CN207010573U - 一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器，属于精密加工领域。可实现绕指定方向的精密步进式旋转运动和沿指定方向的步进式直线运动。主要由定子单元、转子单元和输出轴组成。其中定子单元中连接有对心式压电钳位机构和直线驱动机构；转子单元中连接有旋转驱动机构；输出轴为可变式接口转轴。通过控制转子单元上、中层基板压电钳位机构的钳位时间顺序，实现绕确定方向的步进式旋转运动；同时通过结合控制定子单元底部环形压电叠堆的伸缩量和上、下层基板压电钳位机构的钳位时间顺序，实现沿指定方向的步进式直线运动。本实用新型可应用于高精密驱动定位和加工领域，具有结构新颖、对中性好、工作稳定、控制效率高、输出精度高等优点。

Description

一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器

技术领域

本实用新型涉及一种精密压电驱动器，特别涉及一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器，可应用于高精密驱动定位、精密加工、精密光学、精密微细加工与测量、航空航天等高尖端的科学技术领域。

背景技术

现代科学技术日新月异的发展，使得人类的研究扩展到了微观领域。特别的，高精密驱动定位技术已经被证明在诸如扫描探针显微镜、微/纳米手术、生物医学、纳米压印光刻等科学和工程应用中起着越来越重要的作用。而具有微/纳级别定位精度的压电驱动技术更是这些微/纳操作、微/纳加工等诸多高尖端技术领域中的核心技术，这些领域迅猛的发展对其核心技术提出了更高的要求。传统的压电驱动装置，往往因为压电元件的输出行程较小、输出自由度单一、重复定位精度低等缺点，严重限制了其自身在更多压电驱动技术领域的应用。此外，对于一些传统的尺蠖式压电驱动装置而言，往往因不能克服重力影响，而无法高效满足竖直方向微/纳米级别高输出精度和高承载能力的要求。因此，设计一种结构紧凑、输出力大、重复定位精度高，且能同时兼具直线运动和旋转运动输出的微小精密压电驱动器是相当重要的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器，解决了目前驱动器结构尺寸大、输出自由度单一，承载能力小等问题。本实用新型分别采用旋转驱动机构和直线驱动机构来实现输出轴绕其轴线旋转运动和沿其轴线的直线运动；本实用新型采用了上、中、下三层六个压电叠堆分别作用复合柔性铰链上对心式分布钳位机构，保证了其良好的对中性，且钳位机构采用了一种特殊的复合平行四边形柔性铰链机构，每次都同时运动，提高了步进运动的稳定性和可靠性。另外，上、中两层的四个压电叠堆与安装在驱动转化机构上的两个压电叠堆通过相应时序配合，交替作用，实现输出轴的旋转步进式运动。转子单元为无绕线结构，可使输出轴实现任意角度的旋转；直线步进式运动由一个环形压电叠堆驱动，配合复合柔性铰链上、中层的四个压电钳位机构的时序交替钳位作用，使输出轴实现沿其轴线方向的直线步进式运动。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器，包括定子单元、转子单元和输出轴1；其中所述定子单元包括嵌有压电叠堆钳位的复合柔性铰链13的下层基板和直线驱动机构；所述的转子单元包括分别嵌有压电叠堆钳位的复合铰链13的上、中两层基板，和旋转驱动转化机构；所述的输出轴1为一转轴，轴的输出端开有螺纹孔与复合柔性铰链13上、中、下层的基板轴孔过渡配合。

所述的定子单元，由复合柔性铰链13的下层基板，B型压电叠堆Ⅴ8、Ⅵ16和环形压电叠堆17组成，所述的复合柔性铰链13的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入B型压电叠堆Ⅴ8、Ⅵ16实现钳位驱动；所述的B型压电叠堆Ⅴ8、Ⅵ16，分别通过预紧螺钉Ⅴ15、Ⅵ7预紧安装在复合柔性铰链13的下层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的环形压电叠堆17，压紧安装在复合柔性铰链13的中层和下层基板之间；所述的复合柔性铰链13的中层和下层基板通过四组薄壁柔性铰链连接。

