专利名称：微型仿生压电型直线驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型仿生压电型直线驱动器，适用于微型、大行程、亚微米级步距、双向直线驱动，属于机电技术领域。
压电驱动器由于其响应频率高、功重比高、耗能少、发热小、可微型化，最大的不足是驱动位移太小，尽管如此，压电驱动器仍广泛应用于精密驱动和控制中；形状记忆合金驱动器功重比高、驱动位移太小，但其最大不足是耗能大、响应频率低。因而，利用压电驱动器及先进的机构组合构成新型驱动器是当前微型、精密驱动的研究重点之一。中国科学院光电技术研究所采用多片经迭加粘结、正负级并联的压电陶瓷片研制成微位移驱动器(专利公开号2048242)，该驱动器具有结构简单、线性度好、分辨率高、承载能力强等特点，但驱动器驱动位移太小。电子工业部第四十五研究所利用步进电机及相应的机构，研制成将旋转运动变成直线运动的微位移驱动器(专利公开号2161014)，由于该驱动器的核心是步进电机，因而结构复杂，很难微小型化。中国科学院光电技术研究所应用压电驱动器，采用机械与液压两级步进机械研制成纳米步进定位驱动器(发明专利公开号为2457741)，驱动器采用机械与液压的组合方式，以增大驱动力为目标，结构复杂，很难实现微型化的要求。
为实现上述目的，在本发明的技术方案中，采用不同极化方向的两个压电陶瓷器件组成双压电型驱动器，利用压电材料的逆压电效应，通过控制电压信号来精确控制两个压电器件的顺序变形，籍此调整静摩擦力和惯性力的大小来实现直线运动。
本发明设计的微型仿生压电型直线驱动器由机架、轴向极化压电器件、摩擦体、径向极化压电器件、双通道驱动控制器、直流电源组成。轴向极化压电器件的一端与机架固连、另一端与摩擦体固连；径向极化压电器件以一定的预紧力套在摩擦体上；轴向极化压电器件、径向极化压电器件分别连到双通道驱动控制器上，并由双通道驱动控制器控制；双通道驱动控制器由直流电源供能。
本发明通过不同极化方向双压电器件的组合和相应控制来实现其驱动。轴向极化压电器件和径向极化压电器件分别由相同频率并具有一定相位对应关系的锯齿波和方波信号控制。径向极化压电器件在双通道驱动控制器的控制下径向伸张，径向极化压电器件与摩擦体之间的压紧力减小，轴向极化压电器件及摩擦体在双通道驱动控制器的控制下快速轴向伸长，在径向极化压电器件与摩擦体之间摩擦力与两部件运动惯性力一定比例的条件下，轴向极化压电器件及与其相连构件保持不动；径向极化压电器件在双通道驱动控制器的控制下径向收缩，径向极化压电器件与摩擦体之间的压紧力受控增加，轴向极化压电器件及与其固连摩擦体在双通道驱动控制器的控制下缓慢收缩，在静摩擦力作用下，径向极化压电器件及与其相连的构件向左运动一个步距。重复上述控制过程，径向极化压电器件及与其固连的构件将向左运动要求的行程；改变控制频率，径向极化压电器件及与其相连的构件的运动速度发生变化。
本发明具有如下优点(1)驱动器结构简单，其关键件仅轴向极化压电器件、径向极化压电器件及摩擦体，由于压电器件的特性，该驱动器可实现微小型化。(2)径向极化压电器件与摩擦体之间的作用力通过径向极化压电器件来提供，因而可以方便地通过控制径向极化压电器件的变形来实现要求的压紧力，系统的配合、加工精度及装配要求均可降低，且在一定范围内可方便地实现驱动力的调节。
如
图1所示，本发明主要包括机架1、轴向极化压电器件2、摩擦体3、径向极化压电器件4、双通道驱动控制器5、直流电源6。
图2为本发明工作原理简图。
