三自由度压电驱动单元及平面压电驱动器的制作方法

1.本技术涉及压电驱动装置技术领域，特别涉及一种三自由度压电驱动单元，还涉及一种包括上述三自由度压电驱动单元的平面压电驱动器。


背景技术：

2.压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应设计的可输出紧密运动的驱动器，压电驱动器以其高精度、大行程、快速响应等优异性能，被广泛应用于众多领域。
3.传统的压电驱动器通常只能在单一方向上实现直线运动输出，因此限制了压电驱动器的应用范围，尤其对于较为复杂的运动，很难进行推广应用。


技术实现要素：

4.本技术的一个目的是提供一种三自由度压电驱动单元，能够提高其运动输出的灵活性，进而提高其应用范围，另一个目的是提供一种包括上述三自由度压电驱动单元的平面压电驱动器，可在平面内任意方向实现连续的步进运动输出。
5.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
6.一种三自由度压电驱动单元，包括：
7.底座；
8.三个一维压电叠堆，设于所述底座的上表面，且沿圆周方向均匀分布；
9.壳体，设于所述底座的上方，三个所述一维压电叠堆位于所述壳体内；
10.导向膜片，设于所述壳体内，且位于三个所述一维压电叠堆的驱动端的上方；
11.可动端子，位于所述导向膜片上表面，且上端伸出于所述壳体，三个所述一维压电叠堆的上端穿过所述导向膜片与所述可动端子的下表面接触；
12.柔性导向杆，下端通过弹性件与所述底座连接，上端与所述可动端子的底部连接，所述弹性件用于通过所述柔性导向杆给所述可动端子施加朝向所述一维压电叠堆的预紧力；
13.三个所述一维压电叠堆用于在相应的驱动电压下伸缩变形，以控制所述可动端子相对于所述底座产生z向的平移运动、绕x轴的旋转运动和绕y轴的旋转运动。
14.优选地，所述弹性件包括第一预紧碟簧，所述底座的中部设有供所述柔性导向杆穿出的通孔，所述底座的底部设有用于容纳所述第一预紧碟簧的凹腔，所述第一预紧碟簧套设在所述柔性导向杆的下端，所述柔性导向杆的下端螺纹连接有预紧螺母，所述预紧螺母用于将所述第一预紧碟簧压紧在所述凹腔的顶面。
15.优选地，所述柔性导向杆包括自上而下依次设置的顶部螺纹连接端、细杆、底部螺纹连接端，所述顶部螺纹连接端与所述可动端子连接，所述预紧螺母连接在所述底部螺纹连接端上。
16.优选地，所述可动端子的外侧面自下而上渐缩。
17.优选地，所述壳体包括外壳和压环，所述外壳的下端与所述底座连接，所述压环用
于将所述导向膜片压紧在所述外壳的上端。
18.优选地，所述一维压电叠堆的上端为球面端，所述球面端与所述可动端子的下表面点接触。
19.一种平面压电驱动器，包括两组压电驱动组件，每组所述压电驱动组件均包括多个上述任一项所述的三自由度压电驱动单元，多个所述三自由度压电驱动单元沿圆周方向均匀分布，平面压电驱动器还包括动子，所述动子位于所述三自由度压电驱动单元的所述可动端子的上方，两组所述压电驱动组件在摩擦耦合作用下交替驱动所述动子产生步进运动输出。
20.优选地，其中一组所述压电驱动组件相邻的两个所述三自由度压电驱动单元之间设有一个另外一组所述压电驱动组件的所述三自由度压电驱动单元。
21.优选地，还包括预紧组件和支承组件，各所述三自由度压电驱动单元位于所述支撑组件上方，所述预紧组件用于对所述动子施加朝向所述三自由度压电驱动单元的预紧力。
