一種壓電疊堆型微位移放大機構(gòu)及其驅(qū)動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及利用壓電效應(yīng)的微型機械研究領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于壓電疊堆型微 位移放大機構(gòu)及其驅(qū)動方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著微電子、微機械、納米技術(shù)的快速發(fā)展，微位移技術(shù)已成為精密運動 系統(tǒng)和精密制造工藝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于上述系統(tǒng)中的執(zhí)行系統(tǒng)而言，一般分辨率需 要達到納米級。因為目前傳統(tǒng)的微位移放大技術(shù)，一般采用電機驅(qū)動的絲杠螺母微進給系 統(tǒng)，定位精度很難達到納米級，因此上述系統(tǒng)中的工作行程的分辨率僅在微米甚至毫米級， 不能滿足執(zhí)行系統(tǒng)的需要。
[0003] 壓電陶瓷因其體積小、位移分辨率高、響應(yīng)速度快、輸出力大、換能效率高等優(yōu)點， 目前已成為精密定位時比較理想的驅(qū)動元件，但是由于其行程只有數(shù)十納米，因此在應(yīng)用 范圍上受到了限制。
[0004] 現(xiàn)有的微位移放大機構(gòu)主要有W下Ξ種：（1)采取粗精平臺相結(jié)合的方法，即用 兩種類型不同的平臺分別完成執(zhí)行器的粗精動作。此設(shè)計方式能實現(xiàn)大行程的運動，但會 增加整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和控制復(fù)雜性。（2)采用基于"尺曖原理"或"粘滑效應(yīng)"的移動 式驅(qū)動系統(tǒng)。其精度可達到納米級別，但目前產(chǎn)品尚未標準化，加工成本較高，控制系統(tǒng)較 復(fù)雜。（3)利用運放機構(gòu)連接驅(qū)動器與執(zhí)行器，將驅(qū)動器的行程進行放大或縮小，從而保證 較高的精度。運種機構(gòu)目前運用最為廣泛，例如公告號為CN102394270A的中國發(fā)明專利公 開了 一種兩級微位移放大機構(gòu)。但該專利提出的兩級微位移放大機構(gòu)只是簡單地把兩個Ξ 角形位移縮放器正交聯(lián)接放置，由此造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜賄腫。 陽0化]因此，如何有效地將微位移進行放大，同時能夠達到結(jié)構(gòu)和控制較簡單、精度高的 目標是目前亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提出一種壓電疊堆型微位移 放大機構(gòu)，該微位移放大機構(gòu)利用叛型壓電驅(qū)動器作為動力源，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、 分辨率高、頻響快等優(yōu)點。
[0007] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于上述壓電疊堆型微位移放大機構(gòu)的驅(qū)動 方法，該方法操作方便，能夠精確地調(diào)整微位移放大機構(gòu)的位移量。
[0008] 本發(fā)明的目的通過W下的技術(shù)方案實現(xiàn)：一種壓電疊堆型微位移放大機構(gòu)，包括 驅(qū)動電源和若干個微位移放大單元，驅(qū)動電源輸出直流電壓；每個所述微位移放大單元包 括一叛型壓電驅(qū)動器和一機架，所述叛型壓電驅(qū)動器由驅(qū)動電源激勵，由若干個叛型壓電 驅(qū)動單元組成，每個所述叛型壓電驅(qū)動單元包括兩片叛型金屬帽和一壓電陶瓷單元，所述 壓電陶瓷單元設(shè)置在兩片叛型金屬帽中間，Ξ者固定連接；叛型壓電驅(qū)動單元之間采用結(jié) 構(gòu)上串聯(lián)、電路上并聯(lián)的方式相互貼合疊加，所述叛型壓電驅(qū)動器固定在機架上的兩個推 桿之間，每個推桿遠離叛型壓電驅(qū)動器的一端為輸出端。本發(fā)明采用若干個叛型壓電驅(qū)動 單元串聯(lián)的機構(gòu)，可實現(xiàn)較大的位移移動。
[0009] 作為一種優(yōu)選，每個所述叛型壓電驅(qū)動單元中的壓電陶瓷單元采用一對沿厚度方 向極化的壓電陶瓷圓盤或圓環(huán)，兩壓電陶瓷圓盤或圓環(huán)極性相反，正向極性相互貼合。
[0010] 作為另一種優(yōu)選，每個所述叛型壓電驅(qū)動單元中的壓電陶瓷單元采用一對沿徑向 極化的壓電陶瓷圓環(huán)，兩壓電陶瓷圓環(huán)極性相反，正向極性相互貼合。
[0011] 作為一種優(yōu)選，所述機架為一狹長的框架結(jié)構(gòu)，所述推桿上原來作為輸出端的一 端固定在機架內(nèi)側(cè)長軸方向上，新的輸出端設(shè)置在機架外側(cè)短軸方向上。利用機架的框架 結(jié)構(gòu)，可W將壓電陶瓷單元產(chǎn)生的微變形進行二次放大，進一步增加位移驅(qū)動的行程。
[0012] 更進一步的，所述機架為楠圓形或者菱形的框架結(jié)構(gòu)。采用運種結(jié)構(gòu)具有加工方 便、節(jié)省材料、便于多個微位移放大單元進行組合的優(yōu)點。
[0013] 更進一步的，為了使機架在推桿的作用下更容易發(fā)生變形，在所述推桿與機架內(nèi) 壁之間的過渡區(qū)設(shè)有柔性較鏈。
[0014] 優(yōu)選的，所述叛型壓電驅(qū)動器上同一回路中的叛型金屬帽均設(shè)有一個接線端子， 所有接在壓電陶瓷單元同一極性面的接線端子通過引線與驅(qū)動電源相連。通過上述機構(gòu)， 可完成驅(qū)動電源對叛型壓電驅(qū)動器的激勵。
