一種預緊力可調寄生慣性運動式精密壓電驅動器的製作方法
2023-04-29 16:43:16 1
本實用新型涉及一種精密壓電驅動器，特別涉及一種預緊力可調寄生慣性運動式精密壓電驅動器，可應用於顯微生物技術、大規模集成電路製造、微/納顯微操作機器人、微機電系統等領域。
背景技術：
近年來，隨著科學技術的發展，人類對微觀領域的研究越來越深。微機械技術、微/納米測量技術已經成為現如今高新技術領域的熱門，而具有微/納級別定位精度的壓電驅動技術更是這些微/納加工、微/納操作、精密光學、航空航天等諸多高尖端技術領域中的核心技術，這些領域迅猛的發展對其核心技術提出了更高的要求。研究人員傾力於研究性能更優異的高精度的驅動裝置，使其在較小的空間內實現微/納米級別的運動輸出，但是這些驅動裝置往往因為壓電元件的輸出行程較小，嚴重限制了壓電驅動技術在更多壓電驅動技術領域的應用。此外，對於一些傳統的慣性壓電驅動裝置而言，往往因驅動裝置與驅動對象之間的預緊力不可調節，而無法高效滿足摩擦原理驅動要求。因此，設計一種能兼具微/納米級別高輸出精度和大位移輸出行程特性，且能實現驅動器和驅動對象預緊力可調的壓電驅動裝置是相當重要的。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種預緊力可調寄生慣性運動式精密壓電驅動器，解決了現有技術存在的上述問題。本實用新型是一種結構新穎，輸出行程大、輸出精度高，具有驅動器與驅動對象之間預緊力可調功能的摩擦慣性驅動裝置。本實用新型可通過手動調節預緊力平臺位置的方式，完成驅動器與驅動對象之間的預緊力微調，並可通過壓電疊堆兩路信號和時序信號相結合的方式，使壓電疊堆按照指定的時序完成伸長、收縮動作，以實現驅動對象的步進式運動。
為實現上述目的，本實用新型提供一種預緊力可調寄生慣性運動式精密壓電驅動器。包括精密預緊力調整單元、壓電疊堆驅動器單元、直線運動單元；其中，精密預緊力調整平臺通過螺釘固定在基座1上，壓電疊堆驅動器單元通過螺釘安裝在墊塊2上，直線運動單元通過螺釘連接，安裝在基座1上。
所述的精密預緊力調整單元，由分釐卡調整手柄5、線性滾珠導軌3、平移臺4組成；所述的分釐卡調整手柄5通過螺紋副與線性滾珠導軌3相連；所述的線性滾珠導軌3通過螺紋副與平移臺4相配合，可帶動平移臺4沿著水平方向平穩運動；所述的平移臺4通過螺釘鎖緊安裝在線性滾珠導軌3的頂面；精密預緊力調整單元通過調節分釐卡調整手柄5，驅使平移臺4平穩運動實現對預緊力的微調作用。
所述的壓電疊堆驅動器單元由直角柔性鉸鏈6、壓電疊堆I7、直圓柔性鉸鏈8、壓電疊堆II9組成，其中所述的直角柔性鉸鏈6和直圓柔性鉸鏈8均為對稱結構，通過螺釘固定在墊塊2上；所述的壓電疊堆I7 和壓電疊II9分別嵌入安裝在直角柔性鉸鏈6和直圓柔性鉸鏈8內，並通過薄銅片預緊，當壓電疊堆II9 通電伸長時，直圓柔性鉸鏈8發生變形，產生沿著直角柔性鉸鏈6中心對稱軸方向的寄生運動，同時當壓電疊堆I7通電伸長時，直角柔性鉸鏈6發生變形，拉動直圓柔性鉸鏈8和壓電疊堆II9一起沿著對稱軸方向移動，實現對單鉸鏈寄生運動輸出位移的放大功能，通過對壓電疊堆I7和壓電疊II9驅動信號和兩路信號的時序控制，實現大位移、高響應頻率、高速度的輸出。
所述的直線運動單元由直線導軌13和與之對應的導軌滑塊12、摩擦塊10、反光塊11組成，其中所述的直線導軌13通過螺釘固定在基座1上；所述的導軌滑塊12通過螺釘固定在直線導軌13上，可帶動摩擦塊10移動；所述的摩擦塊10通過螺釘和導軌滑塊10相連，通過壓電驅動器單元對其產生的側向摩擦力，沿著直線導軌13運動；所述的反光塊11上粘有平面鏡，便於雷射位移傳感器14接收反射光線並對其運動效果進行實時監測，反光塊11通過螺釘固定在摩擦塊10上，隨著摩擦塊10一起沿著直線導軌 13水平移動。
實用新型的另一目的在於提供一種預緊力可調寄生慣性運動式精密壓電驅動器測試方法，將壓電疊堆 I7和壓電疊II9分別嵌入安裝在直角柔性鉸鏈6和直圓柔性鉸鏈8內，當壓電疊堆II9通電伸長時，直圓型柔性鉸鏈8沿著壓電疊堆II9伸長的方向發生變形，從而對摩擦塊10產生鉗位作用，直圓型柔性鉸鏈8 同時也將產生一個沿著直線導軌13方向的寄生運動，驅動摩擦塊10沿著直線導軌13的方向運動；此外，當壓電疊堆I7通電伸長時，直角柔性鉸鏈6將沿著壓電疊堆I7伸長的方向發生變形，拉動直圓柔性鉸鏈 8和壓電疊堆II9一起沿著壓電疊堆I7通電伸長的方向移動，同時利用直圓柔性鉸鏈8對摩擦塊10產生的摩擦力，使得摩擦塊10發生沿著導軌方向的移動。
