CN112468013A - 双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器 - Google Patents

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杨东川
朴胜春
陈洪娟
王术镜
周秋如
葛宣佐
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Abstract

一种双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，属于压电驱动技术领域。本发明针对现有非谐振式压电驱动器结构复杂并且重量大的问题。它的螺栓由端块侧旋入并与中间块的通孔内壁的内螺纹连接固定；压电陶瓷叠堆和电极片套接在具有绝缘层的螺栓上并夹紧在端块与中间块之间；每个驱动臂包括两个驱动段，其中一个驱动段的首端与端块通过柔性铰链连接，一个驱动段的末端与另一个驱动段的首端通过柔性铰链连接为驱动足，另一个驱动段的末端与中间块通过柔性铰链连接；两个驱动臂在所述运动方向的垂直方向上呈镜像对称设置；一号菱形拓扑结构驱动单元和二号菱形拓扑结构驱动单元在中间块端面处对应连接在一起形成镜像对称结构。本发明实现了拓扑结构与压电驱动器的融合设计。

Description

双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器
技术领域
本发明涉及双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，属于压电驱动技术领域。
背景技术
从振动的角度，可将压电驱动器分为谐振式压电驱动器和非谐振式压电驱动器。其中谐振式压电驱动器工作在压电驱动器定子本体某一个振动模态(或两个振动模态复合后)的特征频点处(通常在20kHz以上)，它充分利用了驱动器定子本体谐振模态下的较大的振动幅度，有利于实现较大的输出位移和较高的输出速度。然而，由于谐振式压电驱动器工作在其定子本体的某一个模态特征频率点附近，会具有相当的频率敏感性。也就是说，当激励电压的频率因为各种原因发生漂移时，如定子和转子之间产生接触并施加一定的预紧力时，由于边界条件的变化，其模态特征频率会发生漂移，谐振式压电驱动器的振动输出性能、阻抗性能都会发生相应的变化。由于偏离了模态特征频率点，其整体输出性能会下降。一方面，很难***地评判各种因素对模态特征频率的影响规律；另一方面，谐振式压电驱动器采用定子和动子之间的滑动摩擦力实现驱动功能，在定子和动子接触面处，存在严重的磨损现象，这也增加了谐振式压电驱动器输出性能的不确定性。
与谐振式压电驱动器相比，非谐振式压电驱动器的工作频率通常为几赫兹至几百赫兹不等，其远低于压电驱动器定子本体的第一阶模态特征频率，所述第一阶模态特征频率一般在20kHz以上；理论上，非谐振式压电驱动器的工作频率可以选择第一阶模态特征频率以下的任意频点。由于工作频率较低，非谐振式压电驱动器采用定子和动子之间的静摩擦实现驱动功能。因此，非谐振式压电驱动器能够有效的解决谐振式压电驱动器的高频率敏感性和接触界面磨损的问题。并且，非谐振式压电驱动器采用脉冲电压序列激励时，能够实现微位移输出，实现精密驱动。
现有非谐振式压电驱动器需要在水平方向和竖直方向分别提供一个用于激励位移的压电换能器，这加大了驱动器结构的复杂度并增加了驱动器的重量，同时存在控制电路复杂的问题。
发明内容
针对现有非谐振式压电驱动器结构复杂并且重量大的问题，本发明提供一种双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器。
本发明的一种双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，包括一号菱形拓扑结构驱动单元和二号菱形拓扑结构驱动单元，两个驱动单元沿运动方向连接为一体，并且两个驱动单元呈镜像对称设置；
其中一号菱形拓扑结构驱动单元包括端块100、中间块200、两个驱动臂300、压电陶瓷叠堆400、电极片500和螺栓600，
端块100和中间块200中心具有通孔，螺栓600由端块100侧旋入并与中间块200的通孔内壁的内螺纹连接固定；压电陶瓷叠堆400和电极片500套接在具有绝缘层的螺栓600上并夹紧在端块100与中间块200之间，压电陶瓷叠堆400中每相邻两片压电陶瓷之间以及压电陶瓷与中间块200之间分别设置一片电极片500；
每个驱动臂300包括两个驱动段，其中一个驱动段的首端与端块100通过柔性铰链连接，一个驱动段的末端与另一个驱动段的首端通过柔性铰链连接为驱动足310，另一个驱动段的末端与中间块200通过柔性铰链连接；两个驱动臂300在所述运动方向的垂直方向上呈镜像对称设置；
一号菱形拓扑结构驱动单元和二号菱形拓扑结构驱动单元在中间块200端面处对应连接在一起形成镜像对称结构；其中一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆400的驱动电压与二号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆400的驱动电压存在四分之一周期的相位差。
