结构上串联、电路上并联的方式，用环氧树脂粘接使 其相互贴合叠加，两两之间的压电陶瓷单元极性相反。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6 与驱动电源相连。
[0040] 本实施例机架的结构如图3所示，为一楠圆形的框架结构，在其内侧长轴方向上 设有推杆101，外侧短轴方向上设有输出端103。叛型压电驱动器置于推杆101之间，并用 环氧树脂粘接。当然，在应用中，也可将输出端设置在推杆的一端，即仅由叛型驱动器实现 一次放大，运可根据实际需要设定。
[0041] 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，实线表示未施 加直流电压的叛型压电驱动单元，虚线表示施加正向直流电压的叛型压电驱动单元。由于 叛型金属帽与压电陶瓷圆盘的禪合作用改变压电陶瓷圆盘的应力分布，并将径向应力转变 成轴向应力，使得沿厚度方向极化压电陶瓷圆盘的压电常数d3i和d33产生的压电效应相加。 因此在相同的激励条件W及dsi不变的情况下，叛型压电叠堆的等效压电常数d33比相同尺 寸压电陶瓷本身提高数倍。由体积不变的原理，当给单个叛型压电驱动单元施加正向电压 时，压电陶瓷圆盘轴向伸长，径向收缩，从而引起单片叛型金属帽在轴向上的变形，由此可 将压电陶瓷圆盘的微位移进行第一次放大。
[0042] 图6为机架变形前后的示意图，其中实线1表示变形前的机架，虚线5表示变形后 的机架。当驱动电源输出正向直流电压时，机架在长轴方向上形成一个Δχ位移时，在短轴 方向便形成一个Ay位移，设放大倍数为Α，则：
[0043] A =Δy/ΔX (1) W44] 其中，
[0045] Δy= 1sin曰-1sinβ 似
[0046] ΔX= 1cosβ-1cos曰 做
[0047]设变形前长短轴端部连线的夹角为α，变形后该角为β，则两角之间的微小变形 角度：
[0048]ΔΘ=曰-β(4) W例 由式（1)似做和（4)可得： 阳化0]
内 W51] 因为机架的微位移量较小，所W根据等价无穷小原理，sinAΘ=ΔΘ，l-cosA目=(Δθ)^2,代入式巧），可得：
[0052]
脚
[0053] 由上式可知，微位移放大机构的放大倍数仅与夹角β的大小有关，要想得到最大 的放大倍数，夹角β应尽可能的小。
[0054] 基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，其步骤是：当驱动电源4输出 正向直流电压时，压电陶瓷圆盘2由于逆压电效应沿轴向方向发生微变形。当微变形传给 叛型金属帽3时，由于叛型金属帽3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101传给机架1的输出端103时，由于机架的结构特性，微变形实现第二次放 大。此时，输出端103在短轴方向往圆屯、位置收缩。反之，当驱动电源4输出反向直流电压 时，输出端103在短轴方向伸长。 阳化日]本实施例利用ansysworicbench有限元软件对压电叠堆型微位移放大机构进 行静力学分析，给机架其中一个输出端施加零位移约束，模拟驱动电源输出100V的正向 电压，其中，机架短轴方向最大法向位移量为5. 10X10 6m，长轴方向最大法向位移量为 1.2X10 6m。此外，仅对压电叠堆进行静力学分析，在相同的边界条件下，其沿轴向方向的最 大位移量为1. 7X10 7m。由此可得，第一次放大倍数为7倍，第二次放大倍数为4. 25倍。
[0056] 实施例2
[0057] 本实施例除下述特征外其他结构同实施例1:本实施例采用的机架为菱形的框架 结构。推杆设置在菱形长对角线的内侧，输出端设置在菱形短对角线的外侧，具体如图7所 /J、-〇
[0058]当然，在实际应用中，也可W选择其他的多边形结构，只要该机架的长度方向为压 电陶瓷圆盘厚度方向，则可实现微位移的二次放大。
[0059] 实施例3
[0060] 本实施例除下述特征外其他结构同实施例1 :参见图8,本实施例采用的机架的特 点是在推杆101和机架1内壁之间的过渡区设有柔性较链102。该柔性较链102易于使机 架1在推杆101的作用下发生变形。
[0061] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，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钹型压电驱动器和一机架， 所述钹型压电驱动器由驱动电源激励，由若干个钹型压电驱动单元组成，每个所述钹型压 电驱动单元包括两片钹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钹型金 属帽中间，三者固定连接；钹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，所述钹型压电驱动器固定在机架上的两个推杆之间，每个推杆远离钹型压电驱 动器的一端为输出端。2. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，每个所述钹型压 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。3. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，每个所述钹型压 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。4. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，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。5. 根据权利要求4所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述机架为椭圆 形或者菱形的框架结构。6. 