一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器，包括：第一支撐腿、第二支撐腿、串聯(lián)壓電振子、第一腳支座和第二腳支座，其中：所述串聯(lián)壓電振子是由若干個(gè)圓形壓電振子和若干個(gè)連接環(huán)、連接柱組合而成的圓柱體結(jié)構(gòu)；所述第一支撐腿和第二支撐腿對(duì)稱粘貼在所述串聯(lián)壓電振子的兩端；所述第一腳支座和第二腳支座由兩種具有不同摩擦系數(shù)的材質(zhì)復(fù)合而成，分別布置在所述第一支撐腿和所述第二支撐腿上；所述串聯(lián)壓電振子通電發(fā)生伸縮變形，致使兩個(gè)腳支座上的不同摩擦系數(shù)材質(zhì)與工作面接觸，從而產(chǎn)生定向驅(qū)動(dòng)能力，該裝置作為驅(qū)動(dòng)器，主要用于仿生機(jī)器人、探測(cè)救援等領(lǐng)域，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，具體涉及一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微型驅(qū)動(dòng)技術(shù)在超精密機(jī)械及其制造、精密測(cè)量、探測(cè)救援、生物醫(yī)療等學(xué)科領(lǐng)域中占據(jù)越來越重要的地位，各種形式各異的具有精密驅(qū)動(dòng)、精密定位的新型驅(qū)動(dòng)器被陸續(xù)開發(fā)出來。伴隨著壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，以壓電陶瓷為核心功能材料的驅(qū)動(dòng)器在超精密定位驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域脫穎而出。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有能量密度大、響應(yīng)速度快、分辨率高、抗電磁干擾、耐低溫真空環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有的壓電式微型驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難，由于壓電陶瓷的變形量小，因此驅(qū)動(dòng)能力較差，并且多為剛性結(jié)構(gòu)，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)器直接與工作平面剛性接觸，對(duì)工作環(huán)境的要求相對(duì)較高，因此設(shè)計(jì)一種驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的微小型驅(qū)動(dòng)器已十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決目前一般的微小型壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力差、環(huán)境適應(yīng)性差的問題，提出了一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器由第一支撐腿、第二支撐腿、串聯(lián)壓電振子、第一腳支座和第二腳支座構(gòu)成，所述串聯(lián)壓電振子通電發(fā)生伸縮變形，帶動(dòng)腳支座往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于摩擦力的存在使得兩腳支座上的不同摩擦系數(shù)材質(zhì)交替與工作面接觸，腳支座往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力不同滑移距離也不同，因此形成向低摩擦系數(shù)材質(zhì)所在方向的驅(qū)動(dòng)能力。本發(fā)明與現(xiàn)有的壓電驅(qū)動(dòng)器相比，由于壓電振子串聯(lián)布置，因此形變量更大，驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)；另一方面，驅(qū)動(dòng)器本身通過柔性體腳支座與工作面相接觸，避免了剛性接觸，對(duì)工作面的要求較低，提高了環(huán)境適應(yīng)性和驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)還能延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器中壓電陶瓷的使用壽命。