密驱动器越来越受到关注。

传统的驱动器存在结构尺寸大，易出现爬行等现象，定位精度较低，加工困难，存在较大间隙摩擦等缺点，部分稳定、高精度的传统驱动器，也因其行程过小，成本过高，严重限制了其在生产实际中的应用。为满足工作需要，往往要取多自由度的运动输出，这就决定了需要将多个单自由度驱动单元组合装配使用，导致结构复杂且尺寸庞大，整体装配误差累积过高，整体刚度差。近年来，压电陶瓷以其结构简单、形式多样、单位体积输出功率大和无电磁干扰等特点得到了广泛的研究和应用。相关研究机构和企业基于压电陶瓷，研制出了多种工作原理及结构形式的精密驱动机构，包括单自由度运动的驱动机构及多自由度运动的驱动机构。单自由度运动的驱动机构(旋转型和直线型)在大量深入广泛的研究中日趋成熟。但

是随着科技的发展，精密装置对性能的要求越来越高，精密装置驱动所需求的自由度也越来越多，若每个自由度的运动都由一台单自由度电机来完成，必将增加机构运动链的长度；各个环节的传动误差累计，必将影响系统的定位精度和稳定性，单自由度驱动机构已难以满足精密装置中多自由度运动的应用需求。因此，设计一种具有高精度定位和重复定位功能，且具有多自由度，适用于微纳米级的旋转和直线运动的微小型驱动器已十分必要。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型的超精密多自由度仿生压电驱动器具有一体化的结构设计，采用旋转驱动和直线驱动钳于转子内部，其旋转驱动部分和直线驱动利用线切割技术一次切割成型，结构更为精巧紧凑，采用了薄壁柔性铰链连接，定子与转子间无轴承连接，具有极高的旋转分辨率，可实现大行程360°连续步进旋转运动和直线往复运动，其动态特性稳定，运行平稳，结构紧凑，具有极高的旋转分辨率，可实现大行程连续步进运动、直线运动和旋转运动输出的多种驱动功能。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，包括转子3、定子2、基壳1，其中转子3内封装有由压电叠堆Ⅰ~Ⅲ6、7、8构成的钳位机构、由垫片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ17、18、19、沉头螺钉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22、压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ9、10、11、12构成的低频旋转驱动机构、由楔形块Ⅰ、Ⅱ23、24、压电叠堆Ⅷ25、楔形块Ⅲ、Ⅳ26、27、压电叠堆Ⅸ28构成的低频直线驱动机构，是一个通过多个薄壁柔性铰链连接的整体式结构，且由压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ、Ⅸ6、7、8、25、28构成的压电叠堆驱动单元装于转子3中。

