一种新型摩擦式直线压电驱动器的制作方法

本发明属于压电驱动领域，具体涉及一种新型摩擦式直线压电驱动器。

背景技术：

驱动器的性能直接影响自动化设备的性能，由于压电驱动元件具有体积小、响应速度快、可控精度高、换能效率高和无电磁干扰等优越性能，在超精密仪器、微机器人、精密定位和生物医学等领域得到广泛的应用。压电驱动主要分为直线驱动和旋转驱动，压电直线驱动主要有压电惯性驱动和仿生驱动两类，其中仿生驱动主要是仿尺蠖型蠕动式驱动，这种驱动方法需要多个压电钳位堆叠，成本较高，同时需要一级甚至多级位移放大机构和运动转换机机构，结构较为复杂；压电惯性驱动主要有电控式和摩擦式，电控式主要利用非对称激励信号实现驱动，因此控制系统复杂。压电摩擦式驱动具有驱动结构简单、驱动机理新颖和驱动信号简单易于控制等优点，对压电摩擦式驱动器进行深入的研究将有利于压电驱动器进一步的推广和应用。

技术实现要素：

为了解决目前直线压电驱动器结构较为复杂，多与工作面刚性接触，对工作环境要求高，控制系统复杂的问题，提出了一种新型摩擦式直线压电驱动器，该驱动器由固定壳体、中心轴和结构完全相同且均匀布置在中心轴的四周的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器组成。其中：所述第一驱动器包括第一端侧连接板、第一压电驱动单元、压电振子连接板、第二压电驱动单元和第二端侧连接板且各构件依次连接，所述第一端侧连接板和第二端侧连接板分别与固定壳体连接；其中所述第一压电驱动单元由第一压电振子、第二压电振子、第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿组成，所述第一压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第二压电振子与第一压电振子结构完全相同且两压电振子相连，所述第一支撑腿一端垂直连接在第一压电振子与第一端侧连接板连接端的下表面，另一端为第一脚支座，所述第一脚支座由第一低摩擦系数材料和第一高摩擦系数材料复合而成且外端面为弧形，所述第二支撑腿一端垂直布置在第一压电振子和第二压电振子连接端的下表面，另一端为由第二低摩擦系数材料构成的第二脚支座，所述第三支撑腿一端垂直布置在第二压电振子与压电振子连接板连接端的下表面，另一端为由第三高摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料复合而成的第三脚支座，所述第三高摩擦系数材料与第一高摩擦系数材料完全相同且均布置在靠近第二支撑腿一侧，所述第一低摩擦系数材料、第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料完全相同；所述第二压电驱动单元与第一压电驱动单元结构完全相同。

工作时，固定壳体位置固定，驱动单元中各压电振子受到一定相位的驱动电压的作用产生周期性的变形，驱动单元中由于脚支座受到压电驱动的力和输出轴的摩擦力共同作用产生小角度的扭转，实现不同摩擦系数的材料交替与输出轴接触，从而在一个驱动周期内使输出轴定向运动一个步长，最终实现输出轴的定向驱动。该驱动器正向驱动原理如图4所示：压电振子未通电时不发生变形，输出轴静止，如图4(a)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第一压电振子受到电压驱动产生靠近轴线的变形时，各驱动单元的第一脚支座和第二脚支座产生小角度扭转致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向右的驱动摩擦力等于向左的摩擦力，此时输出轴不发生位移，如图4(b)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第一压电振子受到电压驱动产生远离轴线的变形时，各驱动单元的第一脚支座和第二脚支座产生小角度扭转致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向右的驱动摩擦力大于向左的摩擦力，此时输出轴产生向右的一个位移，如图4(c)所示。因此，在各驱动单元的的第一压电振子受到交流电压驱动时，驱动器实现正向驱动。该驱动器反向驱动原理如图5所示：压电振子未通电时不发生变形，输出轴静止，如图5(a)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到电压驱动产生靠近轴线的变形时，各驱动单元的第二脚支座和第三脚支座产生小角度扭转致使第二脚支座第二低摩擦系数材料和第三脚支座的第三低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向左的驱动摩擦力等于向右的摩擦力，此时输出轴不发生位移，如图5(b)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到电压驱动产生远离轴线的变形时，各驱动单元的第二脚支座和第三脚支座产生小角度扭转致使第二脚支座的第二低摩擦系数材料和第三脚支座的第三高摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向左的驱动摩擦力大于向右的摩擦力，此时输出轴产生向左的一个位移，如图5(c)所示。因此，在第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到交流电压驱动时，驱动器实现反向驱动。

