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CN105846713B - 一种串联式压电定向驱动器 - Google Patents

一种串联式压电定向驱动器 Download PDF

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CN105846713B CN201610416044.1A CN201610416044A CN105846713B CN 105846713 B CN105846713 B CN 105846713B CN 201610416044 A CN201610416044 A CN 201610416044A CN 105846713 B CN105846713 B CN 105846713B
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吴越
任露泉
刘庆萍
王京春
涂前进
宋正义
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Resonant electromechanical precision technology (Suzhou) Co.,Ltd.
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Jilin University
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Abstract

本发明涉及一种串联式压电定向驱动器，包括：第一支撑腿、第二支撑腿、串联压电振子、第一脚支座和第二脚支座，其中：所述串联压电振子是由若干个圆形压电振子和若干个连接环、连接柱组合而成的圆柱体结构；所述第一支撑腿和第二支撑腿对称粘贴在所述串联压电振子的两端；所述第一脚支座和第二脚支座由两种具有不同摩擦系数的材质复合而成，分别布置在所述第一支撑腿和所述第二支撑腿上；所述串联压电振子通电发生伸缩变形，致使两个脚支座上的不同摩擦系数材质与工作面接触，从而产生定向驱动能力，该装置作为驱动器，主要用于仿生机器人、探测救援等领域，具有驱动能力强、环境适应性强等优点。