所述的压电叠堆全部采用形体可控面型的压电叠堆，其运动是通过对压电叠堆Ⅰ~Ⅸ6~12、25、28的时序电压控制来实现的。

所述的定子2与转子3分为上、中、下三层结构，其中第二层通过螺栓Ⅰ~Ⅳ13~16与基壳1固定连接。

所述的转子3的运动和停止均由转子内部薄壁柔性铰链的钳位作用实现，定子3上无钳位机构，钳位机构与驱动机构分开。

所述的转子3为无绕线结构。

所述的低频直线驱动机构位于转子3内部。

所述的钳位机构、低频旋转驱动机构经压电叠堆Ⅰ~Ⅲ6、7、8的作用，可沿转子3径向伸缩变形。

所述的转子3除了绕轴向转动以外，还可以通过嵌入转子3内部的低频直线驱动机构实现转子沿轴向的直线运动。

所述的低频直线驱动机构和低频旋转驱动机构为一整体式结构，具有两个自由度，可共存，采用线切割方式完成，装配环节大大降低，提高精度，结构小巧紧凑。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型是一种具有旋转驱动机构和直线运动机构的整体式结构，采用分别驱动或配合驱动的方式，可以实现绕转子轴线方向的旋转运动和沿该轴线方向的直线运动，具有极高的可重复定位能力，可作为精密试验台的驱动单元，可用于材料微观力学测试拉、扭测试的动力部分，其独特的微小结构和高精度的定位装置，以及多自由度的驱动模式，具有广阔的推广应用前景。突破传统的具有高系统微动精度、直线回转两自由度驱动以及结构微小等特点和更小的结构。本实用新型充分考虑到降低驱动器整体结构尺寸、减少装配环节，可大大提高传统精密驱动器的驱动定位精度，降低结构的复杂性和尺寸、响应迅速、驱动力大、稳定性好、低能量损耗、不受磁场干扰、高分辨率、高位移精度、驱动功率低和工作频率宽、无爬行、成本低、投资少、效益高等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的等轴测示意图；

图2为本实用新型定子的等轴测示意图；

图3为本实用新型转子的等轴测示意图

图4为本实用新型的俯视示意图；

图5为本实用新型的主视示意图；

图6为图5的左视示意图；

图7为图5的右视示意图；

图8为图1的左视、半剖示意图；

图9为本实用新型的主视、半剖示意图；

图10为本实用新型基壳的等轴测示意图。

图中： 1.基壳；  2.定子； 3.转子；  4. 驱动索引Ⅰ；  5.驱动索引Ⅱ； 6.压电叠堆Ⅰ；   7.压电叠堆Ⅱ；  8.压电叠堆Ⅲ；  9. 压电叠堆Ⅳ； 10. 压电叠堆Ⅴ； 11. 压电叠堆Ⅵ； 12. 压电叠堆Ⅶ； 13.螺钉Ⅰ；14. 螺钉Ⅱ；15. 螺钉Ⅲ；16. 螺钉Ⅳ；17. 垫片Ⅰ； 18. 垫片Ⅱ； 19.垫片Ⅲ； 20. 沉头螺钉Ⅰ；  21. 沉头螺钉Ⅱ； 22. 沉头螺钉Ⅲ； 23. 楔形块Ⅰ； 24. 楔形块Ⅱ； 25. 压电叠堆Ⅷ； 26. 楔形块Ⅲ； 27. 楔形块Ⅳ； 28.压电叠堆Ⅸ。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图10所示，本实用新型的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，包括转子3、定子2、基壳1，其中转子3内封装有由压电叠堆Ⅰ~Ⅲ6、7、8构成的钳位机构、由垫片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ17、18、19、沉头螺钉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22、压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ9、10、11、12构成的低频旋转驱动机构、由楔形块Ⅰ、Ⅱ23、24、压电叠堆Ⅷ25、楔形块Ⅲ、Ⅳ26、27、压电叠堆Ⅸ28构成的低频直线驱动机构，是一个通过多个薄壁柔性铰链连接的整体式结构，且由压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ、Ⅸ6、7、8、25、28构成的压电叠堆驱动单元装于转子3中。

所述的压电叠堆全部采用形体可控面型的压电叠堆，其运动是通过对压电叠堆Ⅰ~Ⅸ6~12、25、28的时序电压控制来实现的。

所述的定子2与转子3分为上、中、下三层结构，其中第二层通过螺栓Ⅰ~Ⅳ13~16与基壳1固定连接。

所述的转子3的运动和停止均由转子内部薄壁柔性铰链的钳位作用实现，定子3上无钳位机构，钳位机构与驱动机构分开。

所述的转子3为无绕线结构。

所述的低频直线驱动机构位于转子3内部。

所述的钳位机构、低频旋转驱动机构经压电叠堆Ⅰ~Ⅲ6、7、8的作用，可沿转子3径向伸缩变形。

所述的转子3除了绕轴向转动以外，还可以通过嵌入转子3内部的低频直线驱动机构实现转子沿轴向的直线运动。

所述的低频直线驱动机构和低频旋转驱动机构为一整体式结构，具有两个自由度，可共存，采用线切割方式完成，装配环节大大降低，提高精度，结构小巧紧凑。

本实用新型主要由旋转驱动模块和直线运动模块组成，旋转驱动部分和直线驱动部分为一整体式结构，无需任何连接元件。所述的旋转驱动模块，其转子内部的几个嵌位，采用了特殊的柔性铰链结构，从而提高了旋转的稳定性，实现了嵌位和驱动交替进行的步进驱动方式，保证了嵌位的稳定性，提高了轴向旋转和直线运动的高精度。

