一种多自由度夹心式微纳操作器及其位移输出控制方法与流程

本发明涉及一种微纳操作器及其控制方法，属于微纳操作技术领域。

背景技术：

微纳操作技术是指在微、纳米尺度上加工制造出具有特定功能的结构与器件的方法。近年来，微纳操作技术得到了国内外学者和相关研究机构的广泛关注。微纳操作技术的发展方向是制造具有新颖物理、化学和生物特征的纳米功能器件与微纳系统，从而促进电子、信息、材料、先进制造和生物医学等领域的快速发展，具有重大的社会经济效益。

微纳操作器是微纳操作技术中至关重要的部件之一，它直接决定了微纳器件的加工质量和微纳系统的动作精度等性能指标。压电元件由于具有结构设计灵活、响应速度快、断电可自锁和不受电磁干扰等特点，已在微纳操作技术领域中获得了成功应用。

目前普遍存在和研究较为广泛的微纳操作器主要分为压电管式微纳操作器和压电堆叠式微纳操作器：

压电管式微纳操作器主要是通过在压电管外侧涂覆多个电极区域以形成多个极化区，并对多个极化区施加不同的激励电信号以实现微纳操作器在多个自由度方向上的位移输出。然而，现有压电管通常为“细长管”状结构，其轴向尺寸远大于径向尺寸。因此，现有压电管的谐振频率较低，进而导致压电管式微纳操作器的工作频率范围较窄。除此之外，“细长管”状结构的压电管使得压电管式微纳操作器的输出力较小，很难满足大负载工况下的技术需求。

压电堆叠式微纳操作器主要是采用叠层式压电堆叠作为致动元件，其通常将多个压电堆叠分布于不同位置形成压电堆叠并联机构，以实现微纳操作器在多个自由度方向上的位移输出。然而，这种压电堆叠并联机构在保证微纳操作器在多个自由度方向上的高精度位移输出的同时，也带来了结构复杂和难以进一步微型化的问题。

随着科学技术的进步，特别是超精密加工、微纳电子器件制造和光栅刻划等先进制造领域的飞速发展，目前主要存在的压电管式微纳操作器和压电堆叠式微纳操作器已经不能很好地或无法满足上述领域对微纳操作器提出的宽工作频率范围、大负载和微型化等方面的技术需求。因此，研制一种新型原理的微纳操作器，以使其具有工作频率范围宽、承载能力大和结构微型化的技术特点，是目前微纳操作技术领域亟待解决的关键问题之一，对促进上述先进制造技术领域的发展将会产生深远的影响。

技术实现要素：

本发明为解决现有微纳操作器存在的工作频率范围窄、输出力小和难以微型化的问题，提出了一种多自由度夹心式微纳操作器。

本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器包括基座1、m层压电陶瓷片2和前端盖3，m为正整数；

m层压电陶瓷片2堆叠且径向固定在基座1与前端盖3之间；

压电陶瓷片2沿圆周方向分为若干个极化分区2-1，极化分区2-1的数量大于或等于3，极化分区2-1沿着压电陶瓷片2的轴向极化；

每个极化分区2-1均与激励电压源相连。

作为优选的是，在基座1上固设有导柱1-1，导柱1-1的前端贯穿m层压电陶瓷片2，并与前端盖3螺纹连接。

作为优选的是，前端盖3为截顶圆锥体。

作为优选的是，前端盖3的底面与压电陶瓷片2相接，在前端盖3的顶面上设置有驱动足3-1。

作为优选的是，压电陶瓷片2上的极化分区2-1的面积均相同。

作为优选的是，压电陶瓷片2上的极化分区2-1的极化方向均相同。

作为优选的是，当m＞1时，m层压电陶瓷片2上的极化分区2-1的数量相等或不等。

作为优选的是，当m层压电陶瓷片2上的极化分区2-1的数量相等时，m层压电陶瓷片2上的极化分区2-1的面积均相同。

作为优选的是，堆叠状态的m层压电陶瓷片2上的极化分区2-1的极化方向均相同。

本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器的位移输出控制方法的直接控制对象为压电陶瓷片2，该位移输出控制方法包括以下步骤：