22.优选地，所述预紧组件包括预紧螺钉、压板、滚珠和第二预紧碟簧，所述预紧螺钉自下而上依次穿出所述支承组件和所述动子，且其末端与所述压板连接，所述预紧螺钉用于将所述第二预紧碟簧压紧在所述支承组件底部；所述压板底部设有用于容纳所述滚珠的凹槽，所述滚珠与所述动子的上表面接触。
23.与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
24.本技术所提供的一种三自由度压电驱动单元，包括：底座、三个一维压电叠堆、壳体、导向膜片、柔性导向杆，其中三个一维压电叠堆设于底座的上表面，且沿柔性导向杆的圆周方向均匀分布；壳体设于底座的上方，三个一维压电叠堆位于壳体内；导向膜片设于壳体内，且位于三个一维压电叠堆的驱动端的上方；可动端子位于导向膜片上表面，且上端伸出于壳体；柔性导向杆的下端通过弹性件与底座连接，上端与可动端子的底部连接。三个一维压电叠堆用于在相应的驱动电压下伸缩变形，以控制可动端子相对于底座产生z向的平移运动、绕x轴的旋转运动和绕y轴的旋转运动。通过对三个一维压电叠堆的电压调控，可使可动端子具备三个自由度，因此可有效提高其灵活性，进而提高其应用范围。
25.本技术所提供的一种平面压电驱动器，包括两组压电驱动组件，每组压电驱动组件均包括多个上述任一项所述的三自由度压电驱动单元，在驱动电压时序控制下，可以实现平面压电驱动器在平面内任意方向连续且精密的步进运动输出，进而提高其应用范围。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
27.图1为本技术一种具体实施方式所提供的一种三自由度压电驱动单元的结构示意图；
28.图2为三自由度压电驱动单元的工作原理示意图；
29.图3为三自由度压电驱动单元的两个旋转自由度的关系示意图；
30.图4为三自由度压电驱动单元的可动端子的运动轨迹图；
31.图5为本技术一种具体实施方式所提供的一种平面压电驱动器的结构示意图；
32.图6为平面压电驱动器的主剖视图；
33.图7为平面压电驱动器的四个三自由度压电驱动单元的分布图；
34.图8为平面压电驱动器的六个三自由度压电驱动单元的分布图；
35.图9为平面压电驱动器的在p 向的步进运动示意图；
36.图10为平面压电驱动器的在p 向的步进运动过程示意图。
37.附图标记如下：
38.1为运动轴，2为预紧螺钉，3为压板，4为滚珠；
39.5a、5b、5c、5d为三自由度压电驱动单元，51为可动端子，52为导向膜片，53为压环，54为外壳，55a、55b、55c为一维压电叠堆，56为底座，57为第一预紧碟簧，58为预紧螺母，59为第一预紧平垫片，60为柔性导向杆。
40.6为第二预紧碟簧，7为第二预紧平垫片，8为基座。
具体实施方式
41.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
42.请参考图1，图1为本技术一种具体实施方式所提供的一种三自由度压电驱动单元的结构示意图。
43.本技术实施例所提供的一种三自由度压电驱动单元，包括：底座56、三个一维压电叠堆55a、55b、55c，以及壳体、导向膜片52、柔性导向杆60，其中三个一维压电叠堆55a、55b、55c设于底座56的上表面，且沿柔性导向杆60的圆周方向均匀分布，一维压电叠堆的上端优选为球面端，通过球面端可以减小其磨损，进而提高使用寿命；壳体设于底座56的上方，三个一维压电叠堆55a、55b、55c位于壳体内；导向膜片52设于壳体内，且位于导向膜片52上表面；可动端子51位于导向膜片52上表面，且上端伸出于壳体，三个一维压电叠堆55a、55b、55c的上端穿过导向膜片52与可动端子52的下表面接触，三个一维压电叠堆55a、55b、55c的球面端与可动端子51的下表面点接触，可动端子51的外侧面优选为自下而上渐缩的结构，例如圆锥形结构；柔性导向杆60的下端通过弹性件与底座56连接，上端与可动端子51的底部连接。
