一种压电致动器

1.本发明涉及精密机械设计制造与自动化技术领域，尤其涉及一种压电致动器。


背景技术：

2.以压电陶瓷pzt为逆压电效应材料的压电致动器，因精度高、响应快、出力大、无磁、性价比高等多种优势而得到了广泛的应用。在集成电路工业中，如光刻机工件台定位和光学镜头调节均使用到压电致动器。然而，压电致动器也存在行程短、力与位移输出方向单一等问题，不能满足精密机械市场的设计与应用需求，因此可以对其叠堆结构、致动方式做出合理升级。
3.目前，现有的多轴压电设备，通常是多个压电叠堆互相耦合的复杂结构，或是使用柔性机构定量更改方向与行程，使系统产生了额外的非线性，而设备中有关行程改进则使用机械惯性结构的连续运动方式，精度不能满足要求且动子出力较小，往往不符合压电设备的实际应用条件。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种压电致动器，以实现多维长行程高精度大出力精密运动控制。
5.本发明提供了一种压电致动器，其包括至少一个组合叠堆；其中，组合叠堆包括一个z叠堆、一个x叠堆、一个y叠堆与绝缘层。定义z叠堆的致动方向为z向，x叠堆与y叠堆的致动方向分别为x向和y向。叠堆之间固接，每个叠堆包括至少一个压电陶瓷单片，通常压电陶瓷单片是pzt（锆钛酸铅）材料致动应用的最小单位。其中，z叠堆包括至少一个d33压电陶瓷单片，x叠堆包括至少一个d15压电陶瓷单片，y叠堆包括至少一个d15压电陶瓷单片，d15、d33为压电陶瓷的压电常数，用于描述压电陶瓷对电压的响应能力，其中d为压电常数标识，第一个数字代表施加电场方向，第二个数字代表应变或应力方向。
6.压电陶瓷的致动方向与极化工艺有关，在对压电陶瓷单片施加电场时，压电陶瓷会因逆压电效应产生应力或应变。每个叠堆的理论致动行程等于所有单片致动行程总和。为保证组合叠堆的电学稳定性，以及x叠堆、y叠堆、z叠堆的独立工作，不同致动方向的叠堆之间以及组合叠堆的两端均有绝缘层。
[0007] 可选的，压电致动器中的组合叠堆， x叠堆与y叠堆排布在z叠堆的两侧，并固接，即z叠堆居中的结构。
[0008]
可选的，压电致动器中的组合叠堆，x叠堆与y叠堆连接，配置并固接在所述z叠堆的一侧，即z叠堆不居中的结构。
[0009]
可选的，压电致动器中的组合叠堆，其x叠堆、y叠堆、z叠堆的致动方向相互正交。
[0010]
本发明中的压电致动器含一个组合叠堆时，单个组合叠堆本身能够作为压电致动器使用。
[0011]
可选的，压电致动器含至少两个叠堆组时，可令压电致动器产生分步运动的特征，
每个叠堆组含至少一个组合叠堆。具体为压电致动器含至少两个叠堆组时的尺蠖式运动方式。不同的叠堆组交替完成相同动作，通常为z叠堆改变组合叠堆对动子的预紧力，x叠堆与y叠堆配合能够沿x-y平面上任一方向促使动子运动，即模拟行走姿态。
[0012]
可选的，当压电致动器含总计至少两个组合叠堆，其在x-y平面上的投影，排布在一个直线上。
[0013]
可选的，当压电致动器含至少两个叠堆组，每个叠堆组含至少两个组合叠堆时，总计至少四个组合叠堆在x-y平面上的投影，排布在四边形的四个顶点上。
[0014]
可选的，压电致动器含至少三个叠堆组，每个叠堆组中含至少两个组合叠堆。总计至少六个组合叠堆在x-y平面上的投影，排布在正六边形的六个顶点上。
[0015]
压电致动器采用尺蠖式方式运动时，压电致动器中的组合叠堆与动子结构发生相对运动，压电致动器行程应由动子尺寸决定；预紧装置，能够通过调节使组合叠堆与动子达到合适区间。
[0016]
可选的，压电致动器中的组合叠堆，在压电致动器中采用柔性机构作为组合叠堆的预紧装置；可选的，压电致动器中的组合叠堆，在压电致动器中装配驱动足作为组合叠堆对动子的点接触或面接触。
[0017]
本发明实施例提供的一种压电致动器，其实施例一，包括两个叠堆组，每组两个组合叠堆，共计四个组合叠堆在x-y平面上的投影排布在正方形的四个顶点上。压电致动器工作时，对角线的两个组合叠堆作为一个叠堆组同时运动，与另一个叠堆组交替进行，采用尺蠖式运动方式。
