一种压电叠堆型微位移放大机构及其驱动方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及利用压电效应的微型机械研究领域，尤其设及一种基于压电叠堆型微 位移放大机构及其驱动方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着微电子、微机械、纳米技术的快速发展，微位移技术已成为精密运动 系统和精密制造工艺中的关键技术之一。对于上述系统中的执行系统而言，一般分辨率需 要达到纳米级。因为目前传统的微位移放大技术，一般采用电机驱动的丝杠螺母微进给系 统，定位精度很难达到纳米级，因此上述系统中的工作行程的分辨率仅在微米甚至毫米级， 不能满足执行系统的需要。
[0003] 压电陶瓷因其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高等优点， 目前已成为精密定位时比较理想的驱动元件，但是由于其行程只有数十纳米，因此在应用 范围上受到了限制。
[0004] 现有的微位移放大机构主要有W下Ξ种：（1)采取粗精平台相结合的方法，即用 两种类型不同的平台分别完成执行器的粗精动作。此设计方式能实现大行程的运动，但会 增加整个系统结构复杂性和控制复杂性。（2)采用基于"尺暧原理"或"粘滑效应"的移动 式驱动系统。其精度可达到纳米级别，但目前产品尚未标准化，加工成本较高，控制系统较 复杂。（3)利用运放机构连接驱动器与执行器，将驱动器的行程进行放大或缩小，从而保证 较高的精度。运种机构目前运用最为广泛，例如公告号为CN102394270A的中国发明专利公 开了 一种两级微位移放大机构。但该专利提出的两级微位移放大机构只是简单地把两个Ξ 角形位移缩放器正交联接放置，由此造成结构复杂贿肿。 阳0化]因此，如何有效地将微位移进行放大，同时能够达到结构和控制较简单、精度高的 目标是目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点和不足，提出一种压电叠堆型微位移 放大机构，该微位移放大机构利用叛型压电驱动器作为动力源，具有结构简单、体积较小、 分辨率高、频响快等优点。
[0007] 本发明的另一个目的在于提供一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动 方法，该方法操作方便，能够精确地调整微位移放大机构的位移量。
[0008] 本发明的目的通过W下的技术方案实现：一种压电叠堆型微位移放大机构，包括 驱动电源和若干个微位移放大单元，驱动电源输出直流电压；每个所述微位移放大单元包 括一叛型压电驱动器和一机架，所述叛型压电驱动器由驱动电源激励，由若干个叛型压电 驱动单元组成，每个所述叛型压电驱动单元包括两片叛型金属帽和一压电陶瓷单元，所述 压电陶瓷单元设置在两片叛型金属帽中间，Ξ者固定连接；叛型压电驱动单元之间采用结 构上串联、电路上并联的方式相互贴合叠加，所述叛型压电驱动器固定在机架上的两个推 杆之间，每个推杆远离叛型压电驱动器的一端为输出端。本发明采用若干个叛型压电驱动 单元串联的机构，可实现较大的位移移动。
[0009] 作为一种优选，每个所述叛型压电驱动单元中的压电陶瓷单元采用一对沿厚度方 向极化的压电陶瓷圆盘或圆环，两压电陶瓷圆盘或圆环极性相反，正向极性相互贴合。
[0010] 作为另一种优选，每个所述叛型压电驱动单元中的压电陶瓷单元采用一对沿径向 极化的压电陶瓷圆环，两压电陶瓷圆环极性相反，正向极性相互贴合。
[0011] 作为一种优选，所述机架为一狭长的框架结构，所述推杆上原来作为输出端的一 端固定在机架内侧长轴方向上，新的输出端设置在机架外侧短轴方向上。利用机架的框架 结构，可W将压电陶瓷单元产生的微变形进行二次放大，进一步增加位移驱动的行程。
[0012] 更进一步的，所述机架为楠圆形或者菱形的框架结构。采用运种结构具有加工方 便、节省材料、便于多个微位移放大单元进行组合的优点。
[0013] 更进一步的，为了使机架在推杆的作用下更容易发生变形，在所述推杆与机架内 壁之间的过渡区设有柔性较链。
[0014] 优选的，所述叛型压电驱动器上同一回路中的叛型金属帽均设有一个接线端子， 所有接在压电陶瓷单元同一极性面的接线端子通过引线与驱动电源相连。通过上述机构， 可完成驱动电源对叛型压电驱动器的激励。