通过激励电压源向压电陶瓷片2的每个极化分区2-1的两端施加正激励电压或负激励电压，并调整正激励电压或负激励电压的幅值，使压电陶瓷片2在其轴向上整体伸长或缩短与电压幅值相应的长度，进而调整前端盖3所在位置；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的相邻的n个极化分区2-1施加正激励电压，对其余极化分区2-1施加负激励电压，并调整正激励电压和负激励电压的幅值，使n个极化分区2-1在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与正激励电压幅值相应的长度，使其余极化分区2-1在压电陶瓷片2的轴向上整体缩短与负激励电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向其余极化分区2-1所在方位倾斜；

n为正整数且大于或等于压电陶瓷片2上的极化分区2-1的总数的一半。

本发明采用压电陶瓷片作为微纳操作器的致动元件，通过在压电陶瓷片上设置了多个极化分区，并利用压电陶瓷的逆压电效应，能够使压电陶瓷片的整体伸长、整体缩短或部分区域伸长，其余区域缩短，从而引起前端盖的位置变化，进而实现对微纳操作器的位移输出的精确控制。

本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器的m层压电陶瓷片构成压电陶瓷片层。与现有的压电管式微纳操作器相比，在满足相同使用需求的情况下，本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器的压电陶瓷片层的轴向长度小于压电管式微纳操作器的压电管的轴向长度。因此，本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器具有更宽的工作频率范围。除此之外，在压电陶瓷片层的轴向长度等于压电管的轴向长度的情况下，本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器的输出力较大。

与现有的压电堆叠式微纳操作器相比，本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器采用m层压电陶瓷片作为单独换能器，具有结构简单紧凑的特点，更加微型化。除此之外，本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器还克服了现有压电堆叠式微纳操作器因结构复杂而导致其输出性能受加工装配精度影响较大的缺陷。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器及其位移输出控制方法进行更详细的描述，其中：

图1为实施例一所述的多自由度夹心式微纳操作器的结构示意图；

图2为实施例一提及的基座的结构示意图；

图3为实施例一提及的前端盖的结构示意图；

图4为实施例一提及的压电陶瓷片的极化分区示意图；

图5为实施例二提及的压电陶瓷片的极化分区示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的多自由度夹心式微纳操作器及其位移输出控制方法进一步说明。

实施例一：下面结合图1～图4详细地说明本实施例。

本实施例所述的多自由度夹心式微纳操作器包括基座1、4层压电陶瓷片2和前端盖3；

4层压电陶瓷片2堆叠且径向固定在基座1与前端盖3之间；

每层压电陶瓷片2均沿圆周方向分为3个极化分区2-1，极化分区2-1沿着压电陶瓷片2的轴向极化；

每个极化分区2-1均与激励电压源相连。

本实施例的基座1上固设有导柱1-1，导柱1-1的前端依次贯穿4层压电陶瓷片2，并与前端盖3螺纹连接，这种螺纹连接的方式将4层压电陶瓷片2夹紧在基座1与前端盖3之间，并使得4层压电陶瓷片2承受一定的初始预压力。

本实施例的前端盖3为截顶圆锥体，前端盖3的底面与压电陶瓷片2相接，在前端盖3的顶面上设置有驱动足3-1。

在本实施例中，压电陶瓷片2上的3个极化分区2-1按照顺时针方向分布，依次为第一极化分区2-1-1、第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3，第一极化分区2-1-1、第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3的面积和极化方向均相同，堆叠状态的4层压电陶瓷片2上的极化分区2-1的极化方向均相同。

本实施例通过激励电压源对压电陶瓷片2上的3个极化分区2-1施加不同的激励电压，可实现所述多自由度夹心式微纳操作器在多个自由度方向上进行位移输出：

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的3个极化分区2-1均施加正激励电压，使压电陶瓷片2在其轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，进而调整前端盖3所在位置，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的3个极化分区2-1均施加负激励电压，使压电陶瓷片2在其轴向上整体缩短与电压幅值相应的长度，进而调整前端盖3所在位置，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第一极化分区2-1-1和第二极化分区2-1-2施加正激励电压，使第一极化分区2-1-1和第二极化分区2-1-2在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第三极化分区2-1-3施加负激励电压，使第三极化分区2-1-3在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第三极化分区2-1-3所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第一极化分区2-1-1和第三极化分区2-1-3施加正激励电压，使第一极化分区2-1-1和第三极化分区2-1-3在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第二极化分区2-1-2施加负激励电压，使第二极化分区2-1-2在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第二极化分区2-1-2所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3施加正激励电压，使第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第一极化分区2-1-1施加负激励电压，使第一极化分区2-1-1在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第一极化分区2-1-1所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