本发明实现了双向直线驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种新型摩擦式直线压电驱动器，该驱动器由固定壳体、中心轴和结构完全相同且均匀布置在中心轴的四周的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器组成。其中：所述第一驱动器包括第一端侧连接板、第一压电驱动单元、压电振子连接板、第二压电驱动单元和第二端侧连接板且各构件依次连接，所述第一端侧连接板和第二端侧连接板分别与固定壳体连接；其中所述第一压电驱动单元由第一压电振子、第二压电振子、第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿组成，所述第一压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第二压电振子与第一压电振子结构完全相同且两压电振子相连，所述第一支撑腿一端垂直连接在第一压电振子与第一端侧连接板连接端的下表面，另一端为第一脚支座，所述第一脚支座由第一低摩擦系数材料和第一高摩擦系数材料复合而成且外端面为弧形，所述第二支撑腿一端垂直布置在第一压电振子和第二压电振子连接端的下表面，另一端为由第二低摩擦系数材料构成的第二脚支座，所述第三支撑腿一端垂直布置在第二压电振子与压电振子连接板连接端的下表面，另一端为由第三高摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料复合而成的第三脚支座，所述第三高摩擦系数材料与第一高摩擦系数材料完全相同且均布置在靠近第二支撑腿一侧，所述第一低摩擦系数材料、第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料完全相同；所述第二压电驱动单元与第一压电驱动单元结构完全相同。

工作时，固定壳体位置固定，驱动单元中各压电振子受到一定相位的驱动电压的作用产生周期性的变形，驱动单元中由于脚支座受到压电驱动的力和输出轴的摩擦力共同作用产生小角度的扭转，实现不同摩擦系数的材料交替与输出轴接触，从而在一个驱动周期内使输出轴定向运动一个步长，最终实现输出轴的定向驱动。该驱动器正向驱动原理如图4所示：压电振子未通电时不发生变形，输出轴静止，如图4(a)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第一压电振子受到电压驱动产生靠近轴线的变形时，各驱动单元的第一脚支座和第二脚支座产生小角度扭转致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向右的驱动摩擦力等于向左的摩擦力，此时输出轴不发生位移，如图4(b)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第一压电振子受到电压驱动产生远离轴线的变形时，各驱动单元的第一脚支座和第二脚支座产生小角度扭转致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向右的驱动摩擦力大于向左的摩擦力，此时输出轴产生向右的一个位移，如图4(c)所示。因此，在各驱动单元的的第一压电振子受到交流电压驱动时，驱动器实现正向驱动。该驱动器反向驱动原理如图5所示：压电振子未通电时不发生变形，输出轴静止，如图5(a)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到电压驱动产生靠近轴线的变形时，各驱动单元的第二脚支座和第三脚支座产生小角度扭转致使第二脚支座第二低摩擦系数材料和第三脚支座的第三低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向左的驱动摩擦力等于向右的摩擦力，此时输出轴不发生位移，如图5(b)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到电压驱动产生远离轴线的变形时，各驱动单元的第二脚支座和第三脚支座产生小角度扭转致使第二脚支座的第二低摩擦系数材料和第三脚支座的第三高摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向左的驱动摩擦力大于向右的摩擦力，此时输出轴产生向左的一个位移，如图5(c)所示。因此，在第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到交流电压驱动时，驱动器实现反向驱动。