根据本发明的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，所述一号菱形拓扑结构驱动单元还包括支撑件700，支撑件700连接在端块100的外端面上，支撑件700的中心具有中心通孔，螺栓600经支撑件700的中心通孔穿入端块100。
根据本发明的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，所述压电陶瓷叠堆400包括八片压电陶瓷。
根据本发明的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，所述驱动足310为半圆柱形。
根据本发明的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，每个驱动单元中支撑件700、端块100、驱动臂300、中间块200及所有柔性铰链为一体件；两个驱动单元的中间块200连接为一体件。
根据本发明的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，所述端块100的通孔外侧为阶梯孔，所述阶梯孔用于限位螺栓600的端头。
根据本发明的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，所有压电陶瓷工作于d33模式，且沿厚度方向极化，相邻压电陶瓷的极化方向相反。
根据本发明的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，所述驱动臂300的厚度小于端块100和中间块200的厚度。
根据本发明的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，在工作状态下，所述一号菱形拓扑结构驱动单元的支撑件700被钳定，二号菱形拓扑结构驱动单元的支撑件700沿运动方向为自由态，其余两个方向固定。
本发明的有益效果：本发明所述压电驱动器继承了非谐振式压电驱动器的所有优点；并在此基础上，进行了双菱形拓扑结构设计，使该压电驱动器在提供用于驱动直线导轨的水平位移的同时，还可提供用于克服预紧力的垂直位移，从而节省了一个用于激励某一方向位移的压电换能器的设计，在减轻驱动器重量的同时，也精简了驱动器的结构，并使控制电路的设计可以更加简单，最终实现了拓扑结构与压电驱动器的融合设计。
附图说明
图1是本发明所述双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器的立体结构示意图；
图2是所述双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器的剖面图；
图3是双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器中一号菱形拓扑结构驱动单元的驱动电压示意图；
图4是双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器中二号菱形拓扑结构驱动单元的驱动电压示意图；
图5是双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器在四分之一周期内的工作原理示意图；图中t表示时刻；n表示周期数，n＝0，1，2，3，……；
图6是双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器在二分之一周期内的工作原理示意图；
图7是双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器在四分之三周期内的工作原理示意图；
图8是双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器在一个周期内的工作原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，包括一号菱形拓扑结构驱动单元和二号菱形拓扑结构驱动单元，两个驱动单元沿运动方向连接为一体，并且两个驱动单元呈镜像对称设置；
其中一号菱形拓扑结构驱动单元包括端块100、中间块200、两个驱动臂300、压电陶瓷叠堆400、电极片500和螺栓600，
端块100和中间块200中心具有通孔，螺栓600由端块100侧旋入并与中间块200的通孔内壁的内螺纹连接固定；压电陶瓷叠堆400和电极片500套接在具有绝缘层的螺栓600上并夹紧在端块100与中间块200之间，压电陶瓷叠堆400中每相邻两片压电陶瓷之间以及压电陶瓷与中间块200之间分别设置一片电极片500；
每个驱动臂300包括两个驱动段，其中一个驱动段的首端与端块100通过柔性铰链连接，一个驱动段的末端与另一个驱动段的首端通过柔性铰链连接为驱动足310，另一个驱动段的末端与中间块200通过柔性铰链连接；两个驱动臂300在所述运动方向的垂直方向上呈镜像对称设置；
一号菱形拓扑结构驱动单元和二号菱形拓扑结构驱动单元在中间块200端面处对应连接在一起形成镜像对称结构；其中一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆400的驱动电压与二号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆400的驱动电压存在四分之一周期的相位差。