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器，包括:第一支撐腿、第二支撐腿、串聯(lián)壓電振子、第一腳支座和第二腳支座，其中:所述串聯(lián)壓電振子由若干個(gè)圓形壓電振子和若干個(gè)連接環(huán)、連接柱組成;所述連接環(huán)、圓形壓電振子、連接柱、圓形壓電振子按次序依次交替排列布置;所述連接柱與圓形壓電振子同軸;所述連接環(huán)與圓形壓電振子同軸;所述連接環(huán)的外徑與圓形壓振子的直徑相等;所述連接柱底面直徑小于圓形壓電振子的半徑;所述串聯(lián)壓電振子的兩端通過連接環(huán)與第一支撐腿和第二支撐腿連接;所訴第一支撐腿和第二支撐腿為矩形薄板結(jié)構(gòu)，大小形狀完全相同；所述第一支撐腿和第二支撐腿對(duì)稱粘貼在所述串聯(lián)壓電振子兩端的兩個(gè)連接環(huán)上;所述第一支撐腿和第二支撐腿長(zhǎng)度大于串聯(lián)壓電振子中的連接環(huán)外徑，在一側(cè)形成伸出端;所述第一腳支座為柱體結(jié)構(gòu)，由兩種不同摩擦系數(shù)的材料復(fù)合而成，即由第一高摩擦系數(shù)材質(zhì)和第一低摩擦系數(shù)材質(zhì)對(duì)稱粘結(jié)而成;所述第二腳支座的大小、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)與所述第一腳支座完全相同；所述第一支撐腿的伸出端與所述第一腳支座通過粘接的方式相連接;所述第二支撐腿的伸出端與所述第二腳支座通過粘接的方式相連接;所述第一腳支座上的第一低摩擦系數(shù)材質(zhì)與所述第二腳支座上的第二高摩擦系數(shù)材質(zhì)相對(duì)布置，或所述第一腳支座上的第一高摩擦系數(shù)材質(zhì)與所述第二腳支座上的第二低摩擦系數(shù)材質(zhì)相對(duì)布置。
[0006]所述串聯(lián)壓電振子由若干個(gè)圓形壓電振子和若干個(gè)連接環(huán)、連接柱組合而成的圓柱體結(jié)構(gòu)，或是由若干個(gè)矩形壓電振子和若干個(gè)端部矩形連接塊、中心矩形連接塊組合而成的矩形柱體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其中:所述端部矩形連接塊、矩形壓電振子、中心矩形連接塊、矩形壓電振子按次序依次交替排列布置;所述端部矩形連接塊成對(duì)布置在矩形壓電振子的兩端;所述中心矩形連接塊布置在矩形壓電振子的中心位置;所述串聯(lián)壓電振子的兩端通過端部矩形連接塊與第一支撐腿和第二支撐腿連接。
[0007]所述串聯(lián)壓電振子由若干個(gè)圓形壓電振子和若干個(gè)連接環(huán)、連接柱組合而成的圓柱體結(jié)構(gòu)，或是由若干個(gè)矩形壓電振子和若干個(gè)端部矩形連接塊組合而成的矩形柱體結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其中:所述端部矩形連接塊、矩形壓電振子按次序依次交替排列布置;所述端部矩形連接塊依次交替布置在矩形壓電振子的上端和下端。
[0008]工作時(shí)，將驅(qū)動(dòng)器放置在工作平面上，所述第一腳支座和第二腳支座與工作平面接觸。在所述串聯(lián)壓電振子上施加低頻交流電壓使其發(fā)生往復(fù)伸縮變形，帶動(dòng)兩個(gè)支撐腿相互靠近或相互遠(yuǎn)離。在支撐腿移動(dòng)過程中，腳支座受到與移動(dòng)方向相反的摩擦力，摩擦力使腳支座相對(duì)支撐腿發(fā)生一個(gè)微小的扭動(dòng)，促使兩個(gè)腳支座上不同摩擦系數(shù)的材質(zhì)分別與工作面相接觸，如圖6所示。該驅(qū)動(dòng)器的工作原理示意圖如圖7所示:該驅(qū)動(dòng)器第一腳支座和第二腳支座的左半側(cè)部分分別為第一高摩擦系數(shù)材質(zhì)和第二高摩擦系數(shù)材質(zhì)，右半側(cè)部分分別為第一低摩擦系數(shù)材質(zhì)和第二低摩擦系數(shù)材質(zhì)，當(dāng)串聯(lián)壓電振子未通電時(shí)，驅(qū)動(dòng)器呈自然狀態(tài)，兩腳支座未發(fā)生扭動(dòng)，如圖7中a所示；當(dāng)串聯(lián)壓電振子通電伸長(zhǎng)時(shí)，帶動(dòng)兩個(gè)支撐腿相互遠(yuǎn)離，工作面產(chǎn)生的摩擦力使兩個(gè)腳支座相對(duì)于支撐腿分別產(chǎn)生一個(gè)微小的扭動(dòng)，第一腳支座上的第一高摩擦系數(shù)材質(zhì)與工作面接觸，而第二腳支座上的第二低摩擦系數(shù)材質(zhì)與工作面接觸，因此串聯(lián)壓電振子伸長(zhǎng)時(shí)第一腳支座的滑移距離明顯小于第二腳