[发明专利]弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置与方法

说明书

本发明涉及一种弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置与方法，属于精密定位领域。装置的驱动单元及初始间隙调整单元分别通过螺钉与基座连接。通过旋转水平微动调整机构的旋钮，可以调整驱动单元中弧形结构柔性铰链与导轨滑块之间的初始间隙。在特定的初始间隙下，当压电叠堆的驱动电压快速下降时，弧形结构柔性铰链由于弹性回复产生的摩擦力平衡了引起回退运动的摩擦力，进而有效抑制回退运动，极大地提高了压电驱动器的运动稳定性。优点在于：继承了寄生运动原理驱动器结构简单、控制方便、分辨率高的特点，有效消除了回退现象，实现了平稳步进运动，提升了寄生运动原理压电驱动器的整体输出性能。

技术领域

本发明涉及精密定位领域，特别涉及一种弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置与方法，可应用于精密机械、微电子制造业、精密光学系统、显微操作、精密/超精密加工等领域实现大行程、无回退和高精度定位。

背景技术

压电驱动技术，基本原理是基于压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形产生旋转或直线运动，具有结构简单、设计灵活、高精度和高分辨率等特点。基于压电材料的驱动器在精密机械、微电子制造业、精密光学系统、微操作、精密/超精密加工等领域有着重要的应用。在已有的研究中，研究人员提出了多种驱动原理，例如仿生尺蠖、粘滑、惯性、寄生运动原理。相应地，设计并试验了各种类型的大行程压电驱动器，在一定程度上扩展了压电驱动器的应用范围和领域。然而，每种驱动原理仍然存在一些固有的缺点。例如，尺蠖原理设计的压电驱动器，通常需要使用3块压电叠堆，而且需要按照特定的时序进行工作，因此该类型压电驱动器的结构和控制往往比较复杂，加工和装配都十分困难。采用粘滑、惯性和寄生运动原理设计的定位平台，虽然结构和控制相对简单，但是其输出过程中普遍存在回退运动，严重影响其输出性能，限制了其应用。例如，现有的一些寄生运动原理压电驱动器，仅使用1块压电叠堆，其结构简单、操作方便、承载力大，并且可以实现大行程的正向和反向运动。然而，通过试验数据可知，在它们的输出位移曲线中观测到显著的回退运动。类似的回退运动也出现在由粘滑原理设计的定位平台中。为抑制回退运动，Morita等人提出了一种谐振型平滑冲击驱动机构(Takeshi Morita et al 2013 Jpn. J. Appl.Phys. 52 07HE05)，在此之后，该方法被其他研究者进一步采用和研究，证实了利用该方法可明显抑制回退运动。然而，这种方法会带来一些其他问题，如增加控制的复杂性以及导致运动的不稳定性。

综上所述，回退运动仍然是一个限制粘滑原理、寄生运动原理驱动器广泛应用的重要问题。因此，需要对驱动过程中的回退运动及抑制回退运动的方法开展进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过驱动器中特殊的弧形结构柔性铰链的弹性变形抑制寄生运动原理所固有的回退运动，一方面继承了寄生运动原理驱动器结构简单、控制方便、分辨率高的特点，另一方面消除了寄生运动原理压电驱动器驱动过程中的回退现象，增强了其运动的稳定性。通过旋转水平微动调整机构的旋钮，可以调整驱动单元中弧形结构柔性铰链与导轨滑块之间的初始间隙。在特定的初始间隙下，当压电叠堆的驱动电压快速下降时，弧形结构柔性铰链由于弹性回复产生的摩擦力平衡了引起回退运动的摩擦力，进而有效抑制回退运动，极大地提高了压电驱动器的运动稳定性。本发明为研制同时具备大行程、高稳定性、高承载能力、结构和控制简单的压电驱动器提供了一种解决方案，在精密机械、微电子制造业、精密光学系统、显微操作、精密/超精密加工等领域有广阔的应用前景。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置，包括基座1、驱动单元及初始间隙调整单元，所述驱动单元、初始间隙调整单元分别通过螺钉与基座1连接；所述驱动单元由弧形结构柔性铰链3、两块压电叠堆4、导轨滑块5及导轨固定端6组成，所述两块压电叠堆4采用过盈配合方式分别安装在弧形结构柔性铰链3的两个槽内，弧形结构柔性铰链3通过螺钉与初始间隙调整单元的水平微动调整机构2的上端面相连接，导轨固定端6通过螺钉固定在基座1上，导轨滑块5沿着导轨方向进行水平移动；