本实施方式中所述的压电驱动器具有双菱形拓扑结构，其中驱动臂300的两个驱动段形成三角形的两条边，每个驱动单元的一对驱动臂300形成一个菱形，则两个驱动单元的驱动臂300形成两个菱形。
每个菱形拓扑结构包括中间的压电换能器由端块100、中间块200、压电陶瓷叠堆400、电极片500和螺栓600组成和两个对称布置在压电换能器上部和下部的三角形臂组成。每个三角形臂的驱动段连接处形成一个驱动足。
作为示例，中间块200的通孔可以为螺纹通孔。螺栓600最终拧紧在中间块的螺纹通孔中。
本实施方式中两个驱动单元的结构完全相同，以一号菱形拓扑结构驱动单元为例对其结构进行说明，二号菱形拓扑结构驱动单元与一号菱形拓扑结构驱动单元呈镜像对称的设置形式。
进一步，结合图1所示，所述一号菱形拓扑结构驱动单元还包括支撑件700，支撑件700连接在端块100的外端面上，支撑件700的中心具有中心通孔，螺栓600经支撑件700的中心通孔穿入端块100。所述支撑件700用于对驱动单元进行固定。
作为示例，结合图1所示，所述压电陶瓷叠堆400包括八片压电陶瓷。即通过八片压电陶瓷形成提供纵向位移的压电叠堆。
再进一步，所述驱动足310为半圆柱形。实际工作中，半圆柱形驱动足与直线导轨的接触面可形成一个较窄的矩形，较窄的接触面积保证了接触点处位移的一致性。
再进一步，每个驱动单元中支撑件700、端块100、驱动臂300、中间块200及所有柔性铰链为一体件；两个驱动单元的中间块200连接为一体件。
两个中间块200连接为一体，使两个菱形拓扑结构共享同一个中心块，并且通过螺栓连接将压电陶瓷夹紧在中间块和端块之间。两个支撑件700同时用作压电驱动器的支撑固定。
所述一体件可采用一次装夹，线切割加工完成，这样可以保证两个驱动单元中的驱动足与直线导轨同时接触。
再进一步，所述端块100的通孔外侧为阶梯孔，所述阶梯孔用于限位螺栓600的端头。
再进一步，所有压电陶瓷工作于d33模式，且沿厚度方向极化，相邻压电陶瓷的极化方向相反。
d33模式中激励电场方向与极化方向相同。压电陶瓷的极化情况如图2所示，用“+”、“-”表示压电陶瓷的极化方向。所述绝缘层缠绕在螺栓上，其缠绕位置与压电陶瓷电极片的z轴位置对应，发挥绝缘作用。
再进一步，所述驱动臂300的厚度小于端块100和中间块200的厚度。即沿图2所示x轴方向驱动臂300的厚度小于端块100和中间块200的厚度。驱动臂的厚度较小，有利于实现较大的形变，提高驱动性能。
再进一步，在工作状态下，所述一号菱形拓扑结构驱动单元的支撑件700被钳定，二号菱形拓扑结构驱动单元的支撑件700沿运动方向为自由态，其余两个方向固定。
下面对本发明的工作过程进行说明：所述压电驱动器工作时，一号菱形拓扑结构驱动单元中的支撑件700钳定，即x、y、z三个方向的位移都固定；二号菱形拓扑结构驱动单元中的支撑件700沿Z轴方向滑动支撑，即x、y两个方向的位移固定，z轴方向自由。图1中给出了压电驱动器的电路连接情况，其中VA和VB分别为一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆和二号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆的激励电压。如图3和图4所示，VA和VB为方波电压，激励电压VB落后激励电压VA四分之一周期的相位差，图中T为激励电压的周期。本发明的工作过程可以分为以下步骤：
1)在0～T/4时间段：一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆的激励电压为正，其压电陶瓷叠堆伸长，同时驱动臂300产生形变，对应的驱动足远离直线导轨；二号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆激励电压为负，压电陶瓷叠堆缩短，同时驱动臂300产生形变，对应的驱动足压紧直线导轨，如图5所示；
2)在T/4～T/2时间段：一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆的激励电压为正，其压电陶瓷叠堆伸长，同时驱动臂300产生形变，对应的驱动足远离直线导轨；二号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆激励电压为正，其压电陶瓷叠堆伸长，同时驱动臂300产生形变，对应的驱动足远离直线导轨，如图6所示；
3)在T/2～3T/4时间段：一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆的激励电压为负，其压电陶瓷叠堆缩短，同时驱动臂300产生形变，对应的驱动足压紧直线导轨；二号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆激励电压为正，其压电陶瓷叠堆伸长，同时驱动臂300产生形变，对应的驱动足远离直线导轨，如图7所示；
4)在3T/4～T时间段：一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆的激励电压为负，其压电陶瓷叠堆缩短，同时驱动臂300产生形变，对应的驱动足压紧直线导轨；二号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆激励电压为负，其压电陶瓷叠堆缩短，同时驱动臂300产生形变，对应的驱动足压紧直线导轨，如图8所示；