综上所述，通过对本实施例的压电陶瓷片2上3个极化分区2-1施加不同极性和幅值的激励电压，可实现所述微纳操作器在多个自由度方向的位移输出。

本实施例仅说明了采用4层压电陶瓷片2且压电陶瓷片2上的3个极化分区2-1具有相同极化方向和相等面积的具体实施方案，对于4层压电陶瓷片2上的3个极化分区2-1具有不同极化方向和/或不等面积的情况，通过改变相应激励电压的幅值或方向可实现本实施例中的功能，也在本发明的保护范围之内，在此不再一一赘述。

实施例二：下面结合图5详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的多自由度夹心式微纳操作器的进一步限定，本实施例所述的多自由度夹心式微纳操作器的不同之处在于，本实施例的压电陶瓷片2均沿圆周方向分为4个极化分区2-1。

在本实施例中，压电陶瓷片2上的4个极化分区2-1按照顺时针方向分布，依次为第一极化分区2-1-1、第二极化分区2-1-2、第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4，第一极化分区2-1-1、第二极化分区2-1-2、第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4的面积和极化方向均相同，堆叠状态的4层压电陶瓷片2上的极化分区2-1的极化方向均相同。

本实施例通过激励电压源对压电陶瓷片2上的4个极化分区2-1施加不同的激励电压，可实现所述多自由度夹心式微纳操作器在多个自由度方向上进行位移输出：

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的4个极化分区2-1均施加正激励电压，使压电陶瓷片2在其轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，进而调整前端盖3所在位置，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的4个极化分区2-1均施加负激励电压，使压电陶瓷片2在其轴向上整体缩短与电压幅值相应的长度，进而调整前端盖3所在位置，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第一极化分区2-1-1、第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3施加正激励电压，使第一极化分区2-1-1、第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第四极化分区2-1-4施加负激励电压，使第四极化分区2-1-4在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第四极化分区2-1-4所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第一极化分区2-1-1、第二极化分区2-1-2和第四极化分区2-1-4施加正激励电压，使第一极化分区2-1-1、第二极化分区2-1-2和第四极化分区2-1-4在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第三极化分区2-1-3施加负激励电压，使第三极化分区2-1-3在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第三极化分区2-1-3所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第一极化分区2-1-1、第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4施加正激励电压，使第一极化分区2-1-1、第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第二极化分区2-1-2施加负激励电压，使第二极化分区2-1-2在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第二极化分区2-1-2所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第二极化分区2-1-2、第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4施加正激励电压，使第二极化分区2-1-2、第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第一极化分区2-1-1施加负激励电压，使第一极化分区2-1-1在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第一极化分区2-1-1所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第一极化分区2-1-1和第二极化分区2-1-2施加正激励电压，使第一极化分区2-1-1和第二极化分区2-1-2在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4施加负激励电压，使第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第一极化分区2-1-1和第四极化分区2-1-4施加正激励电压，使第一极化分区2-1-1和第四极化分区2-1-4在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3施加负激励电压，使第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4施加正激励电压，使第三极化分区2-1-3和第四极化分区2-1-4在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第一极化分区2-1-1和第二极化分区2-1-2施加负激励电压，使第一极化分区2-1-1和第二极化分区2-1-2在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第一极化分区2-1-1和第二极化分区2-1-2所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

通过激励电压源对压电陶瓷片2上的第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3施加正激励电压，使第二极化分区2-1-2和第三极化分区2-1-3在压电陶瓷片2的轴向上整体伸长与电压幅值相应的长度，对第四极化分区2-1-4和第一极化分区2-1-1施加负激励电压，使第四极化分区2-1-4和第一极化分区2-1-1在压电陶瓷片2的轴向上缩短与电压幅值相应的长度，进而使前端盖3向第四极化分区2-1-4和第一极化分区2-1-1所在方位倾斜，实现所述多自由度夹心式微纳操作器的位移输出；

综上所述，通过对本实施例的压电陶瓷片2上4个极化分区2-1施加不同极性和幅值的激励电压，可实现所述微纳操作器在多个自由度方向的位移输出。

本实施例仅说明了采用4层压电陶瓷片2且压电陶瓷片2上的4个极化分区2-1具有相同极化方向和相等面积的具体实施方案，对于4层压电陶瓷片2上的4个极化分区2-1具有不同极化方向和/或不等面积的情况，通过改变相应激励电压的幅值或方向可实现本实施例中的功能，也在本发明的保护范围之内，在此不再一一赘述。

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他所述实施例中。