CN217428017U - 一种双向步进式压电驱动器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双向步进式压电驱动器，包括：驱动组件、运动组件、预紧组件和支撑组件，驱动组件包括两组压电单元，每组压电单元包括三个压电陶瓷腿，每个压电陶瓷腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和一个横向剪切压电叠堆，每组压电单元的三个压电陶瓷腿在平面内呈正三角形分布，六个压电陶瓷腿在平面内呈正六边形分布，该分布方式可以提高运动组件移动的平稳性，而且结构紧凑，两组压电单元的横向剪切压电叠堆的横向剪切变形方向在平面内正交。驱动器在运动时，一组压电单元产生钳位运动，另一组压电单元产生步进运动，两组压电单元在电压时序控制下，可实现驱动器在两个正交方向的步进运动。

Description

一种双向步进式压电驱动器

技术领域

本申请涉及压电驱动装置技术领域，特别涉及一种双向步进式压电驱动器。

背景技术

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。

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，随着科技的发展，单一自由度的缺点限制了压电驱动器在微型机器人、医疗设备及检测设备等领域中的应用，因此如何拓展压电驱动器的应用是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种双向步进式压电驱动器，能够实现在两个正交方向上的步进运动输出，且结构紧凑、运行稳定。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种双向步进式压电驱动器，包括：驱动组件、运动组件、预紧组件和支撑组件，所述支撑组件用于支撑所述驱动组件和所述预紧组件，所述预紧组件用于对所述运动组件施加朝向所述驱动组件的预紧力，所述驱动组件用于驱动所述运动组件移动；

所述驱动组件包括两组压电单元，每组所述压电单元包括多个压电陶瓷腿，每个所述压电陶瓷腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和一个横向剪切压电叠堆，其中一组所述压电单元的所述横向剪切压电叠堆的横向剪切变形方向，与另外一组所述压电单元的所述横向剪切压电叠堆的横向剪切变形方向在平面内正交；

压电驱动器在步进运动时，其中一组所述压电单元用于对所述运动组件产生钳位作用，另外一组所述压电单元用于对所述运动组件产生驱动作用。

优选地，多个所述压电陶瓷腿沿圆周方向均匀分布，其中一组所述压电单元相邻的两个所述压电陶瓷腿之间设有一个另外一组所述压电单元的所述压电陶瓷腿。

优选地，两组所述压电单元分别包括三个所述压电陶瓷腿，位于同一组所述压电单元的三个所述压电陶瓷腿呈正三角形分布。

优选地，所述预紧组件包括预紧螺钉、预紧碟簧、压板，所述压板下方设有用于与所述运动组件的上表面接触的滚动部，所述预紧碟簧套设在所述预紧螺钉上，且位于所述压板上方，所述预紧螺钉自上而下依次穿过所述压板和所述运动组件，并固定在支撑组件上，以通过所述预紧碟簧给所述运动组件施加向下的预紧力。

优选地，所述滚动部为平面轴承，所述平面轴承的上端与所述压板的下端连接，所述平面轴承的下端与所述运动组件的上表面接触。

优选地，所述预紧组件还包括设置在所述预紧螺钉的头部和所述预紧碟簧之间的平垫片。

优选地，所述压电陶瓷腿还包括耐磨陶瓷片，所述纵向伸缩压电叠堆、所述横向剪切压电叠堆和所述耐磨陶瓷片通过环氧树脂结构胶串联粘接。

优选地，所述运动组件为运动平台，所述支撑组件为支撑板，所述驱动组件位于所述支撑板和所述运动平台之间。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

1、相对于传统的单自由度压电驱动器，本申请可在平面内两个正交方向实现连续且精密的步进运动。

2、本申请采用两组驱动单元作为驱动组件，在步进运动时，多个压电陶瓷同时工作，具有更大的运动输出刚度，可产生较大的驱动力；同时压电驱动器在掉电状态下，通过预紧组件仍可保持较大的预紧力，在运动组件与多个压电陶瓷腿件可产生较大的静摩擦力，以保证压电驱动器具有较高的掉电保持力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的实施例，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。