根据权利要求4所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，在所述推杆与机 架内壁之间的过渡区设有柔性铰链。7. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述钹型压电驱 动器上同一回路中的钹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。8. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述两片钹型金 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； 所述钹型压电驱动单元之间采用环氧树脂粘接固定，或者在相邻的两片钹型金属帽上 设置限位装置使其紧密配合； 所述钹型压电驱动器与推杆之间采用环氧树脂粘接固定，或者在钹型压电驱动器末端 的钹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； 所述机架的刚度小于或等于所述钹型压电驱动器的刚度。9. 一种基于权利要求1-3、7-8任一项所述的压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法， 其特征在于，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钹型金属帽，由于钹型金属帽的结构特性，使微 变形放大，并传递到推杆输出端。10. -种基于权利要求4-6任一项所述的压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，其 特征在于，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钹型金属帽， 由于钹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
【专利摘要】本发明公开了一种压电叠堆型微位移放大机构及其驱动方法，该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；每个微位移放大单元包括一钹型压电驱动器和一机架，钹型压电驱动器由若干个钹型压电驱动单元组成，每个钹型压电驱动单元包括两片钹型金属帽和一压电陶瓷单元，钹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。机架为椭圆形或者菱形的框架结构，在机架上沿压电陶瓷单元厚度方向设有两个推杆，所述钹型压电驱动器固定在两个推杆之间，微位移放大单元的输出端设置在推杆或者机架短轴方向上。本发明具有结构简单、体积较小、分辨率高、频响快等优点。
【IPC分类】B81B3/00
【公开号】CN105384139
【申请号】CN201510785256
【发明人】张铁民, 李晟华, 梁莉
【申请人】华南农业大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月13日
[0040] 本实施例机架的结构如图3所示，为一楠圆形的框架结构，在其内侧长轴方向上 设有推杆101，外侧短轴方向上设有输出端103。叛型压电驱动器置于推杆101之间，并用 环氧树脂粘接。当然，在应用中，也可将输出端设置在推杆的一端，即仅由叛型驱动器实现 一次放大，运可根据实际需要设定。
[0041] 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，实线表示未施 加直流电压的叛型压电驱动单元，虚线表示施加正向直流电压的叛型压电驱动单元。由于 叛型金属帽与压电陶瓷圆盘的禪合作用改变压电陶瓷圆盘的应力分布，并将径向应力转变 成轴向应力，使得沿厚度方向极化压电陶瓷圆盘的压电常数d3i和d33产生的压电效应相加。 因此在相同的激励条件W及dsi不变的情况下，叛型压电叠堆的等效压电常数d33比相同尺 寸压电陶瓷本身提高数倍。由体积不变的原理，当给单个叛型压电驱动单元施加正向电压 时，压电陶瓷圆盘轴向伸长，径向收缩，从而引起单片叛型金属帽在轴向上的变形，由此可 将压电陶瓷圆盘的微位移进行第一次放大。
[0042] 图6为机架变形前后的示意图，其中实线1表示变形前的机架，虚线5表示变形后 的机架。当驱动电源输出正向直流电压时，机架在长轴方向上形成一个Δχ位移时，在短轴 方向便形成一个Ay位移，设放大倍数为Α，则：
[0043] A =Δy/ΔX (1) W44] 其中，
[0045] Δy= 1sin曰-1sinβ 似
[0046] ΔX= 1cosβ-1cos曰 做
[0047]设变形前长短轴端部连线的夹角为α，变形后该角为β，则两角之间的微小变形 角度：
[0048]ΔΘ=曰-β(4) W例 由式（1)似做和（4)可得： 阳化0]
内 W51] 因为机架的微位移量较小，所W根据等价无穷小原理，sinAΘ=ΔΘ，l-cosA目=(Δθ)^2,代入式巧），可得：
[0052]
脚
[0053] 由上式可知，微位移放大机构的放大倍数仅与夹角β的大小有关，要想得到最大 的放大倍数，夹角β应尽可能的小。
[0054] 基于上述压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，其步骤是：当驱动电源4输出 正向直流电压时，压电陶瓷圆盘2由于逆压电效应沿轴向方向发生微变形。当微变形传给 叛型金属帽3时，由于叛型金属帽3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101传给机架1的输出端103时，由于机架的结构特性，微变形实现第二次放 大。此时，输出端103在短轴方向往圆屯、位置收缩。反之，当驱动电源4输出反向直流电压 时，输出端103在短轴方向伸长。 阳化日]本实施例利用ansysworicbench有限元软件对压电叠堆型微位移放大机构进 行静力学分析，给机架其中一个输出端施加零位移约束，模拟驱动电源输出100V的正向 电压，其中，机架短轴方向最大法向位移量为5. 10X10 6m，长轴方向最大法向位移量为 1.2X10 6m。此外，仅对压电叠堆进行静力学分析，在相同的边界条件下，其沿轴向方向的最 大位移量为1. 7X10 7m。由此可得，第一次放大倍数为7倍，第二次放大倍数为4. 25倍。
