CN209389957U - 椭圆振动压电驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种椭圆振动压电驱动器，属于压电精密驱动技术领域。装置包括基座、驱动单元、动子、间隙调节单元；驱动单元由柔顺机构、两组压电叠堆和楔块组成，其中柔顺机构具有对称结构，左右各分布有呈相互垂直的两组柔性铰链结构，并交叉于正前端，实现对左右压电叠堆产生的运动的合成输出；间隙调节单元和动子均通过沉头螺钉与基座连接。优点在于：从驱动原理上抑制了回退运动的产生，改善了压电驱动器的输出性能，增强了其在精密光学、显微操作、微观力学性能测试等领域的应用前景。

Description

椭圆振动压电驱动器

技术领域

本实用新型涉及压电精密驱动技术领域，特别涉及一种椭圆振动压电驱动器。本实用新型的驱动器相比现有的粘滑、惯性、寄生等驱动原理和驱动器，从驱动原理上抑制了回退运动的产生，改善了压电驱动器的输出性能，增强了其在精密光学、显微操作、微观力学性能测试等领域的应用前景。

背景技术

随着机械、装备、仪器的微小型化与精密化，精密定位装置在微/纳米操作、精密光学、精密仪器等领域的需求日益增长。压电精密驱动技术作为一种新型驱动技术，因其输出精度与分辨率高、响应速度快、结构紧凑等显著优势，被广泛应用于研制各类精密驱动装置中。在这其中，采用压电叠堆直接驱动的装置最为简单且控制方便，但压电叠堆本身输出位移非常有限，通常仅有几微米至几十微米，不能满足众多实际应用中的运动行程需求，因此精密大行程压电驱动器的研究与应用在近年来得到广泛关注。目前，比较常见的大行程压电驱动器主要有尺蠖式、惯性式和粘滑式三种。尺蠖式压电驱动器模仿自然界的尺蠖运动过程，通常采用3组压电叠堆实现钳位与驱动运动的时序控制，其输出力较大，理论上可以实现步进运动。但是，尺蠖式压电驱动器由于结构复杂、使用压电叠堆数量较多，导致其加工、装配、控制复杂，而且钳位与驱动运动切换过程易产生冲击，影响运动的平稳性，以上问题大大限制了其实际应用。惯性式和粘滑式驱动器相比尺蠖式，结构与控制更为简单，但是其驱动原理导致承载能力低，而且输出曲线存在较为显著的回退运动，降低了其位移输出效率，增加了控制的复杂性。通过以上分析可以看出，现有的驱动原理和驱动器，虽然可以实现大行程，但是亦存在一些技术难题。为此，需要进一步提出新的压电驱动原理，并研制相应的驱动器，以实现结构、控制简单同时无回退的大行程步进运动。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种椭圆振动压电驱动器，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型的椭圆振动压电驱动器结构简单，调控方式灵活多样，为实现压电驱动器产生无回退步进运动提供了一种可行方案。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

椭圆振动压电驱动器，包括基座2、驱动单元、动子1、间隙调节单元4，所述驱动单元通过螺钉与间隙调节单元4连接，间隙调节单元4通过沉头螺钉与基座2连接，所述动子1位于驱动单元的前端，通过沉头螺钉与基座2连接。

所述的驱动单元包括压电叠堆3、柔顺机构5、楔块6，所述压电叠堆3通过楔块6预紧安装在柔顺机构5凹槽内；所述柔顺机构5具有对称结构，左右各分布有呈相互垂直的两组柔性铰链结构，并交叉于正前端，实现对左右两组压电叠堆3产生的运动的合成输出。

本实用新型的有益效果在于：通过本实用新型提供的椭圆振动压电驱动器，可以从原理上抑制以往基于粘滑、惯性、寄生等原理研制的驱动器出现的回退运动，大大改善压电驱动器的输出性能，提升其输出效率，进而扩展其在精密光学、显微操作、微观力学性能测试等领域的应用前景。本实用新型结构简单，控制灵活，通过调节电压、频率、间隙均可调节动子的速度，又兼具粘滑式驱动器的理论无限行程的优点。适用范围广，实用性强。

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为本实用新型的椭圆振动压电驱动器的整体结构示意图；

图2为本实用新型的柔顺机构俯视示意图；

图3为本实用新型的椭圆振动压电驱动器的时序控制图；

图4为本实用新型的椭圆振动压电驱动器在图3条件下的理论椭圆轨迹图；

图5为本实用新型的椭圆振动压电驱动器的驱动原理图；

图6为本实用新型利用单独一侧压电叠堆驱动来模拟粘滑原理输出的结果；

图7为本实用新型提出测得的输出结果；

图8为本实用新型驱动电压幅值均为80V，不同驱动电压频率下测得的实际位移输出曲线。图中：1、动子；2、基座；3、压电叠堆；4、间隙调节单元；5、柔顺机构；6、楔块。

