專利名稱：壓電－電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電-電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器，屬于精密自動控制技術(shù)領(lǐng)域。
傳統(tǒng)的二維驅(qū)動器，均采用二個或二組電動機通過傳動來實現(xiàn)x，y方向的運動，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、分辯率低。現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展還需要發(fā)展新一代具有亞微米、納米精度的，多自由度、機敏微位移驅(qū)動器，如在集成電路制造工業(yè)中的圖形發(fā)生器工作臺，微機械工作臺，精密微細操作臺，機器人新型驅(qū)動器，激光微調(diào)器等，都需要發(fā)展新型多自由度、靈巧驅(qū)動器。
本發(fā)明人曾經(jīng)提出了一種壓電效應(yīng)驅(qū)動、電流變效應(yīng)箝位，結(jié)合仿生運動模式的自步進直線運動的馬達，具有大行程、高分辯率、結(jié)構(gòu)簡單、低成本的特點，但僅限于一維運動。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種壓電-電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器，利用電流變效應(yīng)箝位、壓電驅(qū)動，結(jié)合仿生運動的模式，實現(xiàn)平面二維運動。
本發(fā)明設(shè)計的壓電-電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器，由基體、電流變流體、三塊箝位板和二塊壓電致動器組成。電流變流體置于基體內(nèi)，三塊箝位板置于電流變流體中，箝位板的下側(cè)裝有電極面，該電極面與基體之間置有絕緣塊，二塊壓電致動器互成直角置于箝位板上，通過箝位板上的連接件將箝位板與壓電致動器相對固定。
本發(fā)明設(shè)計的驅(qū)動器的第二種結(jié)構(gòu)形式，由基體、電流變流體、四塊箝位板和四塊壓電致動器組成。電流變流體置于基體內(nèi)，箝位板置于電流變流體中，箝位板的下側(cè)面為電極面，箝位板與基體之間分別置有絕緣塊。四塊壓電致動器互成直角置于箝位板上，通過箝位板上的連接件將箝位板與壓電致動器相對固定。
本發(fā)明設(shè)計的驅(qū)動器的第三種結(jié)構(gòu)，由基體、電流變流體、四塊箝位板、四個壓電致動器和一個金屬彈性體組成。電流變流體置于基體內(nèi)，箝位板置于電流變流體中。四個箝位板的下側(cè)面分別為電極面，該電極面與基體之間置有絕緣塊。金屬彈性體置于箝位板上，彈性體的四個方角部分與箝位板相對固定，方角之間為具有彈性的波紋狀邊，四塊壓電致動器，每相鄰兩個之間互成直角安裝在彈性體的四個方角之間。


圖1是本發(fā)明設(shè)計的壓電-電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的A-A剖視圖。
圖3是本發(fā)明設(shè)計的驅(qū)動器的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖3的B-B剖視圖。
圖5是本發(fā)明設(shè)計的驅(qū)動器的第三種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是圖5的C-C剖視圖。
下面結(jié)合附圖，詳細介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
本發(fā)明設(shè)計的靈巧驅(qū)動器，第一種結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。圖1和圖2中，1、2、3是箝位板，1a，1b、2a、3a是連接件，1c、2c、3c(圖中未顯示出)是電極面，4和5是壓電致動器，6是電流變流體，7是基體，8是絕緣塊。