Description

一种串联式压电定向驱动器
技术领域
本发明属于压电驱动领域，具体涉及一种串联式压电定向驱动器。
背景技术
随着科学技术的发展，微型驱动技术在超精密机械及其制造、精密测量、探测救援、生物医疗等学科领域中占据越来越重要的地位，各种形式各异的具有精密驱动、精密定位的新型驱动器被陆续开发出来。伴随着压电驱动技术的发展，以压电陶瓷为核心功能材料的驱动器在超精密定位驱动领域脱颖而出。压电陶瓷驱动器具有能量密度大、响应速度快、分辨率高、抗电磁干扰、耐低温真空环境等优势。然而，现有的压电式微型驱动器结构复杂、加工困难，由于压电陶瓷的变形量小，因此驱动能力较差，并且多为刚性结构，工作时驱动器直接与工作平面刚性接触，对工作环境的要求相对较高，因此设计一种驱动能力强、环境适应性强的微小型驱动器已十分重要。
发明内容
为了解决目前一般的微小型压电驱动器驱动能力差、环境适应性差的问题，提出了一种串联式压电定向驱动器，该驱动器由第一支撑腿、第二支撑腿、串联压电振子、第一脚支座和第二脚支座构成，所述串联压电振子通电发生伸缩变形，带动脚支座往复运动，由于摩擦力的存在使得两脚支座上的不同摩擦系数材质交替与工作面接触，脚支座往复运动时受到的摩擦力不同滑移距离也不同，因此形成向低摩擦系数材质所在方向的驱动能力。本发明与现有的压电驱动器相比，由于压电振子串联布置，因此形变量更大，驱动能力更强；另一方面，驱动器本身通过柔性体脚支座与工作面相接触，避免了刚性接触，对工作面的要求较低，提高了环境适应性和驱动能力，同时还能延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种串联式压电定向驱动器，包括：第一支撑腿、第二支撑腿、串联压电振子、第一脚支座和第二脚支座，其中：所述串联压电振子由若干个圆形压电振子和若干个连接环、连接柱组成；所述连接环、圆形压电振子、连接柱、圆形压电振子按次序依次交替排列布置；所述连接柱与圆形压电振子同轴；所述连接环与圆形压电振子同轴；所述连接环的外径与圆形压振子的直径相等；所述连接柱底面直径小于圆形压电振子的半径；所述串联压电振子的两端通过连接环与第一支撑腿和第二支撑腿连接；所述第一支撑腿和第二支撑腿为矩形薄板结构，大小形状完全相同；所述第一支撑腿和第二支撑腿对称粘贴在所述串联压电振子两端的两个连接环上；所述第一支撑腿和第二支撑腿长度大于串联压电振子中的连接环外径，在一侧形成伸出端；所述第一脚支座为柱体结构，由两种不同摩擦系数的材料复合而成，即由第一高摩擦系数材质和第一低摩擦系数材质对称粘结而成；所述第二脚支座的大小、结构、材质与所述第一脚支座完全相同；所述第一支撑腿的伸出端与所述第一脚支座通过粘接的方式相连接；所述第二支撑腿的伸出端与所述第二脚支座通过粘接的方式相连接；所述第一脚支座上的第一低摩擦系数材质与所述第二脚支座上的第二高摩擦系数材质相对布置，或所述第一脚支座上的第一高摩擦系数材质与所述第二脚支座上的第二低摩擦系数材质相对布置。
所述串联压电振子由若干个圆形压电振子和若干个连接环、连接柱组合而成的圆柱体结构，或是由若干个矩形压电振子和若干个端部矩形连接块、中心矩形连接块组合而成的矩形柱体结构，如图3所示，其中：所述端部矩形连接块、矩形压电振子、中心矩形连接块、矩形压电振子按次序依次交替排列布置；所述端部矩形连接块成对布置在矩形压电振子的两端；所述中心矩形连接块布置在矩形压电振子的中心位置；所述串联压电振子的两端通过端部矩形连接块与第一支撑腿和第二支撑腿连接。
所述串联压电振子由若干个圆形压电振子和若干个连接环、连接柱组合而成的圆柱体结构，或是由若干个矩形压电振子和若干个端部矩形连接块组合而成的矩形柱体结构，如图4所示，其中：所述端部矩形连接块、矩形压电振子按次序依次交替排列布置；所述端部矩形连接块依次交替布置在矩形压电振子的上端和下端。
工作时，将驱动器放置在工作平面上，所述第一脚支座和第二脚支座与工作平面接触。在所述串联压电振子上施加低频交流电压使其发生往复伸缩变形，带动两个支撑腿相互靠近或相互远离。在支撑腿移动过程中，脚支座受到与移动方向相反的摩擦力，摩擦力使脚支座相对支撑腿发生一个微小的扭动，促使两个脚支座上不同摩擦系数的材质分别与工作面相接触，如图6所示。该驱动器的工作原理示意图如图7所示：该驱动器第一脚支座和第二脚支座的左半侧部分分别为第一高摩擦系数材质和第二高摩擦系数材质，右半侧部分分别为第一低摩擦系数材质和第二低摩擦系数材质，当串联压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，两脚支座未发生扭动，如图7a所示；当串联压电振子通电伸长时，带动两个支撑腿相互远离，工作面产生的摩擦力使两个脚支座相对于支撑腿分别产生一个微小的扭动，第一脚支座上的第一高摩擦系数材质与工作面接触，而第二脚支座上的第二低摩擦系数材质与工作面接触，因此串联压电振子伸长时第一脚支座的滑移距离明显小于第二脚支座的滑移距离，如图7b所示；当串联压电振子通电缩短时，带动两个支撑腿相互靠近，此时工作面产生的摩擦力方向发生改变，两个脚支座相对于支撑腿分别又产生一个微小的反方向扭动，此时第一脚支座上的第一低摩擦系数材质与工作面接触，而第二脚支座上的第二高摩擦系数材质与工作面接触，因此串联压电振子缩短时第一脚支座的滑移距离明显大于第二脚支座的滑移距离，如图7c所示，此时完成一个工作循环；同理，当串联压电振子通电再次伸长时，第一脚支座的滑移距离明显小于第二脚支座的滑移距离，如图7d所示。在串联压电振子通电伸长和缩短的一个周期内，串联压电振子伸长时第二脚支座发生较大的滑移，串联压电振子缩短时第一脚支座发生较大的滑移，因而在一个周期内会产生一个向右的总步长。在交变电压作用下，该驱动器实现定向的步进驱动能力。
附图说明
图1是本发明一种串联式压电定向驱动器的结构图。
图2是本发明圆柱体结构的串联压电振子构成的驱动器结构示意图。
图3是本发明对称式矩形柱体结构的串联压电振子构成的驱动器结构示意图。
图4是本发明非对称式矩形柱体结构的串联压电振子构成的驱动器结构示意图。
图5是本发明复合脚支座示意图。
图6是本发明复合脚支座受力扭动示意图。
图7是本发明一种串联式压电定向驱动器工作原理示意图。
具体实施方式
参照图1、图2、图5、图6和图7，本发明一种串联式压电定向驱动器由第一支撑腿1、第二支撑腿2、串联压电振子3、第一脚支座4和第二脚支座5构成，其中：
所述串联压电振子3由若干个圆形压电振子31和若干个连接环32、连接柱33组成；所述连接环32、圆形压电振子31、连接柱33、圆形压电振子31按次序依次交替排列布置；所述连接柱33与圆形压电振子31同轴；所述连接环32与圆形压电振子31同轴；所述连接环32的外径与圆形压振子31的直径相等；所述连接柱33底面直径小于圆形压电振子31的半径；所述串联压电振子3的两端通过连接环32与第一支撑腿1和第二支撑腿2连接；所述第一支撑腿1和第二支撑腿2为矩形薄板结构，大小形状完全相同；所述第一支撑腿1和第二支撑腿2对称粘贴在所述串联压电振子3两端的两个连接环32上；所述第一支撑腿1和第二支撑腿2长度大于串联压电振子3中的连接环32外径，在一侧形成伸出端；所述第一脚支座4为柱体结构，由两种不同摩擦系数的材料复合而成，即由第一高摩擦系数材质41和第一低摩擦系数材质42对称粘结而成；所述第二脚支座5的大小、结构、材质与所述第一脚支座4完全相同；所述第一支撑腿1的伸出端与所述第一脚支座4连接；所述第二支撑腿2的伸出端与所述第二脚支座5连接；所述第一脚支座4上的第一低摩擦系数材质42与所述第二脚支座5上的第二高摩擦系数材质51相对布置。
工作时，将驱动器放置在工作平面上，所述第一脚支座4和第二脚支座5与工作平面接触。在所述串联压电振子3上施加低频交流电压使其发生往复伸缩变形，在伸缩变形的过程中，左右两个脚支座上不同摩擦系数的材质分别与工作面接触，由于摩擦力不同两脚支座产生不同的滑移量，因此产生向低摩擦系数材质所在方向的定向驱动能力。