[0018]
本发明实施例提供的一种压电致动器，其实施例二，包括三个叠堆组，每组两个组合叠堆，在x-y平面上的投影排布在一个直线上。每个组合叠堆连接在压电致动器结构的预紧装置。压电致动器工作时，沿中轴对称的每两个组合叠堆作为一个叠堆组同时运动，共三个叠堆组交替进行，采用尺蠖式运动方式。
[0019]
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过组合叠堆的不同极化运动方向实现多维致动，结构与原理简单，不使用柔性机构而采用压电直驱的方式，能够提供定量的方向与行程。此外，本发明在控制环节除压电陶瓷本身外无额外非线性，压电致动出力较大，更符合压电设备的实际应用条件。
附图说明
[0020]
图1是本发明实施例一提供的一种压电致动器结构示意图。
[0021]
图2是本发明实施例一提供的一种尺蠖式控制方法示意图。
[0022]
图3是本发明实施例二提供的一种压电致动器结构示意图。
[0023]
图4是本发明实施例二提供的另一种结构排布示意图。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0025]
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，例如，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0026]
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0027]
在本发明实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“里”、“外”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
[0028]
实施例一：图1是本发明实施例一提供的一种压电致动器结构示意图，该压电致动器包括：叠堆组100、叠堆组200与结构氧化铝300。
[0029]
其中，叠堆组共有两个，叠堆组100与叠堆组200原理完全一致，此处因作为控制区分而作不同标记。每个叠堆组含两个组合叠堆110时，即共四个组合叠堆110在x-y平面的投影排布在正方形的四个顶点上。与结构氧化铝300连接，结构氧化铝300是适应组合叠堆110排布方式，能够容纳叠堆组100、叠堆组200接触尺寸的扁平氧化铝片。
[0030]
组合叠堆110，包括一个z叠堆111、一个x叠堆112、一个y叠堆113和绝缘层，绝缘层在组合叠堆中表现为氧化铝片104；z叠堆包括7个d33压电陶瓷单片101，d33压电陶瓷单片101为等规格的长方体薄片形状。因逆压电效应的加载电压要求，d33压电陶瓷单片101间夹有电极层102，电极层102为与d33压电陶瓷单片101等规格的金属铜薄片，按一致的致动方向相互连接；x叠堆包括2个d15压电陶瓷单片103，d15压电陶瓷单片103为等规格的长方体薄片形状。电极层102同上；y叠堆包括2个d15压电陶瓷单片103，d15压电陶瓷单片103为等规格的长方体薄片形状。电极层102同上；在组合叠堆110中，z叠堆111、x叠堆112和y叠堆113依次连接，致动方向相互正交；z叠堆111与y叠堆113，x叠堆112与y叠堆113之间以及组合叠堆110的两端均有氧化铝片104作为绝缘层。实施例采用结构氧化铝300作为z叠堆111下端的绝缘层。
[0031]
示例性的，以x向运动为例，图2是本发明实施例一提供的一种尺蠖式控制方法示意图，当导线连接电极层102加载电压时，叠堆组100与叠堆组200按尺蠖式控制方法交替致动，使组合叠堆110能够按行走姿态运动。
[0032]
具体的，图2为y向视图，能够观察到未遮挡的两个组合叠堆110，两个组合叠堆分别属于叠堆组100与叠堆组200，且左侧为叠堆组100。可以观察到每步的x叠堆112与z叠堆111致动方向。
[0033]