本发明实现了双向直线驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。

附图说明

图1是本发明一种新型摩擦式直线压电驱动器三维结构示意图。

图2是本发明一种新型摩擦式直线压电驱动器左视图结构示意图。

图3是本发明一种新型摩擦式直线压电驱动器压电驱动单元结构示意图。

图4是本发明一种新型摩擦式直线压电驱动器正向驱动过程示意图。

图5是本发明一种新型摩擦式直线压电驱动器反向驱动过程示意图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3、图4和图5，本发明一种新型摩擦式直线压电驱动器是由固定壳体1、中心轴2、第一驱动器3、第二驱动器4和第三驱动器5组成，其中：

所述第一驱动器3包括第一端侧连接板31、第一压电驱动单元32、压电振子连接板33、第二压电驱动单元34和第二端侧连接板35且各构件依次连接，所述第一端侧连接板31和第二端侧连接板35分别与固定壳体1连接；其中所述第一压电驱动单元32由第一压电振子321、第二压电振子322、第一支撑腿323、第二支撑腿324和第三支撑腿325组成，所述第一压电振子321由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第二压电振子322与第一压电振子321结构完全相同且两压电振子相连，所述第一支撑腿323一端垂直连接在第一压电振子321与第一端侧连接板31连接端的下表面，另一端为第一脚支座3231，所述第一脚支座3231由第一低摩擦系数材料32311和第一高摩擦系数材料32312复合而成且外端面为弧形，所述第二支撑腿324一端垂直布置在第一压电振子321和第二压电振子322连接端的下表面，另一端为由第二低摩擦系数材料构成的第二脚支座3241，所述第三支撑腿325一端垂直布置在第二压电振子322与第一压电振子连接板33连接端的下表面，另一端为由第三高摩擦系数材料32511和第三低摩擦系数材料32512复合而成的第三脚支座3251，所述第三高摩擦系数材料32511与第一高摩擦系数材料32312完全相同且均布置在靠近第二支撑腿324一侧，所述第一低摩擦系数材料32311、第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料32512完全相同；所述第二压电驱动单元34与第一压电驱动单元32结构完全相同。

工作时，固定壳体位置固定，驱动单元中各压电振子受到一定相位的驱动电压的作用产生周期性的变形，驱动单元中由于脚支座受到压电驱动的力和输出轴的摩擦力共同作用产生小角度的扭转，实现不同摩擦系数的材料交替与输出轴接触，从而在一个驱动周期内使输出轴定向运动一个步长，最终实现输出轴的定向驱动。该驱动器正向驱动原理如图4所示：压电振子未通电时不发生变形，输出轴静止，如图4(a)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第一压电振子受到电压驱动产生靠近轴线的变形时，各驱动单元的第一脚支座和第二脚支座产生小角度扭转致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向右的驱动摩擦力等于向左的摩擦力，此时输出轴不发生位移，如图4(b)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第一压电振子受到电压驱动产生远离轴线的变形时，各驱动单元的第一脚支座和第二脚支座产生小角度扭转致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向右的驱动摩擦力大于向左的摩擦力，此时输出轴产生向右的一个位移，如图4(c)所示。因此，在各驱动单元的的第一压电振子受到交流电压驱动时，驱动器实现正向驱动。该驱动器反向驱动原理如图5所示：压电振子未通电时不发生变形，输出轴静止，如图5(a)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到电压驱动产生靠近轴线的变形时，各驱动单元的第二脚支座和第三脚支座产生小角度扭转致使第二脚支座第二低摩擦系数材料和第三脚支座的第三低摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向左的驱动摩擦力等于向右的摩擦力，此时输出轴不发生位移，如图5(b)所示；当第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到电压驱动产生远离轴线的变形时，各驱动单元的第二脚支座和第三脚支座产生小角度扭转致使第二脚支座的第二低摩擦系数材料和第三脚支座的第三高摩擦系数材料与输出轴接触，输出轴受到的向左的驱动摩擦力大于向右的摩擦力，此时输出轴产生向左的一个位移，如图5(c)所示。因此，在第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器的压电驱动单元中的第二压电振子受到交流电压驱动时，驱动器实现反向驱动。

本发明实现了双向直线驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。