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及图2所示，本实用新型的椭圆振动压电驱动器，包括基座、驱动单元、动子、间隙调节单元，所述驱动单元通过螺钉与间隙调节单元4连接，间隙调节单元4通过沉头螺钉与基座2连接，所述动子1位于驱动单元的前端，通过沉头螺钉与基座2连接。

所述的驱动单元主要包括两组压电叠堆3、柔顺机构5、楔块6；压电叠堆3通过楔块6预紧安装在柔顺机构5凹槽内；所述的柔顺机构5具有对称结构，左右各分布有呈相互垂直的两组柔性铰链结构，并交叉于正前端，实现对左右两组压电叠堆3产生的运动的合成输出。

参见图3至图5所示，本实用新型的工作过程是：同时给驱动单元中两个正交的压电叠堆施加具有45°相位差的两个等频率连续简谐波，其输出经由柔顺机构合成，形成椭圆振动，周期性地与动子侧壁进行接触与脱离，进而实现动子直线步进运动。包括以下步骤：

a)调整间隙调节单元4的旋钮，实现柔顺机构5的正前端与动子1之间的间隙调节，此时柔顺机构正前端的初始位置为位置1；

b)同时给驱动单元中两个正交的压电叠堆3施加具有45°相位差的两个连续简谐波pzt1和pzt2，所述两个简谐波具有等频率的特性，并经电压平移变换处理，使电压值始终为非负状态。两路正交的压电叠堆3在逆压电效应的作用下，分别完成各自的伸长与回复。在此过程中，柔顺机构5实现对上述两路正交运动的合成，并于其正前端输出椭圆运动。每次椭圆运动中，当柔顺机构5的正前端运动到位置2时，刚好与动子1侧壁接触，此时动子1由于受到接触力F_N和具有驱动效果的摩擦力F_f，将被驱动产生位移，这一位移过程将持续到柔顺机构5的正前端运动到位置3，此后柔顺机构5与动子1的侧壁脱离，动子未受到驱动力，将保持静止状态，直到下一次柔顺机构5的正前端抵达位置2，标志着一次椭圆运动结束。上述动子产生位移的过程可分为两部分，第一部分为接触力F_N从零达到最大的过程，动子1产生第一段位移S₁，而随后接触力F_N从最大减小至零的过程可视为第二部分，动子1产生第二段位移S₂，由于两次位移方向与驱动摩擦力F_f方向均相同，因此动子1在一次椭圆运动中总共产生位移S₁+S₂。在周期椭圆运动的作用下，柔顺机构5的正前端与动子1侧壁周期性地接触与脱离，进而实现动子1沿x轴方向的步进运动。在上述过程中，控制参与驱动的椭圆轨迹长度小于等于椭圆轨迹全长的一半，即从位置2沿轨迹运动方向到达位置3经历的轨迹长度小于等于整个椭圆振动轨迹的一半，即可从原理上抑制回退运动的产生，从而，在椭圆振动的一个周期内，使动子1仅有单向运动。同理，控制两个输入简谐波相位差的正负即可实现反向驱动。

c)调节压电叠堆3输入简谐波的电压幅值和频率，即可实现对动子1速度的调控。

d)通过调节间隙调节单元4，改变参与驱动的椭圆振动轨迹长度，可实现每步位移的调节，亦可实现对动子1速度的微调。

参见图6及图7所示，是本实用新型的基于椭圆振动原理的输出曲线和单独一侧基于粘滑原理的输出曲线的对比结果，可以看出，椭圆振动驱动相比粘滑原理驱动，回退运动得到了明显的抑制，显示出椭圆振动驱动的优势。参见图8所示，是本实用新型驱动电压幅值均为80V，不同驱动电压频率下测得的实际位移输出曲线，可以看出，椭圆振动驱动器可以通过调节驱动电压频率实现速度调整，进一步说明了椭圆振动驱动具有可行性。

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 (2)

1.一种椭圆振动压电驱动器，其特征在于：包括基座（2）、驱动单元、动子（1）、间隙调节单元（4），所述驱动单元通过螺钉与间隙调节单元（4）连接，间隙调节单元（4）通过沉头螺钉与基座（2）连接，所述动子（1）位于驱动单元的前端，通过沉头螺钉与基座（2）连接。

2.根据权利要求1所述的椭圆振动压电驱动器，其特征在于：所述的驱动单元包括压电叠堆（3）、柔顺机构（5）、楔块（6），所述压电叠堆（3）通过楔块（6）预紧安装在柔顺机构（5）凹槽内；所述柔顺机构（5）具有对称结构，左右各分布有呈相互垂直的两组柔性铰链结构，并交叉于正前端，实现对左右两组压电叠堆（3）产生的运动的合成输出。