[发明专利]一种具有复合脚支座的双向驱动器

说明书

技术领域

本发明属于压电驱动领域，具体涉及一种具有复合脚支座的双向驱动器。

背景技术

传统的驱动器具有工作行程大、运动速度快和承载力大的特点，但是传统驱动器体积庞大且运动分辨率不高。现当代随着科学技术发展，微型机械、精密测量和生物医疗都对微型驱动器提出了更高的要求，要求微型驱动器必须实现小体积和高精度。新型微型驱动器主要利用形状记忆合金、磁致伸缩材料、电致伸缩材料和压电陶瓷进行驱动。其中，压电驱动微型驱动器具有定位精度高、响应速度快、抗电磁干扰、功耗小和驱动力大的优点，现有的压电驱动器主要有尺蠖型驱动和惯性驱动两类，但这两类驱动器结构较为复杂，多与工作面刚性接触，对工作环境要求高，易损耗构件不易更换。

发明内容

为了解决目前压电驱动器结构较为复杂，多与工作面刚性接触，对工作环境要求高，易损耗构件不易更换的问题，提出了一种具有复合脚支座的双向驱动器，该双向驱动器由第一压电振子、第二压电振子、第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿、第一脚支座、第二脚支座和第三脚支座组成；其中所述第一压电振子和第二压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第一压电振子与第二压电振子连接，所述第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿为相同的矩形薄片构件且具有一定的弹性，所述第一支撑腿一端布置在第一压电振子下表面、另一端为自由端，所述第二支撑腿一端连接在第一压电振子和第二压电振子之间的下表面、另一端为自由端，所述第三支撑腿一端连接在第二压电振子一端下表面、另一端为自由端，所述第一脚支座、第二脚支座和第三脚支座都为圆柱形构件，所述第一脚支座由第一低摩擦系数材料和第一高摩擦系数材料复合而成，所述第二脚支座由两相同低摩擦系数材料复合而成，所述第三脚支座与第一脚支座大小、结构和材料相同，所述第一支撑腿的自由端与第一脚支座连接且第一脚支座的第一高摩擦系数材料布置在第二支撑腿一侧，所述第二支撑腿的自由端与第二脚支座连接，所述第三支撑腿的自由端与第三脚支座连接且第三脚支座的高摩擦系数材料布置在第二支撑腿一侧。将驱动器放置在工作平面上，所述第一脚支座、第二脚支座和第三脚支座与工作平面接触。在所述两压电振子上分别施加交流电压使其发生往复弯曲变形，带动其中相邻两脚支座相互靠近或相互远离。在脚支座移动过程中，脚支座受到与移动方向相反的摩擦力，摩擦力使脚支座和支撑腿发生一定的扭动，促使脚支座上不同摩擦系数的材料分别与工作面相接触，从而使脚支座产生不同的位移，最终实现驱动器的定向移动。该驱动器的正向移动工作原理示意图如图2所示：该驱动器第二脚支座和第三脚支座的左半侧部分分别为第二低摩擦系数材料和第三高摩擦系数材料，右半侧部分分别为第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，支撑腿和脚支座未发生扭动，如图2(a)所示；当第二压电振子通电产生凹变形时，带动第二脚支座和第三脚支座相互远离，同时工作平面产生的摩擦力使第二压电振子两端的支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第二脚支座上左侧的第二低摩擦系数材料和第三脚支座上右侧的第三低摩擦系数材料与工作面接触，此时第二脚支座和第三脚支座产生相等的滑移距离，如图2(b)所示；当压电振子通电产生凸变形时，带动第二脚支座和第三脚支座相互靠近，此时工作平面产生的摩擦力方向发生改变，第二压电振子两侧的支撑腿和脚支座分别产生一定的反方向扭动，致使第二脚支座右侧的第二低摩擦系数材料和第三脚支座左侧的第三高摩擦系数材料与工作面接触，此时第二脚支座的滑移距离明显大于第三脚支座的滑移距离，如图2(c)所示；当第二压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图2(d)所示。在第二压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第二脚支座和第三脚支座相互远离或相互靠近，当第二脚支座和第三脚支座相互远离时，两脚支座产生相等的滑移，而当第二脚支座和第三脚支座相互靠近时，第二脚支座发生较大的滑移，因此在一个通电周期内驱动器会产生一个向右的步长。在第二压电振子受到交变电压作用下，该驱动器实现正向的步进驱动。该驱动器的反向移动工作原理示意图如图3所示：该驱动器第一脚支座左半侧部分分别为第一低摩擦系数材料，右半侧部分为第一高摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，支撑腿和脚支座未发生扭动，如图3(a)所示；当第一压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，同时工作平面产生的摩擦力使第一压电振子两端的支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第一脚支座上左侧的第一低摩擦系数材料和第二脚支座上右侧的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一脚支座和第二脚支座产生相等的滑移距离，如图3(b)所示；当压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，此时工作平面产生的摩擦力方向发生改变，第一压电振子两侧的支撑腿和脚支座分别产生一定的反方向扭动，致使第一脚支座右侧的第一高摩擦系数材料和第二脚支座左侧的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第二脚支座的滑移距离明显大于第一脚支座的滑移距离，如图3(c)所示；当第一压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图3(d)所示。在第一压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离或相互靠近，当第一脚支座和第二脚支座相互远离时，两脚支座产生相等的滑移，而当第一脚支座和第二脚支座相互靠近时，第二脚支座发生较大的滑移，因此在一个通电周期内驱动器会产生一个向左的步长。在第一压电振子受到交变电压作用下，该驱动器实现反向的步进驱动。因此，当第二压电振子受到交变电压作用时，该驱动器实现正向驱动；当第一压电振子受到交变电压作用时，该驱动器实现反向驱动。本发明实现了双向驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。