[0015] 優(yōu)選的，所述兩片叛型金屬帽和壓電陶瓷單元是通過環(huán)氧樹脂粘接固定或直接燒 結(jié)而成。
[0016] 優(yōu)選的，所述叛型壓電驅(qū)動單元之間采用環(huán)氧樹脂粘接固定，或者在相鄰的兩片 叛型金屬帽上設(shè)置限位裝置使其緊密配合。
[0017] 優(yōu)選的，所述叛型壓電驅(qū)動器與推桿之間采用環(huán)氧樹脂粘接固定，或者在叛型壓 電驅(qū)動器末端的叛型金屬帽上設(shè)有單頭螺柱，在推桿上設(shè)有螺紋孔，二者通過螺紋配合固 定連接。
[0018] 優(yōu)選的，所述機架的剛度小于或等于所述叛型壓電驅(qū)動器的剛度，W便微位移實 現(xiàn)有效傳遞。
[0019] 一種基于上述壓電疊堆型微位移放大機構(gòu)的驅(qū)動方法，步驟是：驅(qū)動電源輸出直 流信號到壓電陶瓷單元，壓電陶瓷單元由于逆壓電效應(yīng)沿軸向發(fā)生微變形，微變形傳給其 兩側(cè)的叛型金屬帽，由于叛型金屬帽的結(jié)構(gòu)特性，使微變形放大，并傳遞到推桿輸出端。
[0020] 一種基于上述壓電疊堆型微位移放大機構(gòu)的驅(qū)動方法，步驟是：所述輸出端設(shè)置 在機架外側(cè)短軸方向上，驅(qū)動電源輸出直流信號到壓電陶瓷單元，壓電陶瓷單元由于逆壓 電效應(yīng)沿軸向微變形，微變形傳給其兩側(cè)的叛型金屬帽，由于叛型金屬帽的結(jié)構(gòu)特性，使微 變形實現(xiàn)第一次放大，放大后的微變形通過推桿傳給機架，由于機架的結(jié)構(gòu)特性，微變形實 現(xiàn)第二次放大，最后經(jīng)輸出端對外部執(zhí)行器進行位移驅(qū)動。 陽021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：
[0022] 1、本發(fā)明提出一種叛型壓電驅(qū)動單元，其包括兩片叛型金屬帽和一壓電陶瓷單 元，壓電陶瓷單元在驅(qū)動電源激勵下可產(chǎn)生厚度方向上的微變形，根據(jù)叛型金屬帽的結(jié)構(gòu)， 在壓電陶瓷單元發(fā)生微變形時，可將微變形進行放大，從而可W實現(xiàn)較大的位移。
[0023] 2、本發(fā)明提出將若干個叛型壓電驅(qū)動單元進行串聯(lián)，同時將若干個微位移放大單 元進行串聯(lián)，從而可W實現(xiàn)較大的位移放大倍數(shù)，使微位移放大機構(gòu)具有較大的行程。
[0024] 3、本發(fā)明提出設(shè)置一狹長形的機架，可將壓電陶瓷單元產(chǎn)生的、長軸方向上的微 變形轉(zhuǎn)變成短軸上、輸出端的微變形，進一步對微變形進行放大，增加微位移放大機構(gòu)的位 移量。
[0025] 4、本發(fā)明所采用的機架為整體式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，造價低，無需裝配，避免裝配誤 差D
【附圖說明】
[0026] 圖1為實施例1所述微位移放大單元的剖視圖。
[0027] 圖2為實施例1所述叛型壓電驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[002引圖3為實施例1所述機架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖4為3個微位移放大單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖5為單個叛型壓電驅(qū)動單元施加正向直流電壓后的變形示意圖。
[0031] 圖6為機架在變形前后的位置移動示意圖。
[0032] 圖7為實施例2中機架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖8為實施例3中機架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 其中：1一機架；2-壓電陶瓷單元；3-叛型金屬帽；4-驅(qū)動電源；5-變形后的機 架；6-引線；101-推桿；102-柔性較鏈；103-輸出端。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0036] 實施例1
[0037] 參見圖1、4,本實施例一種壓電疊堆型微位移放大機構(gòu)，包括驅(qū)動電源4和3個微 位移放大單元，每個微位移放大單元的結(jié)構(gòu)參見圖1，驅(qū)動電源輸出直流電壓激勵微位移放 大單元發(fā)生微變形。
[0038]本實施例中，所述微位移放大單元包括一叛型壓電驅(qū)動器和機架1，叛型壓電驅(qū)動 器由若干個叛型壓電驅(qū)動單元組成，每個叛型壓電驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括兩片 叛型金屬帽3和一壓電陶瓷單元2,所述壓電陶瓷單元設(shè)置在兩片叛型金屬帽中間，Ξ者通 過環(huán)氧樹脂進行粘接固定。本實施例中壓電陶瓷單元采用一對沿厚度方向極化的壓電陶瓷 圓盤，運兩個壓電陶瓷圓盤極性相反，正向極性相互貼合。當然，上述壓電陶瓷單元的作用 僅在于實現(xiàn)在驅(qū)動電源激勵下產(chǎn)生厚度方向上的微變形，因此現(xiàn)有的利用壓電陶瓷來實現(xiàn) 微位移的一般結(jié)構(gòu)也可放在此處使用。在實際設(shè)計中，還可采用一對沿厚度方向極化的壓 電陶瓷圓環(huán)，或者采用一對沿徑向極化的壓電陶瓷圓環(huán)等結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
[0039] 叛型壓電驅(qū)動單元之間采用