[0015] 优选的，所述两片叛型金属帽和压电陶瓷单元是通过环氧树脂粘接固定或直接烧 结而成。
[0016] 优选的，所述叛型压电驱动单元之间采用环氧树脂粘接固定，或者在相邻的两片 叛型金属帽上设置限位装置使其紧密配合。
[0017] 优选的，所述叛型压电驱动器与推杆之间采用环氧树脂粘接固定，或者在叛型压 电驱动器末端的叛型金属帽上设有单头螺柱，在推杆上设有螺纹孔，二者通过螺纹配合固 定连接。
[0018] 优选的，所述机架的刚度小于或等于所述叛型压电驱动器的刚度，W便微位移实 现有效传递。
[0019] 一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，步骤是：驱动电源输出直 流信号到压电陶瓷单元，压电陶瓷单元由于逆压电效应沿轴向发生微变形，微变形传给其 两侧的叛型金属帽，由于叛型金属帽的结构特性，使微变形放大，并传递到推杆输出端。
[0020] 一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，步骤是：所述输出端设置 在机架外侧短轴方向上，驱动电源输出直流信号到压电陶瓷单元，压电陶瓷单元由于逆压 电效应沿轴向微变形，微变形传给其两侧的叛型金属帽，由于叛型金属帽的结构特性，使微 变形实现第一次放大，放大后的微变形通过推杆传给机架，由于机架的结构特性，微变形实 现第二次放大，最后经输出端对外部执行器进行位移驱动。 阳021] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0022] 1、本发明提出一种叛型压电驱动单元，其包括两片叛型金属帽和一压电陶瓷单 元，压电陶瓷单元在驱动电源激励下可产生厚度方向上的微变形，根据叛型金属帽的结构， 在压电陶瓷单元发生微变形时，可将微变形进行放大，从而可W实现较大的位移。
[0023] 2、本发明提出将若干个叛型压电驱动单元进行串联，同时将若干个微位移放大单 元进行串联，从而可W实现较大的位移放大倍数，使微位移放大机构具有较大的行程。
[0024] 3、本发明提出设置一狭长形的机架，可将压电陶瓷单元产生的、长轴方向上的微 变形转变成短轴上、输出端的微变形，进一步对微变形进行放大，增加微位移放大机构的位 移量。
[0025] 4、本发明所采用的机架为整体式结构，结构紧凑，造价低，无需装配，避免装配误 差D
【附图说明】
[0026] 图1为实施例1所述微位移放大单元的剖视图。
[0027] 图2为实施例1所述叛型压电驱动单元的结构示意图。
[002引图3为实施例1所述机架的结构示意图。
[0029] 图4为3个微位移放大单元串联的结构示意图。
[0030] 图5为单个叛型压电驱动单元施加正向直流电压后的变形示意图。
[0031] 图6为机架在变形前后的位置移动示意图。
[0032] 图7为实施例2中机架的结构示意图。
[0033] 图8为实施例3中机架的结构示意图。
[0034] 其中：1一机架；2-压电陶瓷单元；3-叛型金属帽；4-驱动电源；5-变形后的机 架；6-引线；101-推杆；102-柔性较链；103-输出端。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0036] 实施例1
[0037] 参见图1、4,本实施例一种压电叠堆型微位移放大机构，包括驱动电源4和3个微 位移放大单元，每个微位移放大单元的结构参见图1，驱动电源输出直流电压激励微位移放 大单元发生微变形。
[0038]本实施例中，所述微位移放大单元包括一叛型压电驱动器和机架1，叛型压电驱动 器由若干个叛型压电驱动单元组成，每个叛型压电驱动单元的结构如图2所示，包括两片 叛型金属帽3和一压电陶瓷单元2,所述压电陶瓷单元设置在两片叛型金属帽中间，Ξ者通 过环氧树脂进行粘接固定。本实施例中压电陶瓷单元采用一对沿厚度方向极化的压电陶瓷 圆盘，运两个压电陶瓷圆盘极性相反，正向极性相互贴合。当然，上述压电陶瓷单元的作用 仅在于实现在驱动电源激励下产生厚度方向上的微变形，因此现有的利用压电陶瓷来实现 微位移的一般结构也可放在此处使用。在实际设计中，还可采用一对沿厚度方向极化的压 电陶瓷圆环，或者采用一对沿径向极化的压电陶瓷圆环等结构来实现。
[0039] 叛型压电驱动单元之间采用
【技术领域】