所述的转子单元，由复合柔性铰链13的上、中层基板，旋转驱动转化块Ⅰ2、Ⅱ9，A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10组成，所述的复合柔性铰链13的上、中层基板通过两组平行四边形薄壁柔性铰链相连，包括两组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12和B型压电叠堆Ⅲ18、Ⅳ19实现钳位驱动；所述的B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12、Ⅲ18、Ⅳ19分别通过预紧螺钉Ⅰ5、Ⅱ11、Ⅲ6、Ⅳ14预紧安装在复合柔性铰链13的上、中层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的旋转驱动转化块I2、Ⅱ9，通过过盈配合安装在复合柔性铰链13的中层基板的凹槽里；所述的A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10一端分别顶在复合柔性铰链 13的上层基板凹槽侧面，一端分别顶在旋转驱动转化块Ⅰ2、Ⅱ9的上层侧面上。

所述的输出轴1为可变式接口转轴。

所述的转子单元为无绕线结构，可实现任意角度的旋转。

本实用新型的有益成果在于：可同时输出大行程旋转运动的和直线运动，提高驱动器运动精度，且具有结构紧凑、钳位稳定、功能集成化、重复定位精度高等优点。可应用于微/纳显微操作机器人、微/纳加工、微机电系统、大规模集成电路制造等领域。本实用新型所涉及的一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器，总体尺寸为60×50×28mm，整体结构尺寸小，可方便模块化嵌入所需的器械中，用于实现不同物件绕固定转轴的旋转步进式运动和沿固定方向的直线步进式运动，且具有输出扭矩大、步进精度高的特点，提高了系统微动精度、降低结构复杂性及减小结构尺寸。本实用新型对我国微/纳加工、微/纳操作、精密光学、航空航天等诸多高尖端技术领域的发展有着较为重要的参考意义。

附图说明

此处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为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的整体结构俯视示意图；

图3为图2的A-A剖视示意图；

图4为本实用新型的复合柔性铰链主视图；

图5为本实用新型的复合柔性铰链左视图。

图中：1、输出轴；2、旋转驱动转化块Ⅰ；3、A型压电叠堆Ⅰ；4、B型压电叠堆Ⅰ；5、预紧螺钉Ⅰ； 6、预紧螺钉Ⅲ；7、预紧螺钉Ⅴ；8、B型压电叠堆Ⅴ；9、旋转驱动转化块II；10、A型压电叠堆II；11、预紧螺钉II；12、B型压电叠堆Ⅱ；13、复合柔性铰链；14、预紧螺钉Ⅳ；15、预紧螺钉Ⅵ；16、B型压电叠堆Ⅵ；17、环形压电叠堆；18、B型压电叠堆Ⅲ；19、B型压电叠堆Ⅳ。

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5，本实用新型的多自由度尺蠖式精密压电驱动器，包括定子单元、转子单元和输出轴 1；所述的定子单元，由复合柔性铰链13的下层基板，B型压电叠堆Ⅴ8、Ⅵ16和环形压电叠堆17组成，所述的复合柔性铰链13的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，并通过预紧螺钉Ⅴ7、Ⅵ15调节压紧程度实现钳位预紧的调节，该钳位对中性好，精度高。复合柔性铰链13下层基板钳位嵌入的B型压电叠堆Ⅴ8、Ⅵ16，复合柔性铰链13上、中层基板钳位嵌入的B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12、Ⅲ18、Ⅳ19，再配合环形压电叠堆17的严格时序交替通断电，能够实现输出轴1的持续步进式直线运动。

参见图1至图3，所述的转子单元，由复合柔性铰链13的上、中层基板，旋转驱动转化块Ⅰ2、Ⅱ9， A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10组成，所述的复合柔性铰链13的上、中层基板包括两组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12和B型压电叠堆Ⅲ18、Ⅳ19实现钳位驱动；复合柔性铰链13上层基板的B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12，和中层基板的B型压电叠堆Ⅲ18、Ⅳ19的通电时序逻辑交替变化，能实现输出轴1与复合柔性铰链13上层基板和下层基板交替钳固和松开，再配合A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10的动作，能够实现输出轴1的持续步进式旋转运动。