5)由图8的状态到图5的状态变化过程中，一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆由最短的状态变为最长的状态，与此同时二号菱形拓扑结构驱动单元中的驱动足始终压紧直线导轨，直线导轨被推动，运动方向如图5至图8所示。按图5至图8再到图5的驱动步骤重复进行，即可推动直线导轨运动。相反，如图按照图5、图8、图7、图6再到图5的步骤重复进行，则直线导轨则向相反的方向运动，只需将激励电压改变为：激励电压VB领先激励电压VA四分之一周期的相位差即可实现。
激励电压的频率1/T应该远低于本发明中压电驱动器的第一阶振动模态的特征频率2290Hz。
图1和图2中给出了一种具体实施方式的整体结构尺寸，单位为mm。在实际使用中，可根据实际应用场合的需求进行调整。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (9)

1.一种双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于包括一号菱形拓扑结构驱动单元和二号菱形拓扑结构驱动单元，两个驱动单元沿运动方向连接为一体，并且两个驱动单元呈镜像对称设置；
其中一号菱形拓扑结构驱动单元包括端块(100)、中间块(200)、两个驱动臂(300)、压电陶瓷叠堆(400)、电极片(500)和螺栓(600)，
端块(100)和中间块(200)中心具有通孔，螺栓(600)由端块(100)侧旋入并与中间块(200)的通孔内壁的内螺纹连接固定；压电陶瓷叠堆(400)和电极片(500)套接在具有绝缘层的螺栓(600)上并夹紧在端块(100)与中间块(200)之间，压电陶瓷叠堆(400)中每相邻两片压电陶瓷之间以及压电陶瓷与中间块(200)之间分别设置一片电极片(500)；
每个驱动臂(300)包括两个驱动段，其中一个驱动段的首端与端块(100)通过柔性铰链连接，一个驱动段的末端与另一个驱动段的首端通过柔性铰链连接为驱动足(310)，另一个驱动段的末端与中间块(200)通过柔性铰链连接；两个驱动臂(300)在所述运动方向的垂直方向上呈镜像对称设置；
一号菱形拓扑结构驱动单元和二号菱形拓扑结构驱动单元在中间块(200)端面处对应连接在一起形成镜像对称结构；其中一号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆(400)的驱动电压与二号菱形拓扑结构驱动单元中压电陶瓷叠堆(400)的驱动电压存在四分之一周期的相位差。
2.根据权利要求1所述的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于，所述一号菱形拓扑结构驱动单元还包括支撑件(700)，支撑件(700)连接在端块(100)的外端面上，支撑件(700)的中心具有中心通孔，螺栓(600)经支撑件(700)的中心通孔穿入端块(100)。
3.根据权利要求1或2所述的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于，
所述压电陶瓷叠堆(400)包括八片压电陶瓷。
4.根据权利要求3所述的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于，
所述驱动足(310)为半圆柱形。
5.根据权利要求4所述的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于，
每个驱动单元中支撑件(700)、端块(100)、驱动臂(300)、中间块(200)及所有柔性铰链为一体件；两个驱动单元的中间块(200)连接为一体件。
6.根据权利要求5所述的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于，
所述端块(100)的通孔外侧为阶梯孔，所述阶梯孔用于限位螺栓(600)的端头。
7.根据权利要求6所述的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于，
所有压电陶瓷工作于d33模式，且沿厚度方向极化，相邻压电陶瓷的极化方向相反。
8.根据权利要求7所述的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于，
所述驱动臂(300)的厚度小于端块(100)和中间块(200)的厚度。
9.根据权利要求2所述的双菱形拓扑结构非谐振式尺蠖型压电驱动器，其特征在于，
在工作状态下，所述一号菱形拓扑结构驱动单元的支撑件(700)被钳定，二号菱形拓扑结构驱动单元的支撑件(700)沿运动方向为自由态，其余两个方向固定。
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CN114759827A (zh) * 2022-05-17 2022-07-15 山东理工大学 一种夹持式大振幅超声电机定子

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