本發(fā)明屬于精密控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于柔性放大結(jié)構(gòu)的徑向壓電驅(qū)動(dòng)器。

背景技術(shù)：

近年來，壓電驅(qū)動(dòng)器因其響應(yīng)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)力大、驅(qū)動(dòng)頻率寬、定位精度高而被廣泛應(yīng)用到微控制領(lǐng)域，例如生物和化工工程領(lǐng)域：顯微手術(shù)、生物細(xì)胞的操作、微操作等微納米級(jí)的定位平臺(tái)，光學(xué)工程領(lǐng)域：激光雷達(dá)系統(tǒng)、激光加工微操作平臺(tái)等等。雖然壓電陶瓷產(chǎn)生的微位移適用于精密控制領(lǐng)域，但是其位移輸出量程有限而受到了很大的限制。因此，壓電驅(qū)動(dòng)器多采用基于柔性位移放大結(jié)構(gòu)。柔性位移放大結(jié)構(gòu)主要是機(jī)械放大結(jié)構(gòu)結(jié)合柔性鉸鏈，柔性鉸鏈具有無損耗、無摩擦、連接無縫隙、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

目前采用的柔性位移放大結(jié)構(gòu)主要為：(1)結(jié)合柔性鉸鏈的菱形放大結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)大位移應(yīng)變，但是結(jié)構(gòu)橫向剛度低；(2)復(fù)合橋式結(jié)構(gòu)，改善了橋式結(jié)構(gòu)橫向剛度低的缺點(diǎn)但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜；(3)嵌套蜂窩結(jié)構(gòu)，例如公告號(hào)為cn105384139的中國發(fā)明專利公開了一種兩級(jí)嵌套的微位移放大結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)大應(yīng)變量程。但是，該位移放大結(jié)構(gòu)只可以實(shí)現(xiàn)單方向y軸的位移輸出。

因此，在實(shí)現(xiàn)位移放大的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器如何實(shí)現(xiàn)多方向輸出稱為目前急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于柔性放大結(jié)構(gòu)的徑向壓電驅(qū)動(dòng)器，用于解決在實(shí)現(xiàn)位移放大的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器如何實(shí)現(xiàn)多方向輸出的問題，本發(fā)明采用壓電驅(qū)動(dòng)器為動(dòng)力源，具有亞納米級(jí)的精度、輸出力大、亞毫秒級(jí)的響應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊和橫向剛度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了徑向的位移輸出，解決了驅(qū)動(dòng)器輸出單一方向的問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于柔性放大結(jié)構(gòu)的徑向壓電驅(qū)動(dòng)器，包括壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元的外側(cè)設(shè)置有用于對(duì)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元的輸出位移進(jìn)行放大的柔性放大結(jié)構(gòu)，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元的兩端通過引線連接至位于柔性放大結(jié)構(gòu)外側(cè)的驅(qū)動(dòng)電源；所述的柔性放大結(jié)構(gòu)包括連接在壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元兩端的端蓋，以及用于將兩個(gè)端蓋連接在一起的套筒。

進(jìn)一步地，套筒和兩個(gè)端蓋采用螺紋配合連接或者采用緊固螺釘固定。

進(jìn)一步地，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元由若干對(duì)圓環(huán)狀或圓片狀的壓電陶瓷堆疊而成。

進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷沿其z軸極化，且每對(duì)壓電陶瓷中的兩片壓電陶瓷極化方向相反，驅(qū)動(dòng)電源對(duì)每片壓電陶瓷施加的電場方向與其極化方向相同。

進(jìn)一步地，當(dāng)壓電陶瓷為圓環(huán)狀時(shí)，兩個(gè)端蓋的內(nèi)側(cè)均設(shè)有凸臺(tái)，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元的兩端分別套設(shè)在兩個(gè)端蓋內(nèi)側(cè)的凸臺(tái)上。

進(jìn)一步地，當(dāng)壓電陶瓷為圓片狀時(shí)，兩個(gè)端蓋的內(nèi)側(cè)均設(shè)有凹槽，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元的兩端分別嵌套在兩個(gè)端蓋內(nèi)側(cè)的凹槽中。

進(jìn)一步地，套筒包括兩個(gè)中空圓臺(tái)以及連接在兩個(gè)中空圓臺(tái)之間的第一中空圓柱，兩個(gè)中空圓臺(tái)直徑較小的一端與第一中空圓柱連接，兩個(gè)中空圓臺(tái)直徑較大的一端均連接有第二中空圓柱，兩個(gè)端蓋分別與兩個(gè)第二中空圓柱配合連接。