本实用新型的旋转驱动器包括：

转子总成——用于实现动力载荷的输出，提供高、低频率下移动和转动的动力输出；

定子总成——用于对嵌位、驱动部分提供定位和支撑；

嵌位、驱动部分——用于对转子提供具有一定时序的嵌位和驱动作用；

动力输出部分——用以实现和外部连接，输出动力；所述的直线运动模块设计转子内薄壁铰链，由两组压电叠堆驱动，响应迅速，行程大。为实现沿轴向的直线运动，本驱动器设计为上、中、下三层结构，转子内部同样具有上、中、下三层嵌位机构，配合转子内部的嵌位机构及直线驱动压电驱动器，嵌紧和驱动按相应时序交替进行，进而实现了转子在轴向上的直线运动，并且转子内部无绕线结构，可实现任意角度的连续大行程旋转。

参见图1至图10所示，本实用新型主要由基壳1、定子2、转子3三部分组成。定子3分为上、中、下三层结构，三层结构之间利用薄壁柔性铰链连接，如图2中A、B所示，上层、中层、下层为旋转驱动部分，上层和下层为直线驱动部分；如图3中C所示，转子3分为上、中、下三层结构，钳紧部分装有3组压电叠堆，分别为转子上层结构嵌入压电叠堆Ⅰ6、转子中间层结构嵌入压电叠堆Ⅱ2、转子下层结构压电叠堆Ⅲ8，采用垫片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ17、18、19和沉头螺钉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22将上、中、下层嵌入的压电叠堆紧固在定子2上，转子3内部有薄壁柔性铰链，如图3中D所示，转子3中直线驱动压电叠堆直接作用于转子上层，采用螺纹紧固方式，分别为螺纹紧固楔形块Ⅰ、Ⅱ23、24、预紧压电叠堆Ⅷ25、螺纹紧固楔形块Ⅲ、Ⅳ26、27、预紧压电叠堆Ⅵ11；基壳1为长方形壳体，侧壁有螺纹孔与定子中层紧固连接为一体。本实用新型为一整体式结构，有利于提高系统刚性，从而增加系统运行的稳定性。转子无绕线可任意方向旋转，当驱动机构施加力时，可以绕轴线方向定向转动和轴向直线运动，通过转子3轴端可将动力输出，具体工作流程如下：

初始状态：压电叠堆Ⅰ~Ⅸ 6~12、25、28均不带电，系统处于自由状态，此时转子3亦处于游动状态；

Z轴旋转运动：转子3在低频下开始绕轴线方向旋转：压电叠堆Ⅰ、Ⅲ6、8得电伸长，通过转子3上层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2上层内孔外壁，使得转子3和定子2的上层和下层结构连接为一整体；驱动机构中的压电叠堆Ⅳ~Ⅶ9~12得电伸长，通过驱动索引Ⅰ、Ⅱ4、5将压电叠堆Ⅰ、Ⅲ6、8和定子2上层和下层结构连为一整体，同时压电叠堆Ⅰ、Ⅲ6、8继续伸长带动定子2上层和下层结构的产生微小转动，因为转子3此时和定子2的上层和下层结构连接在一起，故同时带动转子3转过一定微小角度；压电叠堆Ⅱ7得电伸长，通过转子3中层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2中层外壁，转子3和定子2中层结构连接为一整体；压电叠堆Ⅰ~Ⅶ6~12失电，转子3与定子2上层和下层结构分离，压电叠堆Ⅰ、Ⅲ~Ⅶ6、8~12恢复到初始状态，驱动索引Ⅰ、Ⅱ4、5和定子2上层和下次结构分离，定子2的上层结构在上层和中层间的薄壁柔性铰链的作用下弹性恢复至初始状态；压电叠堆Ⅰ、Ⅲ6、8得电，同时压电叠堆Ⅱ失电；重复以上步骤并配合相应时序即可实现转子3在低频下的连续步进旋转。