[0001] 本发明设及利用压电效应的微型机械研究领域，尤其设及一种基于压电叠堆型微 位移放大机构及其驱动方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着微电子、微机械、纳米技术的快速发展，微位移技术已成为精密运动 系统和精密制造工艺中的关键技术之一。对于上述系统中的执行系统而言，一般分辨率需 要达到纳米级。因为目前传统的微位移放大技术，一般采用电机驱动的丝杠螺母微进给系 统，定位精度很难达到纳米级，因此上述系统中的工作行程的分辨率仅在微米甚至毫米级， 不能满足执行系统的需要。
[0003] 压电陶瓷因其体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高等优点， 目前已成为精密定位时比较理想的驱动元件，但是由于其行程只有数十纳米，因此在应用 范围上受到了限制。
[0004] 现有的微位移放大机构主要有W下Ξ种：（1)采取粗精平台相结合的方法，即用 两种类型不同的平台分别完成执行器的粗精动作。此设计方式能实现大行程的运动，但会 增加整个系统结构复杂性和控制复杂性。（2)采用基于"尺暧原理"或"粘滑效应"的移动 式驱动系统。其精度可达到纳米级别，但目前产品尚未标准化，加工成本较高，控制系统较 复杂。（3)利用运放机构连接驱动器与执行器，将驱动器的行程进行放大或缩小，从而保证 较高的精度。运种机构目前运用最为广泛，例如公告号为CN102394270A的中国发明专利公 开了 一种两级微位移放大机构。但该专利提出的两级微位移放大机构只是简单地把两个Ξ 角形位移缩放器正交联接放置，由此造成结构复杂贿肿。 阳0化]因此，如何有效地将微位移进行放大，同时能够达到结构和控制较简单、精度高的 目标是目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点和不足，提出一种压电叠堆型微位移 放大机构，该微位移放大机构利用叛型压电驱动器作为动力源，具有结构简单、体积较小、 分辨率高、频响快等优点。
[0007] 本发明的另一个目的在于提供一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动 方法，该方法操作方便，能够精确地调整微位移放大机构的位移量。
[0008] 本发明的目的通过W下的技术方案实现：一种压电叠堆型微位移放大机构，包括 驱动电源和若干个微位移放大单元，驱动电源输出直流电压；每个所述微位移放大单元包 括一叛型压电驱动器和一机架，所述叛型压电驱动器由驱动电源激励，由若干个叛型压电 驱动单元组成，每个所述叛型压电驱动单元包括两片叛型金属帽和一压电陶瓷单元，所述 压电陶瓷单元设置在两片叛型金属帽中间，Ξ者固定连接；叛型压电驱动单元之间采用结 构上串联、电路上并联的方式相互贴合叠加，所述叛型压电驱动器固定在机架上的两个推 杆之间，每个推杆远离叛型压电驱动器的一端为输出端。本发明采用若干个叛型压电驱动 单元串联的机构，可实现较大的位移移动。
[0009] 作为一种优选，每个所述叛型压电驱动单元中的压电陶瓷单元采用一对沿厚度方 向极化的压电陶瓷圆盘或圆环，两压电陶瓷圆盘或圆环极性相反，正向极性相互贴合。
[0010] 作为另一种优选，每个所述叛型压电驱动单元中的压电陶瓷单元采用一对沿径向 极化的压电陶瓷圆环，两压电陶瓷圆环极性相反，正向极性相互贴合。
[0011] 作为一种优选，所述机架为一狭长的框架结构，所述推杆上原来作为输出端的一 端固定在机架内侧长轴方向上，新的输出端设置在机架外侧短轴方向上。利用机架的框架 结构，可W将压电陶瓷单元产生的微变形进行二次放大，进一步增加位移驱动的行程。
[0012] 更进一步的，所述机架为楠圆形或者菱形的框架结构。采用运种结构具有加工方 便、节省材料、便于多个微位移放大单元进行组合的优点。
[0013] 更进一步的，为了使机架在推杆的作用下更容易发生变形，在所述推杆与机架内 壁之间的过渡区设有柔性较链。
[0014] 优选的，所述叛型压电驱动器上同一回路中的叛型金属帽均设有一个接线端子， 所有接在压电陶瓷单元同一极性面的接线端子通过引线与驱动电源相连。通过上述机构， 可完成驱动电源对叛型压电驱动器的激励。
[0015] 优选的，所述两片叛型金属帽和压电陶瓷单元是通过环氧树脂粘接固定或直接烧 结而成。