[0056] 实施例2
[0057] 本实施例除下述特征外其他结构同实施例1:本实施例采用的机架为菱形的框架 结构。推杆设置在菱形长对角线的内侧，输出端设置在菱形短对角线的外侧，具体如图7所 /J、-〇
[0058]当然，在实际应用中，也可W选择其他的多边形结构，只要该机架的长度方向为压 电陶瓷圆盘厚度方向，则可实现微位移的二次放大。
[0059] 实施例3
[0060] 本实施例除下述特征外其他结构同实施例1 :参见图8,本实施例采用的机架的特 点是在推杆101和机架1内壁之间的过渡区设有柔性较链102。该柔性较链102易于使机 架1在推杆101的作用下发生变形。
[0061] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，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钹型压电驱动器和一机架， 所述钹型压电驱动器由驱动电源激励，由若干个钹型压电驱动单元组成，每个所述钹型压 电驱动单元包括两片钹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钹型金 属帽中间，三者固定连接；钹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，所述钹型压电驱动器固定在机架上的两个推杆之间，每个推杆远离钹型压电驱 动器的一端为输出端。2. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，每个所述钹型压 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。3. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，每个所述钹型压 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。4. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，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。5. 根据权利要求4所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述机架为椭圆 形或者菱形的框架结构。6. 根据权利要求4所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，在所述推杆与机 架内壁之间的过渡区设有柔性铰链。7. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述钹型压电驱 动器上同一回路中的钹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。8. 根据权利要求1所述的压电叠堆型微位移放大机构，其特征在于，所述两片钹型金 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； 所述钹型压电驱动单元之间采用环氧树脂粘接固定，或者在相邻的两片钹型金属帽上 设置限位装置使其紧密配合； 所述钹型压电驱动器与推杆之间采用环氧树脂粘接固定，或者在钹型压电驱动器末端 的钹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； 所述机架的刚度小于或等于所述钹型压电驱动器的刚度。9. 一种基于权利要求1-3、7-8任一项所述的压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法， 其特征在于，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钹型金属帽，由于钹型金属帽的结构特性，使微 变形放大，并传递到推杆输出端。10. -种基于权利要求4-6任一项所述的压电叠堆型微位移放大机构的驱动方法，其 特征在于，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钹型金属帽， 由于钹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
【专利摘要】本发明公开了一种压电叠堆型微位移放大机构及其驱动方法，该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；每个微位移放大单元包括一钹型压电驱动器和一机架，钹型压电驱动器由若干个钹型压电驱动单元组成，每个钹型压电驱动单元包括两片钹型金属帽和一压电陶瓷单元，钹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。机架为椭圆形或者菱形的框架结构，在机架上沿压电陶瓷单元厚度方向设有两个推杆，所述钹型压电驱动器固定在两个推杆之间，微位移放大单元的输出端设置在推杆或者机架短轴方向上。本发明具有结构简单、体积较小、分辨率高、频响快等优点。
【IPC分类】B81B3/00
【公开号】CN105384139
【申请号】CN201510785256
【发明人】张铁民, 李晟华, 梁莉
【申请人】华南农业大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月13日
再多了解一些
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