Z轴直线向上运动：转子3 在低频下开始沿轴向直线向上运动：压电叠堆Ⅱ、Ⅲ7、8得电伸长，通过转子3中层和下层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2中层和下层结构内孔外壁，使转子3和定子2中层和下层结构连接为一整体，驱动机构中的2组压电叠堆Ⅷ、Ⅸ25、28得电伸长，沿轴向方向移动微小距离，因定子2中层和下层结构和转子3连接为一体，故转子3上层结构沿轴向方向向上产生了微小移动；压电叠堆Ⅰ6得电伸长，通过转子3上层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2上层外壁，转子3和定子2上层结构连接为一整体，压电叠堆Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ、Ⅸ7、8、25、28失电恢复到初始状态，转子3和定子2中层和下层结构分离，转子2中层和下层结构在转子上层和中层薄壁柔性铰链作用下弹性恢复至初始状态；压电叠堆Ⅱ、Ⅲ7、8得电，同时压电叠堆Ⅰ6失电；重复以上步骤配合相应时序即可实现转子3在低频下连续沿轴向向上步进移动。

Z轴直线向下运动：转子3 在低频下开始沿轴向直线向下运动：压电叠堆Ⅰ6得电伸长，通过转子3上层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2上层结构内孔外壁，使转子3和定子2上层结构连接为一整体；驱动机构中的2组压电叠堆Ⅷ、Ⅸ25、28得电伸长，转子2沿轴向方向向下产生了微小移动，因定子2上层结构和转子3上层结构连接为一体，且定子2中层结构与基壳固连，转子3在Z轴方向产生向下微小位移；压电叠堆Ⅱ、Ⅲ7、8得电伸长，通过转子3中层和下层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2中层和下层外壁，转子3和定子2中层和下层结构连接为一整体；压电叠堆Ⅰ6失电恢复到初始状态，转子3和定子2上层结构分离，转子2上层结构在上层和中层间薄壁柔性铰链作用下弹性恢复至初始状态，转子2中层和下层结构产生沿轴向向下移动微小距离；压电叠堆Ⅰ6得电，同时压电叠堆Ⅱ、Ⅲ7、8失电；重复以上步骤配合相应时序即可实现转子3在低频下连续沿轴向向下步进移动。

