一种基于菱形环和杠杆原理的平面三级放大机构及方法与流程

本发明涉及一种位移放大器，具体涉及一种基于菱形环和杠杆原理的平面三级放大机构及方法。

背景技术：

目前压电材料具有响应速度快、输出力强、可靠性好等特点，在许多领域取得了广泛应用，但传统的单压电堆作动器能够产生的位移十分微小，需要放大机构对其产生的位移进行放大，才能更多更好的运用于实际。目前常见的大倍数位移放大器常为立体结构，体积大、使用场合受限，故急需要一种高放大倍数的平面放大机构。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种平面结构的、高放大倍数的压电位移放大机构及方法，同时本发明具有结构简单紧凑、体积小、重量轻的特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于菱形环和杠杆原理的平面三级放大机构，包括底座9，z方向放置且同方向极化的处于预压紧状态的压电陶瓷1，通电后，能够输入z方向上的微小位移；容纳压电陶瓷1的菱形环2；与菱形环2短轴相连的第一支撑臂3-1和第二支撑臂3-2，第一支撑臂3-1和第二支撑臂3-2另一端分别由第一柔性铰链4-1和第二柔性铰链4-2与第一杠杆6-1和第二杠杆6-2连接，其中第一支撑臂3-1与第一杠杆6-1、第二支撑臂3-2与第二杠杆6-2为垂直关系；第一杠杆6-1和第二杠杆6-2的短力臂末端分别由第三柔性铰链5-1和第四柔性铰链5-2与底座9连接，第一杠杆6-1和第二杠杆6-2的长力臂末端分别与第三支撑臂7-1和第四支撑臂7-2连接以及第三支撑臂7-1和第四支撑臂7-2连接放大位移输出端8构成半菱形环结构，位移输出端8为半菱形环结构的短边；所述平面三级放大机构为一体化设计，可以实现三级位移放大。

所述的一种基于菱形环和杠杆原理的平面三级放大机构实现三级位移放大的方法，通电后，压电陶瓷1产生z方向的一个微小位移，使菱形环2长轴伸长，短轴缩短，其中短轴缩短量大于长轴伸长量，此为第一级位移放大；菱形环2的短轴缩短量传递给第一支撑臂3-1和第二支撑臂3-2，通过第一柔性铰链4-1和第二柔性铰链4-2分别作用于第一杠杆6-1和第二杠杆6-2，于是第一杠杆6-1在x方向的作用力下，以第三柔性铰链5-1为支点绕动，其长力臂末端在x方向上的位移大于上一级短轴的输出位移，同样地，第二杠杆6-2在横向作用力下，以第四柔性铰链5-2为支点绕动，其长力臂末端在x方向上的位移大于上一级短轴的输出位移，由此，通过杠杆原理实现第二级位移放大；第一杠杆6-1和第二杠杆6-2的长力臂末端与第三支撑臂7-1和第四支撑臂7-2以及位移输出端8构成半菱形环结构，上一级的位移输入使得半菱形环结构的长轴缩短，则其短轴伸长即放大机构的位移输出端8输出位移，因为半菱形环结构的短轴伸长量大于长轴缩短量，故实现了位移的第三级放大。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明通过位移放大机构的三级放大耦合设计，通电后压电陶瓷产生z方向上的微小位移，一次通过菱形环、杠杆、半菱形环的三级放大，在输出端输出z方向上的放大位移，实现了微小位移的高倍数放大。

2、本发明的平面位移放大机构，相比立体的位移放大机构，具有体积小、重量轻、结构简单的优点，适用于更多场合。

3、本发明的平面三级位移放大机构采取一体化设计，制造方便，加工简单。

附图说明

图1为本发明结构立体图。

图2为本发明主视图及杠杆的一对力臂的标注。

图3为(半)菱形环实现位移放大的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于菱形环和杠杆原理的平面三级放大机构，包括底座9，z方向放置且同方向极化的处于预压紧状态的压电陶瓷1，通电后，可以输入z方向上的微小位移；容纳压电陶瓷1的菱形环2；与菱形环2短轴相连的第一支撑臂3-1和第二支撑臂3-2，第一支撑臂3-1和第二支撑臂3-2另一端分别由第一柔性铰链4-1和第二柔性铰链4-2与第一杠杆6-1和第二杠杆6-2连接，其中第一支撑臂3-1与第一杠杆6-1,第二支撑臂3-2与第二杠杆6-2为垂直关系；第一杠杆6-1和第二杠杆6-2的短力臂末端分别由第三柔性铰链5-1和第四柔性铰链5-2与底座9连接，第一杠杆6-1和第二杠杆6-2的长力臂末端分别与第三支撑臂7-1和第四支撑臂7-2构成半菱形环结构，半菱形环结构的短边即为放大位移的最终输出端8。本发明为一体化设计，可以实现三级位移放大。

本发明基于菱形环和杠杆原理的平面三级放大机构实现三级位移放大的方法：通电后，压电陶瓷1产生z方向的一个微小位移，使菱形环2长轴伸长，短轴缩短，其中短轴缩短量大于长轴伸长量，此为第一级位移放大；菱形环2的短轴缩短量传递给第一支撑臂3-1和第二支撑臂3-2，通过第一柔性铰链4-1和第二柔性铰链4-2分别作用于第一杠杆6-1和第二杠杆6-2，于是第一杠杆6-1在x方向的作用力下，以第三柔性铰链5-1为支点绕动，其长力臂末端在x方向上的位移大于上一级短轴的输出位移，同样地，第二杠杆6-2在横向作用力下，以第四柔性铰链5-2为支点绕动，其长力臂末端在x方向上的位移大于上一级短轴的输出位移，由此，通过杠杆原理实现第二级位移放大；第一杠杆6-1和第二杠杆6-2的长力臂末端与第三支撑臂7-1和第四支撑臂7-2以及位移输出端8构成半菱形环结构，上一级的位移输入使得半菱形环结构的长轴缩短，则其短轴伸长即放大机构的位移输出端8输出位移，因为半菱形环结构的短轴伸长量大于长轴缩短量，故实现了位移的第三级放大。

(半)菱形环的位移放大原理如图3所示，短轴的缩短或伸长位移与长轴的伸长或缩短位移之比等于菱形环长短轴长度a和b之比，即(半)菱形环的放大倍数与边长无关，而只与长短轴的长度有关，且短轴的位移变化量大于长轴的位移变化量。杠杆放大位移如图2所示，放大倍数与两力臂的长度l1和l2之比有关，放大倍数具体应为(l1/l2+1)。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于菱形环和杠杆原理的平面三级放大机构及方法，该放大机构为一体设计，包括了底座，提供z方向输入位移的处于预压紧状态的压电陶瓷，菱形环，将菱形环的短轴与第一、第二杠杆连接在一起的第一、第二支撑臂和第一、第二柔性铰链，第一、第二杠杆短力臂末端与底座由第三、第四柔性铰链连接，长力臂末端与第三、第四支撑臂构成半菱形环的放大机构，半菱形环短轴为z方向放大位移输出端；菱形环位移放大级、杠杆位移放大级和半菱形环位移放大级使得本发明成为具有三级放大特点的平面放大机构，具有结构紧凑、简单，体积小，重量轻，放大倍数大的优点。

技术研发人员：雷俊琪;徐明龙;马国亮;刘开园
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2017.04.13
技术公布日：2017.07.04