[0016] 优选的，所述叛型压电驱动单元之间采用环氧树脂粘接固定，或者在相邻的两片 叛型金属帽上设置限位装置使其紧密配合。
[0017] 优选的，所述叛型压电驱动器与推杆之间采用环氧树脂粘接固定，或者在叛型压 电驱动器末端的叛型金属帽上设有单头螺柱，在推杆上设有螺纹孔，二者通过螺纹配合固 定连接。
[0018] 优选的，所述机架的刚度小于或等于所述叛型压电驱动器的刚度，W便微位移实 现有效传递。
[0019] 一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，步骤是：驱动电源输出直 流信号到压电陶瓷单元，压电陶瓷单元由于逆压电效应沿轴向发生微变形，微变形传给其 两侧的叛型金属帽，由于叛型金属帽的结构特性，使微变形放大，并传递到推杆输出端。
[0020] 一种基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，步骤是：所述输出端设置 在机架外侧短轴方向上，驱动电源输出直流信号到压电陶瓷单元，压电陶瓷单元由于逆压 电效应沿轴向微变形，微变形传给其两侧的叛型金属帽，由于叛型金属帽的结构特性，使微 变形实现第一次放大，放大后的微变形通过推杆传给机架，由于机架的结构特性，微变形实 现第二次放大，最后经输出端对外部执行器进行位移驱动。 阳021] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0022] 1、本发明提出一种叛型压电驱动单元，其包括两片叛型金属帽和一压电陶瓷单 元，压电陶瓷单元在驱动电源激励下可产生厚度方向上的微变形，根据叛型金属帽的结构， 在压电陶瓷单元发生微变形时，可将微变形进行放大，从而可W实现较大的位移。
[0023] 2、本发明提出将若干个叛型压电驱动单元进行串联，同时将若干个微位移放大单 元进行串联，从而可W实现较大的位移放大倍数，使微位移放大机构具有较大的行程。
[0024] 3、本发明提出设置一狭长形的机架，可将压电陶瓷单元产生的、长轴方向上的微 变形转变成短轴上、输出端的微变形，进一步对微变形进行放大，增加微位移放大机构的位 移量。
[0025] 4、本发明所采用的机架为整体式结构，结构紧凑，造价低，无需装配，避免装配误 差D
【附图说明】
[0026] 图1为实施例1所述微位移放大单元的剖视图。
[0027] 图2为实施例1所述叛型压电驱动单元的结构示意图。
[002引图3为实施例1所述机架的结构示意图。
[0029] 图4为3个微位移放大单元串联的结构示意图。
[0030] 图5为单个叛型压电驱动单元施加正向直流电压后的变形示意图。
[0031] 图6为机架在变形前后的位置移动示意图。
[0032] 图7为实施例2中机架的结构示意图。
[0033] 图8为实施例3中机架的结构示意图。
[0034] 其中：1一机架；2-压电陶瓷单元；3-叛型金属帽；4-驱动电源；5-变形后的机 架；6-引线；101-推杆；102-柔性较链；103-输出端。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0036] 实施例1
[0037] 参见图1、4,本实施例一种压电叠堆型微位移放大机构，包括驱动电源4和3个微 位移放大单元，每个微位移放大单元的结构参见图1，驱动电源输出直流电压激励微位移放 大单元发生微变形。
[0038]本实施例中，所述微位移放大单元包括一叛型压电驱动器和机架1，叛型压电驱动 器由若干个叛型压电驱动单元组成，每个叛型压电驱动单元的结构如图2所示，包括两片 叛型金属帽3和一压电陶瓷单元2,所述压电陶瓷单元设置在两片叛型金属帽中间，Ξ者通 过环氧树脂进行粘接固定。本实施例中压电陶瓷单元采用一对沿厚度方向极化的压电陶瓷 圆盘，运两个压电陶瓷圆盘极性相反，正向极性相互贴合。当然，上述压电陶瓷单元的作用 仅在于实现在驱动电源激励下产生厚度方向上的微变形，因此现有的利用压电陶瓷来实现 微位移的一般结构也可放在此处使用。在实际设计中，还可采用一对沿厚度方向极化的压 电陶瓷圆环，或者采用一对沿径向极化的压电陶瓷圆环等结构来实现。
[0039] 叛型压电驱动单元之间采用
再多了解一些
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