44.如图2和图3所示，其中三个一维压电叠堆55a、55b和55c均为纵向伸缩压电叠堆，分别在驱动电压u
i1
、u
i2
和u
i3
的驱动作用下，可产生纵向伸缩变形，忽略压电叠堆的迟滞特性，认为压电叠堆变形量与驱动电压间为线性关系，则三个压电叠堆的变形量δla、δlb和δlc可由下式得出：
[0045][0046]
式中，k
33
为一维压电叠堆陶的电压变形系数，v为一维压电叠堆的额定驱动电压。
[0047]
可动端子51受导向膜片52和柔性导向杆60的约束，在三个一维压电叠堆的驱动作用下，可相对底座56产生z向的平移运动、绕p轴的旋转运动和绕q轴的旋转运动，可动端子51的运动姿态与三个压电叠堆变形量δla、δlb和δlc可由下式计算得出:
[0048][0049]
式中：zz为可动端子51在o-xyz坐标系内的z向平移量，rq、rq分别为可动端子51在o-xyz坐标系内绕q轴和p轴的旋转角度，θ为任意轴p与坐标轴x的夹角，p轴与q轴在o-xyz坐标系原点正交。
[0050]
可动端子51下端中心点m，也是导向膜片52的中心点；
[0051]
当zz＝zz
min
＝0时，m与坐标系o-xyz的坐标原点o重合；
[0052]
当时，m位于z向最高点，则可得到m点的在o-xyz坐标系内的运动空间为
[0053][0054]
可动端子51上端平面中心点n与m点的距离为h，三个一维压电叠堆55a、55b和55c驱动可动端子51运动时，其上端表面中心点n的在o-pqz坐标系内的可达空间为
[0055][0056]
如图4所示，特别的，当r
p
＝0rad时，可动端子51仅可产生z向平移运动和绕q轴的旋转运动，旋转运动的旋转中心为可动端子51下端面中心点m，此时可动端子51上端中心点n仅可在平面pz内运动，n在pz平面内的运动空间为
[0057][0058]
通过对三个一维压电叠堆的电压调控，可使可动端子51具备三个自由度，因此可有效提高压电驱动单元的灵活性，以使其具备多自由度，进而提高其应用范围。
[0059]
如图4所示，通过对三个压电叠堆的驱动电压u
i1
、u
i2
、u
i3
的波形进行调制，可使三自由度压电驱动单元的可动端子51的上端中心点n沿固定轮廓轨迹
①‑
》
②‑
》
③‑
》
④‑
》
⑤‑
》
⑥‑
》
①
顺时针运动，也可使可动端子51的上端中心点n沿固定轮廓轨迹
①‑
》
⑥‑
》
⑤‑
》
④‑
》
③‑
》
②‑
》
①
逆时针运动。
[0060]
为了便于导向膜片52的组装，壳体包括外壳54和压环53，外壳54的下端与底座56连接，压环53可以将导线膜片压紧在外壳54的上端，其中外壳54优选为圆筒，压环53优选为圆环，压环53、外壳54和底座56可通过一根螺栓自下而上穿入进行连接。
[0061]
在一些实施例中，弹性件包括第一预紧碟簧57，底座56的中部设有供柔性导向杆60穿出的通孔，底座56的底部设有用于容纳第一预紧碟簧57的凹腔，第一预紧碟簧57套设在柔性导向杆60的下端，柔性导向杆60的下端螺纹连接有预紧螺母58，预紧螺母58可以将第一预紧碟簧57压紧在凹腔的顶面，预紧螺母58和第一预紧碟簧57之间可以设置第一预紧平垫片59，通过第一预紧碟簧57能够对可动端子51施加向下的预紧力，从而提高压电驱动单元的刚度。
