本發(fā)明涉及一種精密壓電驅(qū)動器，特別涉及一種壓電型多自由度混合驅(qū)動式驅(qū)動器，可應(yīng)用于精密驅(qū)動定位、精密加工、航空航天等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，在精密加工、測量及控制領(lǐng)域，以壓電元件為核心的高精度定位驅(qū)動器得到廣泛應(yīng)用。其中，以壓電元件優(yōu)良動態(tài)特性的慣性沖擊和尺蠖機理運動的制動器，在精密驅(qū)動領(lǐng)域發(fā)展得尤為突出。傳統(tǒng)的壓電陶瓷類驅(qū)動器主要為單自由度的機械式結(jié)構(gòu)，輸出形式比較簡單，而且輸出位移較小，這嚴(yán)重限制了其自身在更多壓電驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，對于一些傳統(tǒng)的壓電雙晶片型慣性沖擊式驅(qū)動裝置而言，往往因不能克服重力影響，而無法高效滿足豎直方向微/納米級別高輸出精度和高承載能力的要求。因此，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力大、重復(fù)定位精度高，且能同時兼具直線運動和旋轉(zhuǎn)運動輸出的微小精密壓電驅(qū)動器是相當(dāng)重要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種壓電型多自由度混合驅(qū)動式驅(qū)動器，解決了目前壓電雙晶片型慣性沖擊式驅(qū)動器驅(qū)動力不足，在重力方向無法精密驅(qū)動而只能宏觀運動，更換驅(qū)動機構(gòu)進(jìn)行精密運動會造成宏/微切換產(chǎn)生絕對位移偏差，且現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸大、輸出自由度單一，承載能力小等問題。本發(fā)明提出由疊層型和雙晶片型壓電致動元件，分別構(gòu)成尺蠖式和慣性式運動機理的混合驅(qū)動結(jié)構(gòu)，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計中綜合了兩種驅(qū)動機理，發(fā)揮了尺蠖式驅(qū)動大負(fù)載能力的優(yōu)點，可同時輸出精密的直線運動和大量程的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，并滿足重力場方向的精密驅(qū)動要求。本發(fā)明采用上、下兩層共四個壓電疊堆分別作用在復(fù)合柔性鉸鏈上、下基板對心式分布鉗位機構(gòu)上，保證了其鉗位結(jié)構(gòu)的對中性。鉗位機構(gòu)采用了一種特殊的復(fù)合平行四邊形柔性鉸鏈機構(gòu)，每次都同時運動，提高了步進(jìn)運動的準(zhǔn)確性和可靠性。另外，上、下兩層基板的四個壓電疊堆與安裝在兩層基板之間的環(huán)形壓電疊堆通過電源激勵時序配合，交替伸縮，可實現(xiàn)輸出軸在重力方向上的直線步進(jìn)式運動。驅(qū)動器輸出軸采用電源線無繞線設(shè)計，可實現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動定位。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種壓電型多自由度混合驅(qū)動式驅(qū)動器，包括定子單元、轉(zhuǎn)子單元和輸出軸1；其中所述定子單元包括嵌有壓電疊堆鉗位的復(fù)合柔性鉸鏈14的上、下兩層基板和直線驅(qū)動機構(gòu)；所述的轉(zhuǎn)子單元包括兩個金屬基板、四個壓電雙晶片、四個慣性質(zhì)量塊；所述的輸出軸1為一無繞線軸，軸的輸出端開有螺紋孔與復(fù)合柔性鉸鏈14上、下層的中心軸孔過渡配合。

所述的定子單元，由復(fù)合柔性鉸鏈14的上、下兩層基板和環(huán)形壓電疊堆12組成；所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板包括一組對心分布的壓電疊堆鉗位，分別通過嵌入a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13實現(xiàn)鉗位驅(qū)動；所述的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13分別通過預(yù)緊螺釘ⅰ9、ⅳ17預(yù)緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板對心分布的壓電疊堆鉗位里；所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板包括一組對心分布的壓電疊堆鉗位，分別通過嵌入a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15實現(xiàn)鉗位驅(qū)動；所述的a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15，分別通過預(yù)緊螺釘ii26、ⅲ16預(yù)緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板對心分布的壓電疊堆鉗位里；所述的環(huán)型壓電疊堆12，壓緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14的上層和下層基板之間；所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的上層和下層基板通過四組薄壁柔性鉸鏈連接。

