新型压电步进型精密直线驱动器

　　1　引　言

　　随着生物工程、显微医学、微电子加工、微机械加工装配、精密加工测量及航空和航天等诸多技术领域的发展[122],微位移驱动器的研究受到广泛关注。目前许多微位移驱动器达到微米级,甚至纳米级,但是其工作行程有限,限制了使用。因此,研制分辨率高、行程大的微位移驱动装置是目前微机械研究工作中的重要方向。作为微位移驱动器的驱动元件有很多种类,如电磁式、热变形式、磁致变形式、记忆合金式及电致变形式[324],其中压电陶瓷元件因具有体积小、输出力大、频响高及分辨率高的特点,是较理想的微位移驱动元件[526]。

　　本文提出一种以压电陶瓷元件为驱动元件,具有分辨率高、行程大、速度快、承载力高的新结构步进型精密直线驱动器。设计了试验样机,并进行了试验研究。

　　2　压电叠堆性能分析

　　压电步进型精密直线驱动器采用日本NEC公司AE0505D16型压电叠堆作为驱动元件(参数见表1)。为了更好地使用AE0505D16型压电叠堆,对其进行基本性能的分析。

　　对于单层的压电陶瓷片在室温25℃下,其电致伸缩特性很微弱,相对于逆压电效应可忽略,故有

　　其中S—应变;

　　Δl—压电陶瓷片在所用方向上施加电压后的变形量(m);

　　l—压电陶瓷片在所用方向上的长度(m);

　　b—压电陶瓷片的厚度(m);

　　U—外界施加的电压(V)

　　当l=b时,有Δl=d×U压电叠堆由压电陶瓷片多层叠加制成,在机械结构上串联,而电压并联。压电叠堆的变形量是单个压电陶瓷片的变形量的总和,即

　　ΔL=n×Δl=n×d33×U

　　其中ΔL—压电叠堆的变形量;

　　n—压电叠堆包含的压电陶瓷片的数量;

　　d33—压电常数

　　根据上述公式和参考表1中参数值,可得到各种工作电压下的压电叠堆的理论上的相应伸长量(见表2)。

　　对日本NEC公司AE0505D16型压电叠堆在各种工作电压下进行了实际的测量,具体数值见表3。从表中会发现理论与实际测量值有一定偏差,这可能是压电材料的性能及封装工艺造成的,仅供参考。

　　3　压电步进精密直线驱动器结构与工作原理

　　为了保证驱动器机械系统运动定位的高精度,尽量避免传动环节产生的误差,驱动器采用柔性结构。柔性结构主要依赖柔性铰链的弹性变形产生运动。由于用在机械传动环节的柔性铰链结构免装配、无间隙和无摩擦,因此可以实现微米甚至纳米级的运动定位精度[728]。为使柔性铰链有大的变形量同时有好的回弹性,以保证驱动器机械系统的可靠性及精度,要求材料的许用应力σ和弹性模量E尽量大。因此,材料选用弹簧钢65 Mn。