参见图1、图3，复合柔性铰链13上层基板的驱动转化机构中的A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10一端分别顶在复合柔性铰链13的上层基板凹槽侧面，一端分别顶在旋转驱动转化块Ⅰ2、Ⅱ9的上层侧面上。驱动转化块Ⅰ2、Ⅱ9下端与复合柔性铰链13中层基板凹槽实现过盈配合连接。复合柔性铰链13上层基板钳位单元中的B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12一端紧贴压电钳位面，另一端紧贴柔性预紧调节面，分别通过调节预紧螺钉Ⅰ5、预紧螺钉II11来调节压电钳位和输出轴1的压紧程度。复合柔性铰链13中层基板的钳位单元结构与上层基板的钳位单元结构完全相同，上层和中层基板之间通过两组平行四边形柔性薄壁相连。在给A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10提供一定驱动电压后，由于逆压电效应A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10同时伸长，在柔性薄壁的变形作用下，与复合柔性铰链13上层基板钳固的输出轴1相对中层基板做精密步进式旋转运动。复合柔性铰链13下层基板为直线驱动部分，其内部嵌有B型压电叠堆Ⅴ8、Ⅵ16，并通过预紧螺钉Ⅴ7、Ⅵ 15调节钳位与输出轴1的预紧程度。复合柔性铰链13下层基板与中层基板之间通过四组薄壁柔性铰链相连，且中层基板和下层基板之间安装有环形压电叠堆17，在给环形压电叠堆17提供一定驱动电压后，由于逆压电效应环形压电叠堆17伸长，推动复合柔性铰链13上、中层基板相对下层基板做精密步进式直线运动。

所述的输出轴1为可变式接口转轴。

所述的转子单元为无绕线结构，可实现任意角度的旋转。

参见图1、2、3、4、5，本实用新型的具体工作步骤如下：

输出轴1步进式直线运动的实现，系统初始状态：A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10，B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12、Ⅲ18、Ⅳ19、Ⅴ8、Ⅵ16均不带电，输出轴1此时处于游动状态。系统工作状态：给分别安装在复合柔性铰链13上、中层基板的B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12，Ⅲ18、Ⅳ19同时提供驱动电压，由于逆压电效应，B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12、Ⅲ18、Ⅳ19同时伸长，推动两层基板的钳位单元柔性铰链变形进而钳住输出轴1，使得复合柔性铰链的上、中两层基板与输出轴1形成紧固。然后再给安装在复合柔性铰链13中层与下层基板之间的环形压电叠堆17提供驱动电压，环形压电叠堆由于逆压电效应伸长，在复合柔性铰链13中层与下层基板之间的四组薄壁柔性铰链的变形作用下，带动输出轴1沿着轴线方向输出精密直线位移；再给安装在复合柔性铰链13下层基板的B型压电叠堆Ⅴ8、Ⅵ16同时提供驱动电压，B型压电叠堆Ⅴ8、Ⅵ16同时通电伸长，通过推动下层基板的钳位单元柔性铰链变形进而钳住输出轴1，使得复合柔性铰链13的下层基板与输出轴1形成紧固。当B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12、Ⅲ18、Ⅳ19同时失电时，压电叠堆都恢复到原始长度，使得复合柔性铰链13的上、中层基板的钳位单元与输出轴1松开。然后让环形压电叠堆17失电，在四组薄壁柔性铰链恢复变形的作用下，复合柔性铰链13的上、中层基板沿轴线向上的运动回到初始状态，又因为输出轴1和复合柔性铰链13的下层基板继续钳固，所以输出轴1相对于下层基板做沿轴向向上的直线运动。这样就完成了步进式直线运动的第一步，重复以上过程可以使得输出轴1实现持续步进式直线运动，且其理论位移为无限大。

