[发明专利]多级精密定位压电驱动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电驱动器，具体为一种多级精密定位压电驱动器。

背景技术

压电驱动器是一种利用逆压电效应制作的精密驱动装置，主要有压电材料、弹性结构和基体结构三部分，具有体积小、质量轻和高频响的特点，在精密加工、生物医学工程和微电子技术等领域具有广泛的应用前景。现有的压电驱动器的弹性结构主要采用线弹性结构，定位精度和稳定性受压电材料本身固有的非线性滞回特性影响，存在稳定性差、定位精度低和能耗高的弱点，已难以满足精密制造的控制需求。目前较为有效的解决方法主要依赖于弹性元件的选取与设计。

双稳态机构具有能耗低、定位准确、动作迅速和抗干扰能力强的特点，是一种优良的开关设计元件，可广泛应用于开关、位置控制器和数据存储装置等设计中。例如，中国专利(授权公开号CN101654216 B)公开了可用于开关设计的双稳态机构，主要能够实现“开”和“关”两种状态的控制与转换。Patrick Chouinard和Jean-S é bastien Plante的文章《Bistable Antagonistic Dielectric Elastomer Actuators for Binary Robotics and Mechatronics》介绍了一种双稳态锥形驱动器并实现了大位移多级驱动，但是其驱动单元采用介电弹性体，响应速度慢，而且其驱动形式是转动而不是平动，限制了很多场合的应用。Giovanni Berselli和Rocco Vertechy等人的文章《Optimal Synthesis of Conically Shaped Dielectric Elastomer Linear Actuators:Design Methodology and Experimental Validation》介绍了一种锥形驱动器，可以实现平动，但是结构不具有双稳态特性，位移行程小，无法避免迟滞现象，存在定位精度低的弱点。

压电驱动器的迟滞特性是影响其位移输出精度的主要因素，传统压电驱动器加载与卸载过程中，电压对应的位移不统一，并且对于线性结构的压电驱动器，必须施加持续的电压载荷来保持驱动效果，这就影响了驱动器的精度，而且保持高电压载荷比较困难。因此，迫切需要有效便捷的可以实现低电压高位移，并且可以自动保持位移并消除迟滞现象的压电驱动器，以满足不同运行场合的需求。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种结构简单，稳态转换过程中无摩擦，定位精度高，无迟滞现象，驱动电压低，行程大，稳态跳转后不需保持电压既能保持稳定状态，能实现多级驱动的多级精密定位压电驱动器。

本发明的技术手段如下：

一种多级精密定位压电驱动器，其特征在于包括：基座、驱动平台、设置在所述基座和驱动平台之间的n个双稳态单胞结构、连接环和连接柱；其中n为大于零的整数；各所述双稳态单胞结构独立驱动；

所述双稳态单胞结构包括：具有拱形结构或锥形结构的附着板、分别铺设在所述附着板上下表面的上压电材料层和下压电材料层(22)；当给上压电材料层和下压电材料层(22)施加电压载荷时，压电材料变形使所述双稳态单胞结构跳转至与未施加电压电荷时不同的稳定状态；

当n为奇数时，所述连接环有个；第1个连接环下侧与基座连接，上侧与第1个双稳态单胞结构的附着板连接；第个连接环的两侧均与附着板连接，所述个连接环相互平行设置；所述连接柱有个，第个连接柱的两端分别与相邻连接环上相向设置的双稳态单胞结构连接；第个连接柱的上端与驱动平台连接，下端与第n个双稳态单胞结构连接；所述个连接柱的轴心相互平行设置；

当n为偶数时，所述连接环有个；个连接环的两侧均与附着板连接；个连接环相互平行设置；所述连接柱有个，第1个连接柱的下端与基座连接，上端与第1个双稳态单胞结构连接；第个连接柱的上端与驱动平台连接，下端与第n个双稳态单胞结构连接；第个连接柱的两端分别与相邻连接环上相向设置的双稳态单胞结构连接；个连接柱的轴心相互平行设置。

进一步地，所述上压电材料层和下压电材料层(22)均由环向铺设在所述附着板靠近中心部的表面上的等厚度压电材料构成。压电材料铺设于附着板靠近中心部的表面，施加电荷后，压电材料变形驱动附着板的力处于最容易使双稳态单胞结构跳转至另一稳定状态的位置。