驅(qū)動器的工作原理是基體7，電流變流體6分別與3個箝位板的電極面1c、2c、3c構(gòu)成箝位器，三個箝位板的電極面1c、2c、3c(圖中未示出)下面，分別置有若干個小的絕緣塊8，使得箝位板1、2、3與基體7之間分開一個給定間隙(0.1～1mm)，并使其內(nèi)充滿電流變流體。當在任一箝位板與基體7之間施加一電場，則因電流變效應(yīng)，瞬間(小于10-3s)，將該區(qū)間的電流變流體變成弱固態(tài)，因而使該極板固住，稱為箝位。當去掉電場后，電流變流體又會在瞬間恢復(fù)為液態(tài)，即恢復(fù)為自由狀態(tài)，稱為松位。箝位板2、3與主箝位板1之間分別裝有壓電致動器4和5，它們分別構(gòu)成x，y方向的驅(qū)動，驅(qū)動方法如下(1)x方向運動使箝位板2保持自由狀態(tài)-松位。第一步，在箝位板1的電極面1c與基板7之間施加一高的方波電壓信號，使箝位板1箝位，而箝位板3為自由狀態(tài)；第二步，給壓電致動器5施加一正的電壓信號，5伸長，同時推動箝位板3沿x方向走一步Δx；第三步，保持5伸長，在箝位板3與基板之間施加一高的方波電壓脈沖，使3箝位，同時去掉箝位板1上的電壓，使1松位；第四步，去掉壓電致動器5上的電壓，或再施加負電壓，結(jié)果5在恢復(fù)原長或縮短的同時，帶動箝位板1與箝位板2一起向右運動一步。以后周期重復(fù)下去，驅(qū)動器將一直沿x的正方向運行下去。
(2)y向運行使箝位板3保持自由狀態(tài)(零電位)-松位。完全類似x方向的運動步驟第一步，使箝位板1松位，箝位板2箝位；第二步，給壓電致動器4施加一正的電壓脈沖，其伸長，箝位板1沿y的正方向運行一步；第三步，4保持伸長，使1箝位，2自由；第四步，去掉4上的電壓或再施加負的電壓脈沖，結(jié)果4在恢復(fù)原長或縮短的同時，箝位板2連同箝位板3一起，向y正向方向運行一步。重復(fù)以上步驟，驅(qū)動器將一直沿正y向運行下去。
(3)x-y平面運動驅(qū)動器從平面某一點(x0，y0)運動到任一點(x，y)可以先令驅(qū)動器沿x方向從x0點，運動到x點，再令驅(qū)動器從(x，y0)點，沿y方向運動到(x，y)點。也可以用一條細分析線來逼近從(x0，y0)到(x，y)的直線的方法，驅(qū)動器的運動仍可分解成x向與y向的運動合成，這個運動合成可由計算機控制軟件來完成。
圖3和圖4是本發(fā)明設(shè)計的驅(qū)動器的第二種結(jié)構(gòu)形式。圖3和圖4中，9、10、11、12是箝位器，9a、9b、10a、10b、11a、11b、12a、12b是連接件，13、14、15、16是壓電致動器，17是絕緣塊，18是基體，19是電流變流體。
與圖1和圖2的結(jié)構(gòu)不同的是，圖3和圖4所示的驅(qū)動器有4個箝位板9、10、11、12和4個壓電致動器13、14、15、16，這些箝位板與壓電致動器的不同組合與配合，可使驅(qū)動器做出一些復(fù)雜的運動模式。
(1)x向運動壓電致動器14、16保持本來狀態(tài)(不接外電壓)，壓電致動器13、15組合成一個致動器，同時響應(yīng)一個外加電壓脈沖，同時伸長與收縮，箝位板9、12組合成一個箝位板，箝位板10、11組合成一個箝位板，這樣組合后的箝位板，同時響應(yīng)一個外加電壓脈沖，執(zhí)行箝位與松位動作，這樣組合后，完全類似一個沿x向運動的直線驅(qū)動器，其工作步驟與圖1中驅(qū)動器沿x向運動的工作步驟完全相同。
(2)y向運動壓電致動14、16組合成一個致動器，同時響應(yīng)一個外加電壓脈沖，同時伸長與收縮，而壓電驅(qū)動器13、15保持本來狀態(tài)(不接外電壓)；箝位板9、10組合成一個箝位板，箝位板11、12組合成一個箝位板，這樣組合后的箝位板，同時響應(yīng)一個外加電壓脈沖，執(zhí)行箝位與松動動作，重新組合后，驅(qū)動器完全類似一個沿y方向運動的直線驅(qū)動器，其工作步驟與圖1中驅(qū)動器沿y向運動時工作步驟完全相同。
(3)x-y平面運動4個箝位極板與4個壓電致動器，在計算機軟件控制下，分別按x方向，y方向運動組合，就可實現(xiàn)從某一點(x0，y0)到任一點(x，y)的平面運動，其工作步驟完全類似圖1中x-y平面運動的描述。
(4)轉(zhuǎn)彎與旋轉(zhuǎn)運動當驅(qū)動器沿x正向運動時，若壓電致動器13、15一個令其伸長，一個令其縮短，則驅(qū)動器就會作轉(zhuǎn)彎運動。如驅(qū)動器在步進運動中，始終讓13伸縮的位移量比15伸縮位移量大，則驅(qū)動器將向-y偏轉(zhuǎn)，反之，則向+y向偏轉(zhuǎn)。
