[發明專利]一種具有復合腳支座的雙向驅動器

在審

• 申請號: 201810029532.6
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN107959439A
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 曾祥莉;吳越;王京春;李新波;楊志剛;宋正義
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/00
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙)22212
• 代理人: 李榮武

技術領域

本發明屬于壓電驅動領域，具體涉及一種具有復合腳支座的雙向驅動器。

背景技術

傳統的驅動器具有工作行程大、運動速度快和承載力大的特點，但是傳統驅動器體積龐大且運動分辨率不高。現當代隨著科學技術發展，微型機械、精密測量和生物醫療都對微型驅動器提出了更高的要求，要求微型驅動器必須實現小體積和高精度。新型微型驅動器主要利用形狀記憶合金、磁致伸縮材料、電致伸縮材料和壓電陶瓷進行驅動。其中，壓電驅動微型驅動器具有定位精度高、響應速度快、抗電磁干擾、功耗小和驅動力大的優點，現有的壓電驅動器主要有尺蠖型驅動和慣性驅動兩類，但這兩類驅動器結構較為復雜，多與工作面剛性接觸，對工作環境要求高，易損耗構件不易更換。

發明內容

為了解決目前壓電驅動器結構較為復雜，多與工作面剛性接觸，對工作環境要求高，易損耗構件不易更換的問題，提出了一種具有復合腳支座的雙向驅動器，該雙向驅動器由第一壓電振子、第二壓電振子、第一支撐腿、第二支撐腿和第三支撐腿、第一腳支座、第二腳支座和第三腳支座組成；其中所述第一壓電振子和第二壓電振子由壓電薄片材料粘貼在矩形彈性基體上構成，所述第一壓電振子與第二壓電振子連接，所述第一支撐腿、第二支撐腿和第三支撐腿為相同的矩形薄片構件且具有一定的彈性，所述第一支撐腿一端布置在第一壓電振子下表面、另一端為自由端，所述第二支撐腿一端連接在第一壓電振子和第二壓電振子之間的下表面、另一端為自由端，所述第三支撐腿一端連接在第二壓電振子一端下表面、另一端為自由端，所述第一腳支座、第二腳支座和第三腳支座都為圓柱形構件，所述第一腳支座由第一低摩擦系數材料和第一高摩擦系數材料復合而成，所述第二腳支座由兩相同低摩擦系數材料復合而成，所述第三腳支座與第一腳支座大小、結構和材料相同，所述第一支撐腿的自由端與第一腳支座連接且第一腳支座的第一高摩擦系數材料布置在第二支撐腿一側，所述第二支撐腿的自由端與第二腳支座連接，所述第三支撐腿的自由端與第三腳支座連接且第三腳支座的高摩擦系數材料布置在第二支撐腿一側。將驅動器放置在工作平面上，所述第一腳支座、第二腳支座和第三腳支座與工作平面接觸。在所述兩壓電振子上分別施加交流電壓使其發生往復彎曲變形，帶動其中相鄰兩腳支座相互靠近或相互遠離。在腳支座移動過程中，腳支座受到與移動方向相反的摩擦力，摩擦力使腳支座和支撐腿發生一定的扭動，促使腳支座上不同摩擦系數的材料分別與工作面相接觸，從而使腳支座產生不同的位移，最終實現驅動器的定向移動。該驅動器的正向移動工作原理示意圖如圖2所示：該驅動器第二腳支座和第三腳支座的左半側部分分別為第二低摩擦系數材料和第三高摩擦系數材料，右半側部分分別為第二低摩擦系數材料和第三低摩擦系數材料，當壓電振子未通電時，驅動器呈自然狀態，支撐腿和腳支座未發生扭動，如圖2(a)所示；當第二壓電振子通電產生凹變形時，帶動第二腳支座和第三腳支座相互遠離，同時工作平面產生的摩擦力使第二壓電振子兩端的支撐腿和腳支座發生一定扭動，致使第二腳支座上左側的第二低摩擦系數材料和第三腳支座上右側的第三低摩擦系數材料與工作面接觸，此時第二腳支座和第三腳支座產生相等的滑移距離，如圖2(b)所示；當壓電振子通電產生凸變形時，帶動第二腳支座和第三腳支座相互靠近，此時工作平面產生的摩擦力方向發生改變，第二壓電振子兩側的支撐腿和腳支座分別產生一定的反方向扭動，致使第二腳支座右側的第二低摩擦系數材料和第三腳支座左側的第三高摩擦系數材料與工作面接觸，此時第二腳支座的滑移距離明顯大于第三腳支座的滑移距離，如圖2(c)所示；當第二壓電振子再次回到平衡位置時完成一個工作循環，如圖2(d)所示。在第二壓電振子通電往復彎曲變形的一個周期內，帶動第二腳支座和第三腳支座相互遠離或相互靠近，當第二腳支座和第三腳支座相互遠離時，兩腳支座產生相等的滑移，而當第二腳支座和第三腳支座相互靠近時，第二腳支座發生較大的滑移，因此在一個通電周期內驅動器會產生一個向右的步長。在第二壓電振子受到交變電壓作用下，該驅動器實現正向的步進驅動。該驅動器的反向移動工作原理示意圖如圖3所示：該驅動器第一腳支座左半側部分分別為第一低摩擦系數材料，右半側部分為第一高摩擦系數材料，當壓電振子未通電時，驅動器呈自然狀態，支撐腿和腳支座未發生扭動，如圖3(a)所示；當第一壓電振子通電產生凹變形時，帶動第一腳支座和第二腳支座相互遠離，同時工作平面產生的摩擦力使第一壓電振子兩端的支撐腿和腳支座發生一定扭動，致使第一腳支座上左側的第一低摩擦系數材料和第二腳支座上右側的第二低摩擦系數材料與工作面接觸，此時第一腳支座和第二腳支座產生相等的滑移距離，如圖3(b)所示；當壓電振子通電產生凸變形時，帶動第一腳支座和第二腳支座相互靠近，此時工作平面產生的摩擦力方向發生改變，第一壓電振子兩側的支撐腿和腳支座分別產生一定的反方向扭動，致使第一腳支座右側的第一高摩擦系數材料和第二腳支座左側的第二低摩擦系數材料與工作面接觸，此時第二腳支座的滑移距離明顯大于第一腳支座的滑移距離，如圖3(c)所示；當第一壓電振子再次回到平衡位置時完成一個工作循環，如圖3(d)所示。在第一壓電振子通電往復彎曲變形的一個周期內，帶動第一腳支座和第二腳支座相互遠離或相互靠近，當第一腳支座和第二腳支座相互遠離時，兩腳支座產生相等的滑移，而當第一腳支座和第二腳支座相互靠近時，第二腳支座發生較大的滑移，因此在一個通電周期內驅動器會產生一個向左的步長。在第一壓電振子受到交變電壓作用下，該驅動器實現反向的步進驅動。因此，當第二壓電振子受到交變電壓作用時，該驅動器實現正向驅動；當第一壓電振子受到交變電壓作用時，該驅動器實現反向驅動。本發明實現了雙向驅動，且具有結構簡單、維護成本低、對工作面的要求較低和延長驅動器中壓電陶瓷的使用壽命的優點。