所述的轉(zhuǎn)子單元，由金屬基板ⅰ4、ⅱ21，壓電晶片ⅰ8、ⅱ22、ⅲ24、ⅳ25，慣性質(zhì)量塊ⅰ5、ⅱ6、ⅲ18、ⅳ20組成；所述的金屬基板ⅰ4、ⅱ21通過鎖緊螺釘ⅰ3、ⅳ23固連在連接軸套2上；所述的連接軸套2過盈配合在輸出軸1頂部；所述的壓電晶片ⅰ8、ⅲ24，壓電晶片ⅱ22、ⅳ25分別粘接在金屬基板ⅰ4、ⅱ21上；所述的慣性質(zhì)量塊ⅰ5、ⅱ6通過鎖緊螺釘ⅱ7固連在金屬基板ⅰ4上，所述的慣性質(zhì)量塊ⅲ18、ⅳ20通過鎖緊螺釘ⅲ19固連在金屬基板ⅱ21上。

所述的輸出軸1為可變式接口轉(zhuǎn)軸。

所述的轉(zhuǎn)子單元為采用電源線無繞線設(shè)計，可實現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動定位。

本發(fā)明的有益成果在于：結(jié)合疊層式和雙晶片式壓電驅(qū)動元件，可同時輸出大行程旋轉(zhuǎn)運動的和直線運動，提高驅(qū)動器運動精度和驅(qū)動力，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、鉗位穩(wěn)定、功能集成化、重復(fù)定位精度高等優(yōu)點。本發(fā)明所涉及的一種壓電型多自由度混合驅(qū)動式驅(qū)動器，總體尺寸為110×50×37mm，整體結(jié)構(gòu)尺寸小，可適用于在重力方向有承載要求，且定位精度要求較高的驅(qū)動機構(gòu)，可方便模塊化嵌入所需的器械中，用于實現(xiàn)不同物件繞固定轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動和沿固定方向的直線步進(jìn)式運動，也可以連接在二級放大機構(gòu)上，以實現(xiàn)大行程精密驅(qū)動。本發(fā)明對我國微/納加工、微/納操作、精密定位等諸多高尖端技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展有著較為重要的參考意義。

附圖說明

此處說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖；

圖3為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主視示意圖；

圖4為圖3的a-a剖視示意圖；

圖5為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)左視示意圖；

圖6為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)的爆炸示意圖。

圖中：1、輸出軸；2、連接軸套；3、鎖緊螺釘ⅰ；4、金屬基板ⅰ；5、慣性質(zhì)量塊??；6、慣性質(zhì)量塊ii；7、鎖緊螺釘ii；8、壓電晶片??；9、預(yù)緊螺釘ⅰ；10、a型壓電疊堆??；11、a型壓電疊堆ii；12、環(huán)形壓電疊堆；13、a型壓電疊堆ⅲ；14、復(fù)合柔性鉸鏈；15、a型壓電疊堆ⅳ；16、預(yù)緊螺釘ⅲ；17、預(yù)緊螺釘ⅳ；18、慣性質(zhì)量塊ⅲ；19、鎖緊螺釘ⅲ；20、慣性質(zhì)量塊ⅳ；21、金屬基板ii；22、壓電晶片ii；23、鎖緊螺釘ⅳ；24、壓電晶片ⅲ；25、壓電晶片ⅳ；26、預(yù)緊螺釘ii。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實施方式。

參見圖1至圖6，本發(fā)明的壓電型多自由度混合驅(qū)動式驅(qū)動器，包括定子單元、轉(zhuǎn)子單元和輸出軸1；所述的定子單元，由復(fù)合柔性鉸鏈14的上、下兩層基板和環(huán)形壓電疊堆12組成；所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板包括一組對心分布的壓電疊堆鉗位，分別通過嵌入a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13實現(xiàn)鉗位驅(qū)動；所述的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13分別通過預(yù)緊螺釘ⅰ9、ⅳ17預(yù)緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈13的上層基板對心分布的壓電疊堆鉗位里；所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板包括一組對心分布的壓電疊堆鉗位，分別通過嵌入a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15實現(xiàn)鉗位驅(qū)動；所述的a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15，分別通過預(yù)緊螺釘ii26、ⅲ16預(yù)緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈13的下層基板對心分布的壓電疊堆鉗位里；所述的環(huán)形壓電疊堆12，壓緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14的上層和下層基板之間；所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的上層和下層基板通過四組薄壁柔性鉸鏈連接，復(fù)合柔性鉸鏈14上層基板的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13，和下層的a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15的通電時序邏輯交替變化，能實現(xiàn)輸出軸1與復(fù)合柔性鉸鏈14上層基板和下層基板交替鉗固和松開，再配合環(huán)形壓電疊堆12動作，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出軸1的持續(xù)步進(jìn)式直線運動。