输出轴1步进式旋转运动的实现，系统初始状态：A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10，B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12、Ⅲ18、Ⅳ19、Ⅴ8、Ⅵ16均不带电，输出轴1此时亦处于游动状态。系统工作状态：给安装在复合柔性铰链13上层基板的B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12，同时提供驱动电压，由于逆压电效应，B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ 12伸长，使得上层基板钳位单元柔性铰链变形进而钳住输出轴1。然后再给安装在驱动转化块Ⅰ2、Ⅱ9上的A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10，同时提供驱动电压，A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10将通电伸长。由于驱动转化块Ⅰ2、Ⅱ9下端与复合柔性铰链13中层基板过盈配合，而上端与A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ1顶紧，故当A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10通电伸长时，在复合柔性铰链13上层和中层基板之间的两组平行四边形薄壁柔性铰链变形的作用下，压电叠堆将会推动复合柔性铰链13上层基板相对于中层基板做旋转运动，又因为输出轴1 和上层基板钳固在一起，从而输出轴1将同时跟随复合柔性铰链13上层基板相对于中层基板做旋转运动，且转角数量级为10²μrad；然后再给安装在复合柔性铰链13中层基板的B型压电叠堆Ⅲ18、Ⅳ19，同时提供驱动电压，由于逆压电效应，B型压电叠堆Ⅲ18、Ⅳ19伸长，使得中层基板钳位单元柔性铰链变形进而钳住输出轴1。而与此同时，复合柔性铰链13上层基板的B型压电叠堆Ⅰ4、Ⅱ12失电，压电叠堆恢复到原始长度，使得上层基板钳位单元与输出轴1松开。A型压电叠堆Ⅰ3、Ⅱ10失电，在复合柔性铰链13 上层和中层基板之间的两组平行四边形薄壁柔性铰链恢复变形的作用下，上层基板相对于中层基板回到了初始位置，所以输出轴1相对于中层基板做绕轴线的旋转运动。这样就完成了步进式旋转运动的第一步，重复以上过程可以使得输出轴1实现持续步进式旋转运动，且其理论位移亦为无限大。

输出轴1为可变式接口转轴，用于完成旋转、直线运动的输出，可将不同种类的外输出部件通过相应的连接方式连接在输出轴1上，用于部件的旋转和直线运动。整个多自由度尺蠖式精密压电驱动器的运动具有严格的时序逻辑，改变时序可改变驱动器的运动方向，驱动器具有步进位移精度高，发热小，输出载荷大等优点。

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 (5)

1.一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器,其特征在于：包括定子单元、转子单元和输出轴(1)；其中所述定子单元包括嵌有压电叠堆钳位的复合柔性铰链(13)的下层基板和直线驱动机构；所述的转子单元包括分别嵌有压电叠堆钳位的复合铰链(13)的上、中两层基板，和旋转驱动转化机构；所述的输出轴(1)为一转轴，轴的输出端开有螺纹孔与复合柔性铰链(13)上、中、下层基板的轴孔过渡配合。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器,其特征在于：所述的定子单元，由复合柔性铰链(13)的下层基板，B型压电叠堆Ⅴ(8)、Ⅵ(16)和环形压电叠堆(17)组成，所述的复合柔性铰链(13)的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入B型压电叠堆Ⅴ(8)、Ⅵ(16)实现钳位驱动；所述的B型压电叠堆Ⅴ(8)、Ⅵ(16)，分别通过预紧螺钉Ⅴ(15)、Ⅵ(7)预紧安装在复合柔性铰链(13)的下层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的环形压电叠堆(17)，压紧安装在复合柔性铰链(13)的中层和下层基板之间；所述的复合柔性铰链(13)的中层和下层通过四组薄壁柔性铰链连接。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器，其特征在于：所述的转子单元，由复合柔性铰链(13)的上、中层基板，旋转驱动转化块Ⅰ(2)、Ⅱ(9)，A型压电叠堆Ⅰ(3)、Ⅱ(10)组成，所述的复合柔性铰链(13)的上、中层基板通过两组平行四边形薄壁柔性铰链相连，包括两组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入B型压电叠堆Ⅰ(4)、Ⅱ(12)和B型压电叠堆Ⅲ(18)、Ⅳ(19)实现钳位驱动；所述的B型压电叠堆Ⅰ(4)、Ⅱ(12)、Ⅲ(18)、Ⅳ(19)分别通过预紧螺钉Ⅰ(5)、Ⅱ(11)、Ⅲ(6)、Ⅳ(14)预紧安装在复合柔性铰链(13)的上、中层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的旋转驱动转化块I(2)、Ⅱ(9)，通过过盈配合安装在复合柔性铰链(13)的中层基板的凹槽里；所述的A型压电叠堆Ⅰ(3)、Ⅱ(10)一端分别顶在复合柔性铰链(13)的上层基板凹槽侧面，一端分别顶在旋转驱动转化块Ⅰ(2)、Ⅱ(9)的上层侧面上。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器，其特征在于：所述的输出轴(1)为可变式接口转轴。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度尺蠖式精密压电驱动器，其特征在于：所述的转子单元为无绕线结构，可实现任意角度的旋转。