图1为双向步进式压电驱动器的结构示意图；

图2为双向步进式压电驱动器在Z-Y截面的剖视结构示意图；

图3为双向步进式压电驱动器在Z-X截面的剖视结构示意图；

图4为双向步进式压电驱动器去除预紧组件后的结构示意图；

图5为双向步进式压电驱动器的六个压电陶瓷腿的分布图；

图6为压电陶瓷腿的结构示意图；

图7为双向步进式压电驱动器在X+向的步进运动过程示意图；

图8为双向步进式压电驱动器在Y+向的步进运动过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参考图1～图6，本申请实施例所提供的一种双向步进式压电驱动器，包括：驱动组件、运动组件、预紧组件和支撑组件，支撑组件用于支撑驱动组件和预紧组件，预紧组件用于对运动组件施加朝向驱动组件的预紧力，驱动组件用于驱动运动组件移动，运动组件优选为运动平台6，支撑组件优选为底座9，驱动组件位于底座9和运动平台6之间；其中驱动组件包括两组压电单元，每组压电单元包括多个压电陶瓷腿，每个压电陶瓷腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和一个横向剪切压电叠堆，压电陶瓷腿还包括耐磨陶瓷片u，如图6所示，纵向伸缩压电叠堆d、横向剪切压电叠堆m和耐磨陶瓷片u通过环氧树脂结构胶串联粘接，通过耐磨陶瓷片u可以提高压电陶瓷腿的耐磨性，进而保证压电陶瓷腿的抗磨损能力。其中一组压电单元的横向剪切压电叠堆的横向剪切变形方向，与另外一组压电单元的横向剪切压电叠堆的横向剪切变形方向在平面内正交。压电驱动器在步进运动时，一组压电单元产生钳位运动，另一组压电单元产生驱动运动，两组压电单元在电压时序控制下，可实现压电驱动器在两个正交方向稳定的步进运动。

为了进一步提高压电驱动器的运动稳定性，在本实施例中，多个压电陶瓷腿沿圆周方向均匀分布，其中一组压电单元相邻的两个压电陶瓷腿之间设有一个另外一组压电单元的压电陶瓷腿。例如图5所示，两组压电单元分别包括三个压电陶瓷腿，位于同一组压电单元的三个压电陶瓷腿呈正三角形分布，即六个压电陶瓷腿在平面内呈正六边形分布，该分布方式可以提高运动组件移动的平稳性，而且结构紧凑。此外两组压电单元也可以分别包括两个压电陶瓷腿或更多个压电陶瓷腿，具体可根据实际需要进行选择。

在一些实施例中，如图2和图3所示，预紧组件包括预紧螺钉1、平垫片2、预紧碟簧3、压板4，压板4下方设有用于与运动组件的上表面接触的滚动部，滚动部优选为平面轴承5，平面轴承5的上端与压板4的下端连接，平面轴承5的下端与运动组件的上表面接触，通过平面轴承5可以减小运动组件的磨损，其中平面轴承5包括多个滚珠5A和滚珠支架5B，多个滚珠5A在滚珠支架5B的约束下保持相对位置不变，压板下面设有环向分布的V型槽，V型槽与滚珠5A接触，以限制平面轴承5与压板4之间的相对运动；预紧碟簧3套设在预紧螺钉1上，且位于压板4上方，平垫片2设置在预紧螺钉1的头部和预紧碟簧3之间，预紧螺钉1自上而下依次穿过压板4和运动组件，并固定在支撑组件上，以通过预紧碟簧3给运动组件施加向下的预紧力，通过预紧组件可以提高驱动器的整体刚度，其中预紧螺钉1与底座9螺纹连接固定后，压板4和平面轴承5相对底座9在X向和Y向不存在相对位置变动。