參見圖1至圖3，所述的轉(zhuǎn)子單元，由金屬基板ⅰ4、ⅱ21，壓電晶片ⅰ8、ⅱ22、ⅲ24、ⅳ25，慣性質(zhì)量塊ⅰ5、ⅱ6、ⅲ18、ⅳ20組成；所述的金屬基板ⅰ4、ⅱ21通過鎖緊螺釘ⅰ3、ⅳ23固連在連接軸套2上；所述的連接軸套2過盈配合在輸出軸1頂部；所述的壓電晶片ⅰ8、ⅲ24，壓電晶片ⅱ22、ⅳ25分別粘接在金屬基板ⅰ4、ⅱ21上；所述的慣性質(zhì)量塊ⅰ5、ⅱ6通過鎖緊螺釘ⅱ7固連在金屬基板ⅰ4上，所述的慣性質(zhì)量塊ⅲ18、ⅳ20通過鎖緊螺釘ⅲ19固連在金屬基板ⅱ21上。

參見圖4，所述的輸出軸1為一無繞線軸，軸的輸出端開有螺紋孔，用于完成旋轉(zhuǎn)、直線運動的輸出，可將不同種類的外輸出部件通過相應(yīng)的連接方式連接在輸出軸1上，用于部件的旋轉(zhuǎn)和直線運動，軸1的上端與連接軸套2過盈配合在一起，下端與復(fù)合柔性鉸鏈14上、下層基板的中心軸孔過渡配合。向壓電晶片ⅰ8、ⅱ22、ⅲ24、ⅳ25同時施加緩慢增加而后急速下降的鋸齒波電壓信號，輸出軸1兩端的壓電雙晶片ⅰ8、ⅲ24同ⅱ22、ⅳ25由于極化方向相反產(chǎn)生方向相反的變形，形成反向的慣性沖擊力矩，進(jìn)而帶動輸出軸1發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

參見圖1、2、3、4、5、6，本發(fā)明的具體工作步驟如下：

輸出軸1旋轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)：系統(tǒng)初始狀態(tài)，復(fù)合柔性鉸鏈14上下兩層的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅱ11、ⅲ13、ⅳ15、和環(huán)形壓電疊堆12均不帶電，輸出軸1此時處于游動狀態(tài)。系統(tǒng)工作狀態(tài)，向圖1中的所示的壓電晶片ⅰ8、ⅱ22、ⅲ24、ⅳ25上同時施加緩慢增加而后急速下降的鋸齒波電壓信號，輸出軸1兩端的壓電雙晶片ⅰ8、ⅲ24同ⅱ22、ⅳ25由于極化方向相反產(chǎn)生方向相反的變形，形成反向的慣性沖擊力矩，進(jìn)而帶動輸出軸1發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這樣就完成了旋轉(zhuǎn)運動的第一步，重復(fù)以上過程可以使得輸出軸1實現(xiàn)持續(xù)式旋轉(zhuǎn)運動，且其理論位移為無限大。

輸出軸1步進(jìn)式直線運動的實現(xiàn)：系統(tǒng)初始狀態(tài)，復(fù)合柔性鉸鏈14上下兩層的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅱ11、ⅲ13、ⅳ15、和環(huán)形壓電疊堆12均不帶電，輸出軸1此時處于游動狀態(tài)。系統(tǒng)工作狀態(tài)，給分別安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14上層的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13同時提供驅(qū)動電壓，由于逆壓電效應(yīng)，a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13同時伸長，推動復(fù)合柔性鉸鏈14上層基板的鉗位單元柔性鉸鏈變形進(jìn)而鉗住輸出軸1，使得復(fù)合柔性鉸鏈13的上層基板與輸出軸1形成緊固。然后再給安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14上、層基板之間的環(huán)形壓電疊堆12提供驅(qū)動電壓，環(huán)形壓電疊堆12由于逆壓電效應(yīng)伸長，在復(fù)合柔性鉸鏈14上、下層基板之間的四組柔性薄壁的變形作用下，帶動輸出軸1沿著軸線方向輸出精密位移；再給安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14下層基板的a型壓電疊堆ⅱ11、ⅳ15同時提供驅(qū)動電壓，a型壓電疊堆ⅱ11、ⅳ15同時通電伸長，通過推動復(fù)合柔性鉸鏈14下層基板的鉗位單元柔性鉸鏈變形進(jìn)而鉗住輸出軸1，使得復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板與輸出軸1形成緊固。當(dāng)a型壓電疊堆ⅰ10、ⅱ11、ⅲ13、ⅳ15同時失電時，壓電疊堆都恢復(fù)到原始長度，使得復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板的鉗位單元與輸出軸1松開。然后讓環(huán)形壓電疊堆12失電，在四組柔性薄壁的恢復(fù)變形作用下，復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板沿軸線向上的運動回到初始狀態(tài)，又因為輸出軸1和復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板繼續(xù)鉗固，所以輸出軸1相對于下層基板做沿軸向向上的直線運動。這樣就完成了步進(jìn)式直線運動的第一步，重復(fù)以上過程可以使得輸出軸1實現(xiàn)持續(xù)步進(jìn)式直線運動，且其理論位移為無限大。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明型可以有各種更改和變化。凡對本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。