如图2所示，(1)系统处于初始状态；(2)径向极化压电器件4受控径向伸张，轴向极化压电器件2和径向极化压电器件4之间的压紧力减小，轴向极化压电器件2快速伸长，由于器件的惯性，径向极化压电器件4及其相联构件保持不动；(3)径向极化压电器件4受控径向收缩，轴向极化压电器件2和径向极化压电器件4之间的压紧力受控增加，轴向极化压电器件2缓慢收缩，在静摩擦力作用下，径向极化压电器件4及其相联的构件向左运动一个步距t。重复上述控制过程，径向极化压电器件4及其相联的构件将运动要求的行程；改变控制频率，径向极化压电器件4及其相联的构件的运动速度发生变化。如果改变上述控制时序，径向极化压电器件4及其相联的构件将以要求的步距和速度向右运动。
图3为本发明向左驱动的控制信号波形图。
其中，图3(a)为本发明轴向极化压电器件2驱动信号波形，图3(b)为本发明径向极化压电器件4驱动信号波形。
图4为本发明向右驱动的控制信号波形图。
其中，图4(a)为本发明轴向极化压电器件2驱动信号波形，图4(b)为本发明径向极化压电器件4驱动信号波形。
如图1所示，本发明主要包括机架1、轴向极化压电器件2、摩擦体3、径向极化压电器件4、双通道驱动控制器5、直流电源6。各部件的连接关系为轴向极化压电器件2的一端与机架1固连、另一端与摩擦体3固连；径向极化压电器件4以一定的预紧力套在摩擦体3上；轴向极化压电器件2、径向极化压电器件4分别连到双通道驱动控制器5上，并由双通道驱动控制器5控制；双通道驱动控制器5由直流电源6供能。
微型仿生压电型直线驱动器的工作原理是通过不同极化方向双压电器件的组合和相应控制来实现其驱动。具体工作过程如下(1)系统处于初始状态；(2)径向极化压电器件4在双通道驱动控制器5的控制下径向伸张，径向极化压电器件4与摩擦体3之间的压紧力减小，轴向极化压电器件2及与其固连的摩擦体3在双通道驱动控制器5的控制下快速轴向伸长，在径向极化压电器件4与摩擦体3之间摩擦力与两部件运动惯性力一定比例的条件下，轴向极化压电器件2及与其相连构件保持不动；(3)径向极化压电器件4在双通道驱动控制器5的控制下径向收缩，径向极化压电器件4与摩擦体3之间的压紧力受控增加，轴向极化压电器件2及与其固连摩擦体3在双通道驱动控制器5的控制下缓慢收缩，在静摩擦力作用下，径向极化压电器件4及与其相连的构件向左运动一个步距t。重复上述控制过程，径向极化压电器件4及与其固连的构件将向左运动要求的行程；改变控制频率，径向极化压电器件4及与其相连的构件的运动速度发生变化。如果采用图3所示的控制信号波形，径向极化压电器件4及与其相连的构件将以要求的步距和速度向右运动。
权利要求
1.一种微型仿生压电型直线驱动器，其特征在于轴向极化压电器件(2)的一端与机架(1)固连、另一端与摩擦体(3)固连，径向极化压电器件(4)套在摩擦体(3)上，轴向极化压电器件(2)、径向极化压电器件(4)分别连到双通道驱动控制器(5)上，双通道驱动控制器(5)与直流电源(6)相连。
2.如权利要求1所述的微型仿生压电型直线驱动器，其特征在于轴向极化压电器件(2)和径向极化压电器件(4)分别由相同频率并具有相位对应关系的锯齿波和方波信号控制。
全文摘要
一种微型仿生压电型直线驱动器，由轴向极化压电器件、径向极化压电器件及摩擦体构成，采用不同极化方向双压电器件的组合和相应控制来实现驱动，轴向极化压电器件的一端与机架固连、另一端与摩擦体固连，径向极化压电器件以一定的预紧力套在摩擦体上，轴向极化压电器件、径向极化压电器件分别由双通道驱动控制器控制。本发明具有驱动行程大、结构简单，易于实现微小型化，在一定范围内可方便地实现驱动力、驱动步距的调节。
文档编号H02N2/02GK1404210SQ0213717
公开日2003年3月19日 申请日期2002年9月26日 优先权日2002年9月26日
发明者颜国正, 卢秋红, 丁国清, 颜德田 申请人:上海交通大学