[0062]
在一些实施例中，柔性导向杆60包括自上而下依次设置的顶部螺纹连接端、细杆、底部螺纹连接端，顶部螺纹连接端与可动端子51连接，预紧螺母58连接在底部螺纹连接端上，顶部螺纹连接端和底部螺纹连接端的外径大于细杆的外径，以提高柔性导向杆60与可动端子51和预紧螺母58的连接稳定性。其中细杆的直径小于通孔的内径，以保证可动端子51在转动时细杆可以在通孔内具有一定的活动范围。此外细杆与底部螺纹连接端之间设有过渡段，过渡段的外径自下而上渐缩，例如为锥形结构。
[0063]
本技术实施例还提供了一种平面压电驱动器，包括两组压电驱动组件，每组压电驱动组件均包括多个三自由度压电驱动单元，多个三自由度压电驱动单元沿圆周方向均匀分布，平面压电驱动器还包括动子，动子位于三自由度压电驱动单元的可动端子51的上方。平面压电驱动器静态时，两组压电驱动组件同时保持平面压电驱动器的钳位，平面压电驱动器步进运动时，在驱动电压时序控制下，两组压电驱动组件在摩擦耦合作用下交替驱动动子产生步进运动输出。为了提高平面压电驱动器的支撑和运动稳定性，其中一组压电驱动组件相邻的两个三自由度压电驱动单元之间设有一个另外一组压电驱动组件的三自由度压电驱动单元。相对于传统的单一运动方向的直线压电驱动器，可以在平面内任意方向实现连续且精密的步进运动输出。另外还具备体积小、结构紧凑的优势，此外还具备驱动力大、结构刚度高、兼具传统直线压电驱动器精度高、响应快的特点。
[0064]
在本实施例中，如图5、图6和图7所示，以四个三自由度压电驱动单元5a、5b、5c、5d为例进行说明，四个三自由度压电驱动单元5a、5b、5c、5d沿圆周方向均匀分布，即四个三自由度压电驱动单元呈正方形分布且分别位于正方形的四个角处，位于正方形对角的两个三自由度压电驱动单元的驱动电压相同，分别组成压电驱动组件ⅰ和压电驱动组件ⅱ，即5a和5c组成压电驱动组件ⅰ、由电压u
1j
(j＝1,2,3)驱动，5b和5d组成压电驱动组件ⅱ、由电压u
2j
(j＝1,2,3)驱动。
[0065]
在本实施例中，如图8所示，以六个三自由度压电驱动单元5a、5b、5c、5d、5e、5f为例进行说明，六个三自由度压电驱动单元5a、5b、5c、5d、5e、5f沿圆周方向均匀分布，即六个三自由度压电驱动单元呈正六边形分布且分别位于正六方形的六个角处，位于正三角形的三个三自由度压电驱动单元的驱动电压相同，分别组成压电驱动组件ⅰ和压电驱动组件ⅱ，即5a、5c和5e组成压电驱动组件ⅰ、由电压u
1j
(j＝1,2,3)驱动，5b、5d和5f组成压电驱动组件ⅱ、由电压u
2j
(j＝1,2,3)驱动。
[0066]
为了提高平面压电驱动器的刚度，还包括预紧组件和支承组件，各三自由度压电驱动单元位于支承组件上方，且固定连接在支承组件上，支承组件优选为平板结构的基座8，其中可以在基座8的中部设置用于对三自由度压电驱动单元进行定位的凸台；其中预紧组件用于对动子施加朝向三自由度压电驱动单元的预紧力，通过预紧组件可以提高平面压电驱动器的整体刚度。预紧组件包括预紧螺钉2、压板3、滚珠4和第二预紧碟簧6，预紧螺钉2自下而上依次穿出支承组件和动子，且其末端与压板3连接，动子即运动轴1，预紧螺钉2可以将第二预紧碟簧6压紧在底座56底部，预紧螺钉2和第二预紧碟簧6之间可以设置第二预紧平垫片7，另外可以在底座56的底部设置用于容纳预紧螺钉2头部和第二预紧碟簧6的腔室；压板3底部设有用于容纳滚珠4的凹槽，滚珠4与运动轴1的上表面接触，通过滚珠4可以减小其与运动轴1的摩擦力，进而提高运动轴1的使用寿命。