转子3可将外输出部件通过相应连接方式连接在转子3上，可将动力、载荷输出，仿生多自由度微纳米级驱动器的运动具有严格的时序逻辑。

本实用新型是一种用于能实现直线、回转两自由度超精密驱动(定位)的压电仿生多自由度微驱动装置，该装置涉及精密制造系统、精密测量系统、精密驱动、微机电系统以及机器人等领域，突破传统的具有高系统微动精度、直线回转两自由度驱动以及结构微小等特点和更小的结构。本实用新型涉及一种仿生多自由度的超精密旋转-直线驱动器，特别具有确定方向旋转和沿确定方向移动的步进运动驱动器，特别采用压电陶瓷驱动类型和输出动力将电能转换为机械能的复合式驱动器，特别涉及到采用步进式驱动方式结合薄壁柔性铰链结构通过驱动压电叠堆进行推力驱动、钳位压电叠堆进行步进定位从而实现动子直线、回转运动的多自由度超精密驱动器。本实用新型充分考虑到降低驱动器整体结构尺寸、减少装配环节，可大大提高传统精密驱动器的驱动定位精度，本实用新型的驱动器具有降低结构的复杂性和尺寸、响应迅速、驱动力大、稳定性好、低能量损耗、不受磁场干扰、高分辨率、高位移精度、驱动功率低和工作频率宽、无爬行、成本低、投资少、效益高等优点。如图1所示，该仿生多自由度超精密驱动器由外壳1、定子2、转子3，采用步进工作方式，驱动器定子上无钳位元件，可充分保证其结构紧凑小巧、可重复定位精度高，并可实现沿转子轴向方向的连续直线运动和绕转子轴线方向沿周向的360°的连续转动；利用驱动压电叠堆正向推力作用与柔性铰链反向回弹力的综合作用，实现了驱动器转子绕轴线方向的正、反方向精密双向旋转运动以及沿轴向的精密直线运动。另外在材料微观力学性能特性测试方面，该驱动装置可同时完成对精细材料试件实现微纳米级的拉伸/压缩与扭转两种载荷共存的材料力学性能测试，由于本实用新型结构微小故特别有望实现扫描电子显微镜下的两种载荷共存的材料微观力学性能原位测试的纳米级拉伸和扭转测试。基于步进式压电驱动具有高精度定位和重复定位能力，是能够提供具有纳米级分辨率的微米级步进位移装置，可应用于泛应用在微型机械制造、超精密加工、生物工程、数据存储技术、生命与医疗科学、集成电路制造、精密光学、微型零件的操作和装配、半导体制造设备、材料试件纳米力学性能的检测、微机电系统、航空航天和机器人等领域，具有广阔的工程应用前景和应用价值。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：包括转子（3）、定子（2）、基壳（1），其中转子（3）内封装有由压电叠堆Ⅰ~Ⅲ（6、7、8）构成的钳位机构、由垫片Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（17、18、19）、沉头螺钉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（20、21、22）、压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ（9、10、11、12）构成的低频旋转驱动机构、由楔形块Ⅰ、Ⅱ（23、24）、压电叠堆Ⅷ（25）、楔形块Ⅲ、Ⅳ（26、27）、压电叠堆Ⅸ（28）构成的低频直线驱动机构，是一个通过薄壁柔性铰链连接的整体式结构，且由压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅷ、Ⅸ（6、7、8、25、28）构成的压电叠堆驱动单元装于转子（3）中。

2.根据权利要求1所述的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：所述的压电叠堆全部采用形体可控面型的压电叠堆，其运动是通过对压电叠堆Ⅰ~Ⅸ（6~12、25、28）的时序电压控制来实现的。

3.根据权利要求1所述的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：所述的定子（2）与转子（3）分为上、中、下三层结构，其中第二层通过螺栓Ⅰ~Ⅳ（13~16）与基壳（1）固定连接。

4.根据权利要求1所述的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：所述的转子（3）的运动和停止均由转子内部薄壁柔性铰链的钳位作用实现，定子（3）上无钳位机构，钳位机构与驱动机构分开。

5.根据权利要求1所述的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：所述的转子（3）为无绕线结构。

6.根据权利要求1所述的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：所述的低频直线驱动机构位于转子（3）内部。

7.根据权利要求1所述的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：所述的钳位机构、低频旋转驱动机构经压电叠堆Ⅰ~Ⅲ（6、7、8）的作用，沿转子（3）径向伸缩变形。

8.根据权利要求1所述的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：所述的转子（3）除了绕轴向转动以外，还可以通过嵌入转子（3）内部的低频直线驱动机构实现转子沿轴向的直线运动。

9.根据权利要求1所述的基于混合驱动机理的仿生多自由度微纳米级压电驱动器，其特征在于：所述的低频直线驱动机构和低频旋转驱动机构为一整体式结构，具有两个自由度，可共存，采用线切割方式完成。

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