（1）状态1，即启动状态，叠堆组100与叠堆组200中的组合叠堆110中的z叠堆111加载高电压，均在z方向对动子进行预紧；（2）状态2，叠堆组100保持z方向对动子预紧，降低叠堆200中的组合叠堆110中的z叠堆111的电压，以减少预紧，叠堆组100准备进行x方向致动；（3）状态3，叠堆组100保持z方向预紧，其中，对组合叠堆110中的x叠堆112增加电压，以进行x方向致动；（4）状态4，叠堆组100的x方向致动结束，叠堆组200中的组合叠堆110的z叠堆恢复高电压加载，以进行z方向预紧；（5）状态5，叠堆组200保持z方向对动子预紧，降低叠堆100中的组合叠堆110中的z叠堆111的电压加载，以减少预紧，叠堆组100准备解除x方向致动；（6）状态6，叠堆组200保持z方向预紧，降低叠堆100中的组合叠堆110中的x叠堆112的电压，解除x方向致动；（7）状态7，叠堆组200保持z方向预紧，其中，对组合叠堆110中的x叠堆112增加电压，以进行x方向致动；（8）状态8，叠堆组200的x方向致动结束，叠堆组100中的组合叠堆110的z叠堆恢复高电压加载，以进行z方向预紧；（9）状态9，叠堆组100保持z方向对动子预紧，降低叠堆200中的组合叠堆110中的z叠堆111的电压，以减少预紧，叠堆组200准备解除x方向致动；状态9后，叠堆组200解除x方向致动，叠堆组100与叠堆组200的状态均返回至状态2，以此进行尺蠖式步进循环。
[0034]
实施例一的优点为，压电致动器整体受力均衡，结构较为简单，更适用于平面运动。
[0035]
注意，本发明实施例一中不包含动子，动子由实验平台提供。本领域技术人员会理解，在具体应用时应为与被致动件的相对运动。可选的，在特定情况下，实施例一本身也能作为动子使用。
[0036]
实施例二：图3是本发明实施例二提供的一种压电致动器结构示意图，该压电致动器包括：叠堆组400、叠堆组500、叠堆组600与结构氧化铝700、预紧装置800、驱动足900。
[0037]
其中，叠堆组共有三个，叠堆组400与叠堆组500、叠堆组600致动原理一致。与实施例一相同的，叠堆组标识按控制分组而作不同标记。每个叠堆组含两个组合叠堆110时，即共六个组合叠堆110。其在xy平面的投影排布在一个直线上。与结构氧化铝700连接，结构氧化铝700是适应组合叠堆110排布方式，能够容纳叠堆组400、叠堆组500与叠堆组600接触尺寸的长条扁平氧化铝片。驱动足900与组合叠堆110固接，用于将致动的面接触改为点接触。
[0038]
实施例二中组合叠堆110尺蠖式运动原理与实施例一相同。实施例采用结构氧化铝700作为叠堆组400、叠堆组500与叠堆组600的绝缘层。
[0039]
示例性地，本发明实施例二的尺蠖式控制方法，与图2主要原理基本相同，因实施例二具有叠堆组400、叠堆组500与叠堆组600三个叠堆组，将行进分为三步，使尺蠖式运动方式更加稳定。实施例二的优点为，x向占用空间小，y方向受力较大，更适合进行单向致动。
[0040]
可选的，如图4本发明实施例二提供的另一种结构排布示意图所示，压电致动器采
用正六边形的排布结构，六个组合叠堆110在x-y平面的投影排布在正六边形的六个顶点上。该结构的优点为，压电致动器整体受力较为均衡，更适用于平面运动。
[0041]
注意，本发明实施例二中不包含动子，动子由实验平台提供。本领域技术人员会理解，在具体应用时可以为与被致动件的相对运动。可选的，在特定情况下，实施例二本身也能作为动子使用。
[0042]
需要说明的，在其他实施例中预紧装置800，也可以是其他形式构成，只要满足组合叠堆110的预紧条件，包括但不仅限于磁力、自重重力、弹簧预紧力等；在其他实施例中驱动足900，也可以是其他形式，只要满足组合叠堆110实际应用的接触条件即可；在其他实施例中使用的压电致动器控制方法，也可以是其他形式，只要满足压电致动器的运动需求即可。
[0043]
注意，上述仅为本发明的合理实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。