预紧螺钉1与底座9通过螺纹连接紧固后，压缩预紧碟簧3在Z向产生变形δh，进而产生预紧力，用F_N表示，可由下式计算得出：

F_N＝K*δh

式中，K为预紧碟簧3压缩刚度。

预紧力F_N通过预紧压板3和平面轴承5将运动平台6压向平面Ⅰ，在运动平台6下表面与平面Ⅰ间产生摩擦耦合作用，运动平台6下表面与平面Ⅰ间的最大静摩擦力可表示为：

f_max＝μ*F_N

式中,μ为运动平台6下表面与平面Ⅰ间的静摩擦系数。

为了便于理解双向步进式压电驱动器的工作原理，下面以X+向和Y+向为例进行说明，为了便于区分两组压电单元，分别记为第一压电单元7和第二压电单元8，第一压电单元7的三个压电陶瓷腿分别记为7A、7B、7C，第二压电单元8的三个压电陶瓷腿分别记为8A、8B、8C,其中7A、8B、7C、8A、7B、8C在俯视方向上沿顺时针方向依次设置，第一压电单元7的纵向伸缩压电叠堆的驱动电压为U1，即压电陶瓷腿7A、8B、7C的纵向伸缩压电叠堆在驱动电压U1的作用下可产生平行于Z向坐标轴的伸缩变形，第一压电单元7的横向剪切压电叠堆的驱动电压为U2，即压电陶瓷腿7A、7B、7C的横向剪切压电叠堆在驱动电压U2的作用下可产生平行于Y向坐标轴的剪切变形；第二压电单元8的纵向伸缩压电叠堆的驱动电压为U3，即压电陶瓷腿8A、7B、8C的纵向伸缩压电叠堆在驱动电压U3的作用下可产生平行于Z向坐标轴的伸缩变形，第二压电单元8的横向剪切压电叠堆的驱动电压为U4，即压电陶瓷腿8A、7B、8C的横向剪切压电叠堆在驱动电压U4的作用下可产生平行于X向坐标轴的剪切变形。

压电驱动器静态时，运动平台6下表面与压电陶瓷腿7A、7B、7C、8A、8B、8C上端的的六个耐磨陶瓷薄片上面组成的平面Ⅰ直接接触，运动平台6的上表面与平面轴承5的滚珠5A接触。

压电驱动器在动态运动时，第一压电单元7的三个陶瓷腿7A、7B和7C的上端的三个耐磨陶瓷薄片上面组成的平面Ⅱ与第二压电单元8的三个陶瓷腿8A、8B和8C上端的三个耐磨陶瓷薄片上面组成的平面Ⅲ不再共面；平面Ⅱ和平面Ⅲ与运动平台6下表面交替接触，驱动运动平台6在X向/Y向运动。

参见附图7：驱动器在X+向步进运动的过程如下：

初始时，驱动器静态，第一压电单元7和第二压电单元8无电压作用；

a、U2、U3保持零电压,通过U1驱动第一压电单元7产生Z向伸长变形、同时通过U4驱动第二压电单元8产生X-向的剪切变形，则第一压电单元7实现运动平台6的钳位、第二压电单元8与运动平台不接触；

b、U2保持零电压、U1、U4保持不变，通过U3驱动第二压电单元8产生Z向伸长变形，此时第一压电单元7和第二压电单元8同时实现运动平台6的钳位；

c、U2保持零电压，U3保持不变，通过U1驱动第一压电单元7产生Z向缩短变形、同时通过U4驱动第二压电单元8产生由X-向X+的剪切变形，则第二压电单元8在摩擦力的作用下带动运动平台6向右运动1个步长ΔX；

d、U2保持零电压、U3和U4保持不变，通过U1驱动第一压电单元7产生Z向伸长变形，此时第一压电单元7和第二压电单元8同时实现运动平台6的钳位；

e、U2保持零电压、U1和U4保持不变，通过U3驱动第二压电单元8产生Z向缩短变形，此时驱动第一压电单元7实现运动平台6的钳位。

参见附图7：双向步进式压电驱动器在完成a-b-c-d-e-a过程后，其运动平台6向X+向运动了一个步长ΔX；

参见附图7：循环重复a-b-c-d-e-a过程，即可实现双向步进式压电驱动器在X+向的连续步进运动。

参见附图7：循环重复a-e-d-c-b-a过程，可实现双向步进式压电驱动器在X-向的连续步进运动。

参见附图8：压电驱动器在Y向步进运动时，驱动单元8起到钳位作用，即保持运动平台6位置不动；第一压电单元7起到驱动作用，即驱动运动平台6在Y向步进运动。

参见附图8：压电驱动器在Y+向步进运动的过程如下：

初始时，压电驱动器静态，第一压电单元7和第二压电单元8无电压作用；

A、U1、U4保持零电压，通过U3驱动第二压电单元8产生Z向伸长变形、同时通过U2驱动第一压电单元7产生Y-向的剪切变形，则第二压电单元8实现运动平台6的钳位、第一压电单元7与运动平台不接触；

B、U4保持零电压、U2和U3保持不变、通过U1驱动第一压电单元7产生Z向伸长变形，此时第一压电单元7和第二压电单元8同时实现运动平台6的钳位；

C、U4保持零电压，U1保持不变，通过U3驱动第二压电单元8产生Z向缩短变形、同时通过U2驱动第一压电单元7产生Y-向Y+的剪切变形，则第一压电单元7在摩擦力的作用下带动运动平台6向右运动1个步长ΔY；