支座的滑移距離，如圖7中b所示；當(dāng)串聯(lián)壓電振子通電縮短時(shí)，帶動(dòng)兩個(gè)支撐腿相互靠近，此時(shí)工作面產(chǎn)生的摩擦力方向發(fā)生改變，兩個(gè)腳支座相對(duì)于支撐腿分別又產(chǎn)生一個(gè)微小的反方向扭動(dòng)，此時(shí)第一腳支座上的第一低摩擦系數(shù)材質(zhì)與工作面接觸，而第二腳支座上的第二高摩擦系數(shù)材質(zhì)與工作面接觸，因此串聯(lián)壓電振子縮短時(shí)第一腳支座的滑移距離明顯大于第二腳支座的滑移距離，如圖7中c所示，此時(shí)完成一個(gè)工作循環(huán)；同理，當(dāng)串聯(lián)壓電振子通電再次伸長(zhǎng)時(shí)，第一腳支座的滑移距離明顯小于第二腳支座的滑移距離，如圖7中d所示。在串聯(lián)壓電振子通電伸長(zhǎng)和縮短的一個(gè)周期內(nèi)，串聯(lián)壓電振子伸長(zhǎng)時(shí)第二腳支座發(fā)生較大的滑移，串聯(lián)壓電振子縮短時(shí)第一腳支座發(fā)生較大的滑移，因而在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向右的總步長(zhǎng)。在交變電壓作用下，該驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)定向的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)能力。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0010]圖2是本發(fā)明圓柱體結(jié)構(gòu)的串聯(lián)壓電振子構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明對(duì)稱式矩形柱體結(jié)構(gòu)的串聯(lián)壓電振子構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖4是本發(fā)明非對(duì)稱式矩形柱體結(jié)構(gòu)的串聯(lián)壓電振子構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖5是本發(fā)明復(fù)合腳支座示意圖。[OOM]圖6是本發(fā)明復(fù)合腳支座受力扭動(dòng)示意圖。
[0015]圖7是本發(fā)明一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]參照?qǐng)D1、圖2、圖5、圖6和圖7，本發(fā)明一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器由第一支撐腿1、第二支撐腿2、串聯(lián)壓電振子3、第一腳支座4和第二腳支座5構(gòu)成，其中:
[0017]所述串聯(lián)壓電振子3由若干個(gè)圓形壓電振子31和若干個(gè)連接環(huán)32、連接柱33組成；所述連接環(huán)32、圓形壓電振子31、連接柱33、圓形壓電振子31按次序依次交替排列布置;所述連接柱33與圓形壓電振子31同軸;所述連接環(huán)32與圓形壓電振子31同軸;所述連接環(huán)32的外徑與圓形壓振子31的直徑相等;所述連接柱33底面直徑小于圓形壓電振子31的半徑；所述串聯(lián)壓電振子3的兩端通過連接環(huán)32與第一支撐腿I和第二支撐腿2連接;所訴第一支撐腿I和第二支撐腿2為矩形薄板結(jié)構(gòu)，大小形狀完全相同；所述第一支撐腿I和第二支撐腿2對(duì)稱粘貼在所述串聯(lián)壓電振子3兩端的兩個(gè)連接環(huán)32上;所述第一支撐腿I和第二支撐腿2長(zhǎng)度大于串聯(lián)壓電振子3中的連接環(huán)32外徑，在一側(cè)形成伸出端;所述第一腳支座4為柱體結(jié)構(gòu)，由兩種不同摩擦系數(shù)的材料復(fù)合而成，即由第一高摩擦系數(shù)材質(zhì)41和第一低摩擦系數(shù)材質(zhì)42對(duì)稱粘結(jié)而成;所述第二腳支座5的大小、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)與所述第一腳支座4完全相同；所述第一支撐腿I的伸出端與所述第一腳支座4連接;所述第二支撐腿2的伸出端與所述第二腳支座5連接;所述第一腳支座4上的第一低摩擦系數(shù)材質(zhì)42與所述第二腳支座5上的第二高摩擦系數(shù)材質(zhì)51相對(duì)布置。