進(jìn)一步地，兩個(gè)中空圓臺(tái)與第一中空圓柱的連接處以及兩個(gè)中空圓臺(tái)與第二中空圓柱的連接處均設(shè)有柔性鉸鏈。

進(jìn)一步地，套筒上設(shè)置有四對(duì)伸縮縫，且四對(duì)伸縮縫以套筒的中心線為對(duì)稱軸呈中心對(duì)稱。

進(jìn)一步地，柔性放大結(jié)構(gòu)的剛度小于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元的剛度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明提出了一種基于柔性放大結(jié)構(gòu)的徑向壓電驅(qū)動(dòng)器，包括端蓋和套筒結(jié)合的柔性放大結(jié)構(gòu)，該柔性放大結(jié)構(gòu)繼承了菱形放大結(jié)構(gòu)輸出大位移量程的優(yōu)點(diǎn)，改善和優(yōu)化了橫向剛度低、輸出驅(qū)動(dòng)力低、其他方向輸出導(dǎo)致的“位移缺失”的缺點(diǎn)，同時(shí)，該位移放大結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了徑向的位移輸出，解決了驅(qū)動(dòng)器輸出單一方向的問題。

進(jìn)一步地，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元通過端蓋內(nèi)側(cè)的凸臺(tái)或凹槽進(jìn)行固定，設(shè)計(jì)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、成本低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可重復(fù)使用。

進(jìn)一步地，套筒包括兩個(gè)中空圓臺(tái)以及連接在兩個(gè)中空圓臺(tái)之間的第一中空圓柱，兩個(gè)中空圓臺(tái)的自由端還分別連接有一個(gè)第二中空圓柱，兩個(gè)中空圓臺(tái)與第一中空圓柱的連接處以及兩個(gè)中空圓臺(tái)與第二中空圓柱的連接處均設(shè)有柔性鉸鏈，可以提高徑向輸出位移量程，具有無摩擦、無損耗、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步地，套筒上設(shè)置有四對(duì)伸縮縫，有助于微位移放大。

進(jìn)一步地，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元的剛度大于端蓋和套筒組成的柔性放大結(jié)構(gòu)，因此壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生的施加到端蓋上的軸向應(yīng)力幾乎不會(huì)使壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元發(fā)生壓縮變形。軸向應(yīng)力推動(dòng)端蓋，套筒側(cè)壁徑向擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元軸向位移轉(zhuǎn)化為徑向位移并且放大輸出。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的左視圖；

圖3是圖1的俯視圖；

圖4是本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖4的左視圖；

圖6是圖4的俯視圖；

圖7是針對(duì)本發(fā)明圖1結(jié)構(gòu)施加電壓后的變形示意圖。

其中：1—端蓋；2—套筒；3—鉸鏈；4—壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元；5—驅(qū)動(dòng)電源；6—緊固螺釘；7、伸縮縫；8—未變形的輪廓。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1至圖6，一種基于柔性放大結(jié)構(gòu)的徑向壓電驅(qū)動(dòng)器，包括柔性放大結(jié)構(gòu)、壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4以及驅(qū)動(dòng)電源5。柔性放大結(jié)構(gòu)對(duì)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4輸出位移進(jìn)行放大，套筒2和兩個(gè)端蓋1組成柔性放大結(jié)構(gòu)；柔性放大結(jié)構(gòu)成周期對(duì)稱和上下對(duì)稱；兩個(gè)端蓋1和套筒2之間采用螺紋配合連接或者采用緊固螺釘固定。1端蓋成階梯圓柱狀，端蓋1的小直徑端與壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的接觸方式為嵌入或被嵌入，該接觸方式可很好的固定壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4，套筒2上設(shè)置有四對(duì)伸縮縫7，且四對(duì)伸縮縫7以套筒2的中心線為對(duì)稱軸呈中心對(duì)稱，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的電源引線從側(cè)壁開縫處引出。

套筒2包括兩個(gè)中空圓臺(tái)以及連接在兩個(gè)中空圓臺(tái)之間的第一中空圓柱，兩個(gè)中空圓臺(tái)直徑較小的一端與第一中空圓柱連接，兩個(gè)中空圓臺(tái)直徑較大的一端均連接有第二中空圓柱，兩個(gè)端蓋1分別與兩個(gè)第二中空圓柱配合連接，兩個(gè)中空圓臺(tái)與第一中空圓柱的連接處以及兩個(gè)中空圓臺(tái)與第二中空圓柱的連接處均設(shè)有柔性鉸鏈3，套筒2上設(shè)置有四對(duì)伸縮縫7，且四對(duì)伸縮縫7以套筒2的中心線為對(duì)稱軸呈中心對(duì)稱，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的兩端的引線通過伸縮縫7連接至位于柔性放大結(jié)構(gòu)外側(cè)的驅(qū)動(dòng)電源5；當(dāng)套筒2兩端有內(nèi)螺紋，兩端蓋大直徑端有外螺紋，端蓋1和套筒2采用螺紋配合固定；當(dāng)套筒2兩端沒有內(nèi)螺紋，兩端蓋1大直徑端沒有外螺紋，端蓋1和套筒2采用緊固螺釘6固定連接。

端蓋1呈階梯圓柱狀，端蓋1與壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的連接方式為上下端蓋1的小直徑端內(nèi)嵌到壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4內(nèi)，端蓋階梯面與壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4上下表面接觸；或上下端蓋1的小直徑端具有一個(gè)凹槽，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4置于上下端蓋的凹槽內(nèi)，上下端蓋1階梯面與壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4上下表面接觸。

壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4采用若干對(duì)圓環(huán)或圓片狀的壓電陶瓷，壓電陶瓷沿其z軸極化，每對(duì)壓電陶瓷的極化方向相反，第一塊壓電陶瓷的極化方向?yàn)?z方向，第二塊壓電陶瓷的極化方向?yàn)?z方向，以此類推。且對(duì)每片壓電陶瓷所施加的驅(qū)動(dòng)電源5的電場方向與其極化方向相同，壓電陶瓷片厚度小于1μm，采用結(jié)構(gòu)上串聯(lián)、電路上并聯(lián)的連接方式可以實(shí)現(xiàn)150v的低電壓驅(qū)動(dòng)。

本發(fā)明工作原理如下：壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的陶瓷片的極化方向與所施加的外電場方向與極化方向相同，當(dāng)給壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4施加電源時(shí)，由于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4發(fā)生軸向擴(kuò)張，且壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的剛度大于端蓋和套筒組成的柔性放大結(jié)構(gòu)，因此壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4產(chǎn)生的施加到端蓋上的軸向應(yīng)力幾乎不會(huì)使其發(fā)生壓縮變形，軸向應(yīng)力推動(dòng)端蓋，套筒側(cè)壁徑向擴(kuò)張，陶瓷疊堆軸向位移轉(zhuǎn)化為徑向位移并且放大輸出。

下面對(duì)本發(fā)明的操作過程做詳細(xì)描述：

本發(fā)明的一種基于柔性放大結(jié)構(gòu)的徑向壓電驅(qū)動(dòng)器，其有兩種結(jié)構(gòu)。一種結(jié)構(gòu)包括：端蓋1、套筒2、柔性鉸鏈3、壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4和驅(qū)動(dòng)電源5。圖1為一種結(jié)構(gòu)的剖面圖，可以看到端蓋1呈圓柱階梯狀，端蓋1大直徑端有外螺紋，小直徑端內(nèi)嵌到圓環(huán)狀壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4內(nèi)側(cè)，用于固定壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4；套筒2上下端內(nèi)側(cè)有內(nèi)螺紋，與端蓋1的大直徑端的外螺紋配合固定，端蓋1給壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4施加一定的預(yù)應(yīng)力，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4與端蓋1緊密結(jié)合；套筒2拐點(diǎn)處結(jié)合柔性鉸鏈3；壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4上施加驅(qū)動(dòng)電源5，引線從套筒2側(cè)壁伸縮縫7處引出；套筒2側(cè)壁周期對(duì)稱開8條伸縮縫7，如圖2所示。

另一種結(jié)構(gòu)包括：端蓋1、套筒2、柔性鉸鏈3、壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4、驅(qū)動(dòng)電源5和緊固螺母6。圖4為另一種結(jié)構(gòu)的剖面圖，可以看到端蓋1呈圓柱階梯狀，大直徑端不具有有外螺紋，套筒2上下端不具有內(nèi)螺紋，端蓋1和套筒2通過緊固螺釘6固定；端蓋1的小直徑端具有凹槽，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4置于凹槽中；壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的預(yù)緊力通過緊固螺母施加，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4與端蓋1緊密接觸；套筒2拐點(diǎn)處結(jié)合柔性鉸鏈3；壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4上施加驅(qū)動(dòng)電源5，引線從套筒2側(cè)壁的伸縮縫7引出；套筒2側(cè)壁周期對(duì)稱開8條伸縮縫7，如圖5所示。

本實(shí)施例采用ansys有限元軟件對(duì)本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行分析，得到該驅(qū)動(dòng)器的諧振頻率為6118hz。圖7所示為該驅(qū)動(dòng)器壓電疊堆施加電壓后的變形示意圖，8為未變形的輪廓，得到軸向輸出位移為1.07e-5m，徑向輸出位移為4.81e-5m，該驅(qū)動(dòng)器的放大倍數(shù)為4.50倍。

實(shí)施例1：

首先，將下端蓋1旋進(jìn)套筒2底部，通過內(nèi)外螺紋相配合連接；下端蓋1的小直徑端內(nèi)嵌到壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4內(nèi)側(cè)，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的下表面與下端蓋1的階梯面接觸；壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4電源線從套筒2側(cè)壁伸縮縫7處引出，施加驅(qū)動(dòng)電源5；上端蓋1的小直徑端內(nèi)嵌到壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4內(nèi)側(cè)，上端蓋1的階梯面與壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4的上表面接觸；上端蓋1的大直徑端具有外螺紋，套筒3頂端具有內(nèi)螺紋，將端蓋1旋進(jìn)套筒2頂端，并且給壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4施加預(yù)應(yīng)力。

實(shí)施例2：

與實(shí)施例1不同的是，再此實(shí)施例中端蓋1和套筒3不具有外螺紋和內(nèi)螺紋，端蓋1和套筒2通過緊固螺釘6固定；上下端蓋1的小直徑端具有一個(gè)凹槽，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4置于凹槽中，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元4兩端和端蓋采用環(huán)氧樹脂粘接固定。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。