當保持某一個箝位極板不動時，令其對角點的箝位板，分別與相鄰的兩個壓電致動器和箝位板組合，依次作右旋步進或左旋步進，則驅(qū)動器繞該箝位板作右旋或左旋運動。如令箝位板9不動，令其對角點上的箝位板11與其相鄰的壓電致動器14，箝位板10組合，令其向正y向運動一步；該箝位板再與另一相鄰的壓電致動器15、箝位板12組合，再令其向正x向運行一步，結(jié)果驅(qū)動器就完成繞箝位板9的左旋或反時針旋轉(zhuǎn)一步，還有一些其它組合的旋轉(zhuǎn)運動，這里不一一列舉。
圖5和圖6是本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)二維平面靈巧驅(qū)動器。圖5和圖6中，20是金屬彈性體，21、22、23、24是波紋狀邊，25、26、27、28是壓電致動器，29、30、31、32是箝位板，29a、30a(圖中未顯示出)、31a(圖中未顯示出)、32a是電極面，34是電流變流體，35是基體，36是絕緣塊。從圖中可以看出，這種結(jié)構(gòu)與圖3類似，不同的是四個壓電致動器是安裝在一個金屬彈性體20內(nèi)，并被施于彈性予緊力，使其具有更好的回零性和位移線性關(guān)系。方塊狀金屬彈性體20是由一方塊狀金屬，用線切割方法，將其四個邊切成具有很好彈性的波紋狀邊21、22、23、24，并切去中間部分而成形。四個壓電致動器25、26、27、28通過彈性波紋邊而被施以預(yù)緊力，彈性體的四個方角，再分別同四個箝位板29、30、31、32粘接在一起，或通過鏍釘緊固在一起，四個箝位板的箝位電極面29a、30a、31a(未顯示出)，32a同彈性體20是電氣絕緣的；四個箝位板、基體35以及箝位板與基板之間的電流變流體34一起，構(gòu)成四個箝位器，類似于圖3所示，四個箝位器與四個壓電致動器的不同組合與配合，可實現(xiàn)二維平面上的多種自步進運動與驅(qū)動，其工作方式與圖3所示的工作方式完全相同。
權(quán)利要求
1.一種壓電-電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器，其特征在于該驅(qū)動器由基體、電流變流體、三塊箝位板和二塊壓電致動器組成；所述的電流變流體置于基體內(nèi)，三塊箝位板置于電流變流體中，箝位板的下側(cè)裝有電極面，該電極面與基體之間置有絕緣塊，二塊壓電致動器互成直角置于箝位板上，并通過箝位板上的連接件將箝位板與壓電致動器相對固定。
2.一種壓電-電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器，其特征在于該驅(qū)動器由基體、電流變流體、四塊箝位板和四塊壓電致動器組成；所述的電流變流體置于基體內(nèi)，箝體板置于電流變流體中，箝位板的下側(cè)面為電極面，箝位板與基體之間分別置有絕緣塊；四塊壓電致動器互成直角置于箝位板上，并通過箝位板上的連接件將箝位板與壓電致動器相對固定。
3.一種壓電-電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器，其特征在于該驅(qū)動器由基體、電流變流體、四塊箝位板、四個壓電致動器和一個金屬彈性體組成；所述的電流變流體置于基體內(nèi)，箝位板置于電流變流體中；四個箝位板的下側(cè)面分別為電極面，該電極面與基體之間置有絕緣塊；金屬彈性體置于箝位板上，彈性體的四個方角部分與塊箝位板相對固定，方角之間為具備彈性的波紋狀，四塊壓電致動器的每相鄰兩塊之間互成直角安裝在彈性體的四個方角之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電—電流變平面自步進靈巧驅(qū)動器,該驅(qū)動器由基體、電流變流體、箝位板和壓電致動器組成。電流變流體置于基體內(nèi),箝位板置于電流變流體中。箝位板的一側(cè)裝有電極面,該電極面與基體之間置有絕緣塊,壓電致動器互成直角置于驅(qū)動板上,致動器兩端分別通過連接件與箝位板相對固定。本發(fā)明利用壓電效應(yīng)和電流變效應(yīng),結(jié)合仿生運動模式,實現(xiàn)x,y方向的驅(qū)動或平面多種運動。本發(fā)明具有高分辯率、大行程等優(yōu)點,在精密控制中具有重要意義。
文檔編號H02N2/00GK1173069SQ9711247
公開日1998年2月11日 申請日期1997年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月13日
發(fā)明者董蜀湘, 王樹昕, 魏曉勇, 李龍土 申請人:清華大學(xué)