[發(fā)明專利]一種高頻諧振壓電慣性驅(qū)動(dòng)直線位移平臺

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811535524.5
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109378995B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘成亮;王玉;于連棟;夏豪杰;王洪賓;張婷;楊飛;戴天亮
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00;H02N2/02
• 代理公司: 合肥中博知信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34142
• 代理人: 吳棟杰

本發(fā)明公開一種高頻諧振壓電慣性驅(qū)動(dòng)直線位移平臺，由基體、第一壓電驅(qū)動(dòng)器、第二壓電驅(qū)動(dòng)器、主慣性體、輔慣性體構(gòu)成非對稱的慣性動(dòng)子，獲得反相固有振動(dòng)、同相固有振動(dòng)兩個(gè)有效的縱向固有振動(dòng)，改變基體、主慣性體、輔慣性體的質(zhì)量比值可調(diào)整慣性動(dòng)子反相固有振動(dòng)頻率與同相固有振動(dòng)頻率的比值為1:2，采用兩個(gè)多層堆疊式壓電陶瓷作為壓電驅(qū)動(dòng)器分別激勵(lì)產(chǎn)生兩個(gè)固有頻率下的簡諧振動(dòng)，使得基體合成諧振狀態(tài)下的非對稱振動(dòng)波形，利用基體兩側(cè)的滑口與基座兩側(cè)的導(dǎo)軌之間的非對稱滑動(dòng)摩擦力，驅(qū)動(dòng)慣性動(dòng)子沿著導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)單方向連續(xù)直線位移。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、激勵(lì)方便，有望進(jìn)一步提高傳統(tǒng)慣性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的綜合驅(qū)動(dòng)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電精密驅(qū)動(dòng)微位移平臺設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種高頻諧振壓電慣性驅(qū)動(dòng)直線位移平臺。

背景技術(shù)

微納科技的迅猛發(fā)展，涉及對微小對象進(jìn)行精密定位操作的場合越來越多，如半導(dǎo)體制造中投影曝光的移動(dòng)定位、材料科學(xué)中納米結(jié)構(gòu)的裝配表征、生物醫(yī)學(xué)工程中細(xì)胞細(xì)菌的捕捉注射等，這些場合都需要利用高性能的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)納米級高分辨率、毫米級大行程的精密運(yùn)動(dòng)。壓電驅(qū)動(dòng)具有位移分辨率高、能量密度大、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)勢，在微納精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。

壓電元件自身的位移輸出能力極低，通過機(jī)械放大后的位移輸出也非常有限，難以滿足毫米級大行程精密運(yùn)動(dòng)的需求，而通過將壓電元件周期性的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)部件單方向的連續(xù)位移，壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)理論上可獲得無限的運(yùn)動(dòng)行程。該類大行程壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)工作狀態(tài)可分為諧振式和非諧振式兩類，具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場合。諧振式壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括行波馬達(dá)和駐波馬達(dá)，通過壓電元件高頻、高振幅的固有簡諧振動(dòng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)平滑位移，運(yùn)動(dòng)速度快、驅(qū)動(dòng)力大，但位移分辨率較低，適用于功率驅(qū)動(dòng)場合；非諧振式壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括尺蠖馬達(dá)和慣性馬達(dá)，通過壓電元件低頻、低振幅的特殊周期振動(dòng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)位移，位移分辨率高，但運(yùn)動(dòng)速度較慢、驅(qū)動(dòng)力較小，適用于精密定位場合。由于工作原理的差異，上述兩類壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)往往無法通過單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)和精密定位的雙重功能，難以滿足精密定位操作場合日益復(fù)雜的應(yīng)用需求。

傳統(tǒng)壓電慣性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于只能工作在低頻、低振幅的非諧振狀態(tài)，功率輸出能力較低，應(yīng)用場合因此受到限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種高頻諧振壓電慣性驅(qū)動(dòng)直線位移平臺，該平臺壓電結(jié)構(gòu)至少存在兩個(gè)有效的縱向固有振動(dòng)模態(tài)，并可通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模態(tài)的固有振動(dòng)頻率匹配，從而合成諧振狀態(tài)下的特殊周期振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)平臺實(shí)現(xiàn)諧振慣性直線位移。

一種高頻諧振壓電慣性驅(qū)動(dòng)直線位移平臺，其特征在于：包括基體、第一壓電驅(qū)動(dòng)器、第二壓電驅(qū)動(dòng)器、主慣性體、輔慣性體，所述基體的前側(cè)面中心通過第一壓電驅(qū)動(dòng)器設(shè)置有主慣性體，所述基體的后側(cè)面中心通過第二壓電驅(qū)動(dòng)器設(shè)置有輔慣性體，所述第一壓電驅(qū)動(dòng)器、第二壓電驅(qū)動(dòng)器分別與基體、主慣性體、輔慣性體之間剛性連接構(gòu)成慣性動(dòng)子，該慣性動(dòng)子的同相固有振動(dòng)頻率為反相固有振動(dòng)頻率的兩倍；所述慣性動(dòng)子通過基體滑動(dòng)安裝在基座上。

所述基體質(zhì)量為輔慣性質(zhì)量的1～2倍，主慣性體質(zhì)量為輔慣性體質(zhì)量的2～6倍。

所述反相固有振動(dòng)模態(tài)下，主慣性體和輔慣性體運(yùn)動(dòng)方向相反，基體與輔慣性體運(yùn)動(dòng)方向相同；所述同相固有振動(dòng)模態(tài)下，主慣性體和輔慣性體運(yùn)動(dòng)方向相同，與基體運(yùn)動(dòng)方向相反。

所述第一壓電驅(qū)動(dòng)器和第二電壓驅(qū)動(dòng)器均為多層堆疊式壓電陶瓷，所述基體前側(cè)的第一壓電驅(qū)動(dòng)器用于激勵(lì)反相固有振動(dòng)，所述基體后側(cè)的第二壓電驅(qū)動(dòng)器用于激勵(lì)同相固有振動(dòng)。

所述慣性動(dòng)子通過基體下端面左右兩側(cè)的滑口安裝在基座上端面左右兩側(cè)的導(dǎo)軌上。