Claims (3)

1.一种串联式压电定向驱动器，包括第一支撑腿(1)、第二支撑腿(2)，其特征在于还包括串联压电振子(3)、第一脚支座(4)和第二脚支座(5)，其中：所述串联压电振子(3)由若干个圆形压电振子(31)和若干个连接环(32)、连接柱(33)组成；所述连接环(32)、圆形压电振子(31)、连接柱(33)、圆形压电振子(31)按次序依次交替排列布置；所述连接柱(33)与圆形压电振子(31)同轴；所述连接环(32)与圆形压电振子(31)同轴；所述连接环(32)的外径与圆形压振子(31)的直径相等；所述连接柱(33)底面直径小于圆形压电振子(31)的半径；所述串联压电振子(3)的两端通过连接环(32)与第一支撑腿(1)和第二支撑腿(2)连接；所述第一支撑腿(1)和第二支撑腿(2)为矩形薄板结构，大小形状完全相同；所述第一支撑腿(1)和第二支撑腿(2)对称粘贴在所述串联压电振子(3)两端的两个连接环(32)上；所述第一支撑腿(1)和第二支撑腿(2)长度大于串联压电振子(3)中的连接环(32)外径，在一侧形成伸出端；所述第一脚支座(4)为柱体结构，由两种不同摩擦系数的材料复合而成，即由第一高摩擦系数材质(41)和第一低摩擦系数材质(42)对称粘结而成；所述第二脚支座(5)的大小、结构、材质与所述第一脚支座(4)完全相同；所述第一支撑腿(1)的伸出端与所述第一脚支座(4)连接；所述第二支撑腿(2)的伸出端与所述第二脚支座(5)连接；所述第一脚支座(4)上的第一低摩擦系数材质(42)与所述第二脚支座(5)上的第二高摩擦系数材质(51)相对布置，或所述第一脚支座(4)上的第一高摩擦系数材质(41)与所述第二脚支座(5)上的第二低摩擦系数材质(52)相对布置。
2.根据权利要求1所述的一种串联式压电定向驱动器，其特征在于：所述串联压电振子(3)由若干个圆形压电振子(31)和若干个连接环(32)、连接柱(33)组合而成的圆柱体结构，或是由若干个矩形压电振子(34)和若干个端部矩形连接块(35)、中心矩形连接块(36)组合而成的矩形柱体结构，其中：所述端部矩形连接块(35)、矩形压电振子(34)、中心矩形连接块(36)、矩形压电振子(34)按次序依次交替排列布置；所述端部矩形连接块(35)成对布置在矩形压电振子(34)的两端；所述中心矩形连接块(36)布置在矩形压电振子(34)的中心位置；所述串联压电振子(3)的两端通过端部矩形连接块(35)与第一支撑腿(1)和第二支撑腿(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种串联式压电定向驱动器，其特征在于：所述串联压电振子(3)由若干个圆形压电振子(31)和若干个连接环(32)、连接柱(33)组合而成的圆柱体结构，或是由若干个矩形压电振子(34)和若干个端部矩形连接块(35)组合而成的矩形柱体结构，其中：所述端部矩形连接块(35)、矩形压电振子(34)按次序依次交替排列布置；所述端部矩形连接块(35)依次交替布置在矩形压电振子(34)的上端和下端。
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