[0067]
如图9和图10所示，平面压电驱动器在具体工作时，采用既定的驱动波形，平面压电驱动器在压电驱动组件ⅰ和压电驱动组件ⅱ的交替驱动下，其动子可沿平面xy内任意方向p实现连续且精密的步进运动，运动方向p与x轴夹角为θ。
[0068]
初始状态时，压电驱动组件ⅰ和压电驱动组件ⅱ上端与运动轴1接触，组成压电驱动组件ⅰ和压电驱动组件ⅱ六个压电驱动单元的上端点均n位于z向半行程位置，即
[0069]
[0070]
平面压电驱动器在p 向步进运动的过程如下：
[0071]
a、初始时，驱动压电驱动组件ⅰ，使其上端点位于轮廓轨迹的
①
点位置，驱动压电驱动组件ⅱ，使其上端点位于轮廓轨迹的
④
点位置；
[0072]
b、驱动压电驱动组件ⅰ，使其上端点沿轮廓轨迹从
①
点运动至
③
点，驱动压电驱动组件ⅱ，使其上端点沿轮廓轨迹从
④
点运动至点
⑥
，则压电驱动组件ⅰ上端点在摩擦耦合作用下带动运动轴1沿p 向运动δl1；
[0073]
c、压电驱动组件ⅰ的上端点保持在
③
点位置不动，驱动压电驱动组件ⅱ的使其上端点沿轮廓轨迹从
⑥
点运动至
①
点，此时运动轴1在压电驱动组件ⅰ的钳位作用下保持不动；
[0074]
d、驱动压电驱动组件ⅱ的上端点保持在
①
点位置不动，驱动压电驱动组件ⅰ，使其上端点沿轮廓轨迹从
③
点运动至
④
点，运动轴1在压电驱动组件ⅱ的钳位作用下保持不动；
[0075]
e、驱动压电驱动组件ⅰ，使其上端点沿轮廓轨迹从
④
点运动至
⑥
点，驱动压电驱动组件ⅱ，使其上端点沿轮廓轨迹从
①
点运动至点
③
，则压电驱动组件ⅱ上端点在摩擦耦合作用下带动运动轴1沿p 向运动δl2；
[0076]
f、驱动压电驱动组件ⅱ的上端点保持在
③
点位置，驱动压电驱动组件ⅰ，使其上端点沿轮廓轨迹从
⑥
点运动至
①
点，运动轴1在压电驱动组件ⅱ的钳位作用下保持不动。
[0077]
平面压电驱动器在完成上述a-b-c-d-e-f过程后，其运动轴1向p 运动了一个步长，用δl表示，可由下式得出：
[0078]
δl＝δl1 δl2[0079]
循环重复a-b-c-d-e-f-a过程，平面驱动器可实现在p 向的连续步进运动。
[0080]
循环重复a-f-e-d-c-b-a过程，平面驱动器可实现在p-向的连续步进运动。
[0081]
驱动器在p向步进运动时，压电驱动组件ⅰ与运动轴1间的摩擦力f
f1
和压电驱动组件ⅱ与运动轴间的摩擦力f
f2
交替驱动运动轴1产生步进运动，二者相等且有如下关系：
[0082]ff1
＝f
f2
＝ff＝f
max
[0083]
驱动器在p向步进运动时，运动轴1驱动负载运动的能力用f表示，即新型平面压电驱动器在p向的驱动力，可由下式计算得出：
[0084]
f＝f
f-f
[0085]
其中，f为驱动器动态时，运动轴1上表面与滚珠4间的滚动摩擦阻力。
[0086]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0087]
以上对本技术所提供的一种三自由度压电驱动单元及平面压电驱动器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。