D、U4保持零电压、U1和U2保持不变，通过U3驱动第二压电单元8产生Z向伸长变形，此时第一压电单元7和第二压电单元8同时实现运动平台6的钳位；

E、U4保持零电压、U2和U3保持不变，通过U1驱动第一压电单元7产生Z向缩短变形，此时驱动第二压电单元8实现运动平台6的钳位。

参见附图8：双向步进式压电驱动器在完成上述A-B-C-D-E-A过程后，其运动平台6向Y+向运动了一个步长ΔY；

参见附图8:循环重复A-B-C-D-E-A过程，即可实现双向步进式压电驱动器在Y+向的连续步进运动。

参见附图8：循环重复A-E-D-C-B-A过程，可实现双向步进式压电驱动器在Y-向的连续步进运动。

驱动器在X向步进运动时，平面Ⅲ与运动平台6间的摩擦力F_fx驱动运动平台6产生步进运动；驱动器在Y向步进运动时，平面Ⅱ与运动平台6间的摩擦力F_fy驱动运动平台6产生步进运动；理论上X向和Y向运动时的摩擦推力相等，且有如下关系：

F_fx＝F_fy＝F_f＝f_max

驱动器在X向步进运动时，运动平台6驱动负载运动的能力用F_X表示，即新型驱动器X向的驱动力；驱动器在Y向步进运动时，运动平台6驱动负载运动的能力用F_X表示，即新型驱动器Y向的驱动力；新型驱动器X向和Y向的驱动器可由下式计算得出：

其中，f为驱动器动态时，运动平台6上表面与平面轴承5间的滚动摩擦阻力。

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。

以上对本申请所提供的一种双向步进式压电驱动器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请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申请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，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双向步进式压电驱动器，其特征在于，包括：驱动组件、运动组件、预紧组件和支撑组件，所述支撑组件用于支撑所述驱动组件和所述预紧组件，所述预紧组件用于对所述运动组件施加朝向所述驱动组件的预紧力，所述驱动组件用于驱动所述运动组件移动；

所述驱动组件包括两组压电单元，每组所述压电单元包括多个压电陶瓷腿，每个所述压电陶瓷腿包括一个纵向伸缩压电叠堆和一个横向剪切压电叠堆，其中一组所述压电单元的所述横向剪切压电叠堆的横向剪切变形方向，与另外一组所述压电单元的所述横向剪切压电叠堆的横向剪切变形方向在平面内正交；

压电驱动器在步进运动时，其中一组所述压电单元用于对所述运动组件产生钳位作用，另外一组所述压电单元用于对所述运动组件产生驱动作用。

2.根据权利要求1所述的双向步进式压电驱动器，其特征在于，多个所述压电陶瓷腿沿圆周方向均匀分布，其中一组所述压电单元相邻的两个所述压电陶瓷腿之间设有一个另外一组所述压电单元的所述压电陶瓷腿。

3.根据权利要求2所述的双向步进式压电驱动器，其特征在于，两组所述压电单元分别包括三个所述压电陶瓷腿，位于同一组所述压电单元的三个所述压电陶瓷腿呈正三角形分布。

4.根据权利要求1所述的双向步进式压电驱动器，其特征在于，所述预紧组件包括预紧螺钉、预紧碟簧、压板，所述压板下方设有用于与所述运动组件的上表面接触的滚动部，所述预紧碟簧套设在所述预紧螺钉上，且位于所述压板上方，所述预紧螺钉自上而下依次穿过所述压板和所述运动组件，并固定在支撑组件上，以通过所述预紧碟簧给所述运动组件施加向下的预紧力。

5.根据权利要求4所述的双向步进式压电驱动器，其特征在于，所述滚动部为平面轴承，所述平面轴承的上端与所述压板的下端连接，所述平面轴承的下端与所述运动组件的上表面接触。

6.根据权利要求5所述的双向步进式压电驱动器，其特征在于，所述预紧组件还包括设置在所述预紧螺钉的头部和所述预紧碟簧之间的平垫片。

7.根据权利要求1所述的双向步进式压电驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷腿还包括耐磨陶瓷片，所述纵向伸缩压电叠堆、所述横向剪切压电叠堆和所述耐磨陶瓷片通过环氧树脂结构胶串联粘接。

8.根据权利要求1所述的双向步进式压电驱动器，其特征在于，所述运动组件为运动平台，所述支撑组件为支撑板，所述驱动组件位于所述支撑板和所述运动平台之间。

Images