所述的壓電疊堆I7和壓電疊II9，均通過鋸齒波電壓信號作為驅動信號，再結合兩路信號的時序控制，實現摩擦塊10大行程直線運動，且其理論行程取決於直線導軌13的行程，實現驅動對象步進式運動的具體操作步驟如下：
a.手動調整分釐卡調整手柄5，使平移臺4帶動壓電疊堆驅動器單元緩慢接近摩擦塊13，直至直圓柔性鉸鏈8一端的圓弧驅動觸頭接觸上摩擦塊10；
b.壓電疊堆I7和壓電疊II9通電緩慢伸長，壓電疊II7對摩擦塊10產生鉗位作用，由於直角柔性鉸鏈6發生彈性變形，壓電疊堆I7的通電伸長，將拉動直圓柔性鉸鏈8和壓電疊堆II9一起沿著壓電疊堆I7 通電伸長的方向移動，並利用壓電疊II9對摩擦塊10產生的鉗位作用，拉動摩擦塊10沿著直線導軌13運動一個微小步長；
c.壓電疊堆I7和壓電疊II9快速失電並退回至初始位置，在慣性力的作用下，摩擦塊10基本保持在壓電疊堆I7和壓電疊II9最大伸長時驅動的位置；
d.重複上述步驟，實現摩擦塊(13)步進式大行程直線運動。
本實用新型的有益效果在於：可通過手動調節預緊力平臺位置的方式，實現驅動器與驅動對象之間的預緊力微調，並可通過壓電疊堆兩路信號和時序信號相結合的方式，使壓電疊堆按照指定的時序完成伸長、收縮動作，以實現驅動對象大位移的步進式運動，可應用於顯微生物技術、大規模集成電路製造、微/納顯微操作機器人、微機電系統等領域。本實用新型對我國微/納加工、微/納操作、精密光學、航空航天等諸多高尖端技術領域的發展有著極其重要的參考意義。
附圖說明
此處說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。
圖1為本實用新型的整體結構示意圖；
圖2為本實用新型的柔性鉸鏈結構示意圖；
圖3為本實用新型的柔性鉸鏈變形示意圖；
圖4為本實用新型的雷射測位移工作原理示意圖；
圖中：1、基座；2、墊塊；3、線性滾珠導軌；4、平移臺；5、分釐卡調整手柄；6、直角柔性鉸鏈； 7、壓電疊堆I；8、直圓柔性鉸鏈；9、壓電疊堆II；10、摩擦塊；11、反光塊；12、導軌滑塊；13、直線導軌；14、雷射位移傳感器
具體實施方式
下面結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其具體實施方式。
參見圖1至圖4所示，本實用新型提供一種預緊力可調寄生慣性運動式精密壓電驅動器。包括精密預緊力調整單元、壓電疊堆驅動器單元、直線運動單元；其中，精密預緊力調整平臺通過螺釘固定在基座1 上，壓電疊堆驅動器單元通過螺釘安裝在墊塊2上，直線運動單元通過螺釘連接，安裝在基座1上。
所述的精密預緊力調整單元，由分釐卡調整手柄5、線性滾珠導軌3、平移臺4組成；所述的分釐卡調整手柄5通過螺紋副與線性滾珠導軌3相連；所述的線性滾珠導軌3通過螺紋副與平移臺4相配合，可帶動平移臺4沿著水平方向平穩運動；所述的平移臺4通過螺釘鎖緊安裝在線性滾珠導軌3的頂面；精密預緊力調整單元通過調節分釐卡調整手柄5，驅使平移臺4平穩運動實現對預緊力的微調作用。
參見圖3所示，所述的壓電疊堆驅動器單元由直角柔性鉸鏈6、壓電疊堆I7、直圓柔性鉸鏈8、壓電疊堆II9組成，其中所述的直角柔性鉸鏈6和直圓柔性鉸鏈8均為對稱結構，通過螺釘固定在墊塊2上；所述的壓電疊堆I7和壓電疊II9分別嵌入安裝在直角柔性鉸鏈6和直圓柔性鉸鏈8內，並通過薄銅片預緊。當壓電疊堆II9通電伸長時，直圓柔性鉸鏈8發生變形，產生沿著直角柔性鉸鏈6中心對稱軸方向的寄生運動，同時當壓電疊堆I7通電伸長時，直角柔性鉸鏈6發生變形，拉動直圓柔性鉸鏈8和壓電疊堆II9一起沿著對稱軸方向移動，實現對單鉸鏈寄生運動輸出位移的放大功能，通過對壓電疊堆I7和壓電疊II9驅動信號和兩路信號的時序控制，實現大位移、高響應頻率、高速度的輸出。
參見圖4所示，所述的直線運動單元由直線導軌13和與之對應的導軌滑塊12、摩擦塊10、反光塊11 組成，其中所述的直線導軌13通過螺釘固定在基座1上；所述的導軌滑塊12通過螺釘固定在直線導軌13 上，可帶動摩擦塊10移動；所述的摩擦塊10通過螺釘和導軌滑塊12相連，通過壓電驅動器單元對其產生的側向摩擦力，沿著直線導軌13運動；所述的反光塊11上粘有平面鏡，便於雷射位移傳感器14接收反射光線並對其運動效果進行實時監測，反光塊11通過螺釘固定在摩擦塊10上，隨著摩擦塊10一起沿著直線導軌13水平移動。
以上所述僅為本實用新型的優選實例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡對本實用新型所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。