[0018]工作時(shí)，將驅(qū)動(dòng)器放置在工作平面上，所述第一腳支座4和第二腳支座5與工作平面接觸。在所述串聯(lián)壓電振子3上施加低頻交流電壓使其發(fā)生往復(fù)伸縮變形，在伸縮變形的過程中，左右兩個(gè)腳支座上不同摩擦系數(shù)的材質(zhì)分別與工作面接觸，由于摩擦力不同兩腳支座產(chǎn)生不同的滑移量，因此產(chǎn)生向低摩擦系數(shù)材質(zhì)所在方向的定向驅(qū)動(dòng)能力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器，包括第一支撐腿(I)、第二支撐腿(2)，其特征在于還包括串聯(lián)壓電振子(3)、第一腳支座(4)和第二腳支座(5)，其中:所述串聯(lián)壓電振子(3)由若干個(gè)圓形壓電振子(31)和若干個(gè)連接環(huán)(32)、連接柱(33)組成;所述連接環(huán)(32)、圓形壓電振子(31)、連接柱(33)、圓形壓電振子(31)按次序依次交替排列布置;所述連接柱(33)與圓形壓電振子(31)同軸;所述連接環(huán)(32)與圓形壓電振子(31)同軸;所述連接環(huán)(32)的外徑與圓形壓振子(31)的直徑相等;所述連接柱(33)底面直徑小于圓形壓電振子(31)的半徑;所述串聯(lián)壓電振子(3)的兩端通過連接環(huán)(32)與第一支撐腿(I)和第二支撐腿(2)連接;所訴第一支撐腿(I)和第二支撐腿(2)為矩形薄板結(jié)構(gòu)，大小形狀完全相同；所述第一支撐腿(I)和第二支撐腿(2)對(duì)稱粘貼在所述串聯(lián)壓電振子(3)兩端的兩個(gè)連接環(huán)(32)上;所述第一支撐腿(I)和第二支撐腿(2)長(zhǎng)度大于串聯(lián)壓電振子(3)中的連接環(huán)(32)外徑，在一側(cè)形成伸出端;所述第一腳支座(4)為柱體結(jié)構(gòu)，由兩種不同摩擦系數(shù)的材料復(fù)合而成，即由第一高摩擦系數(shù)材質(zhì)(41)和第一低摩擦系數(shù)材質(zhì)(42)對(duì)稱粘結(jié)而成;所述第二腳支座(5)的大小、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)與所述第一腳支座(4)完全相同；所述第一支撐腿(I)的伸出端與所述第一腳支座(4)連接;所述第二支撐腿(2)的伸出端與所述第二腳支座(5)連接;所述第一腳支座(4)上的第一低摩擦系數(shù)材質(zhì)(42)與所述第二腳支座(5)上的第二高摩擦系數(shù)材質(zhì)(51)相對(duì)布置，或所述第一腳支座(4)上的第一高摩擦系數(shù)材質(zhì)(41)與所述第二腳支座(5)上的第二低摩擦系數(shù)材質(zhì)(52)相對(duì)布置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述串聯(lián)壓電振子(3)由若干個(gè)圓形壓電振子(31)和若干個(gè)連接環(huán)(32)、連接柱(33)組合而成的圓柱體結(jié)構(gòu)，或是由若干個(gè)矩形壓電振子(34)和若干個(gè)端部矩形連接塊(35)、中心矩形連接塊(36)組合而成的矩形柱體結(jié)構(gòu)，其中:所述端部矩形連接塊(35)、矩形壓電振子(34)、中心矩形連接塊(36)、矩形壓電振子(34)按次序依次交替排列布置;所述端部矩形連接塊(35)成對(duì)布置在矩形壓電振子(34)的兩端;所述中心矩形連接塊(36)布置在矩形壓電振子(34)的中心位置;所述串聯(lián)壓電振子(3)的兩端通過端部矩形連接塊(35)與第一支撐腿(I)和第二支撐腿(2)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)式壓電定向驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述串聯(lián)壓電振子(3)由若干個(gè)圓形壓電振子(31)和若干個(gè)連接環(huán)(32)、連接柱(33)組合而成的圓柱體結(jié)構(gòu)，或是由若干個(gè)矩形壓電振子(34)和若干個(gè)端部矩形連接塊(35)組合而成的矩形柱體結(jié)構(gòu)，其中:所述端部矩形連接塊(35)、矩形壓電振子(34)按次序依次交替排列布置;所述端部矩形連接塊(35)依次交替布置在矩形壓電振子(34)的上端和下端。
【文檔編號(hào)】H02N2/06GK105846713SQ201610416044
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】吳越, 任露泉, 劉慶萍, 王京春, 涂前進(jìn), 宋正義
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)