基于压电动力的双级式驱动器

    　微位移驱动器在光学元件调节^[1~3]、精密仪器^[4~8]、生物操作、微细加工设备、光纤对准等许多场合是决定系统精度的关键执行器件。目前较为典型、广泛应用的微驱动器形式是采用压电陶瓷材料(如PZT)、电致伸缩材料(如PMN)制成各种形状,或由薄片粘接制成叠片驱动器[1]、双压电晶片等;其优点是调节精度高、有一定的驱动力,但行程小,无法自锁。在许多特定场合,不仅要求驱动器具备很高的位移分辨力,还要求具备某些附加性能。如在用于坐标调节时,往往同时要求调节行程大(毫米量级)、能无电保持调定的位置(自锁)。这些附加性能的实现通常与位移分辨力相矛盾,例如采用丝杠自锁结构就必然限制位移分辨力。所以,如何同时满足位移分辨力与其他功能要求,是一个较难解决的问题。常见的设计思想是采用变换机构,将单一的位移驱动转换成具备复合功能的驱动。这些机构大多具有巧妙的原理,国外将这类机构归入“SmartStructure”范畴。其中,以压电陶瓷材料、电致伸缩材料、记忆合金等功能材料为驱动源的结构受到关注,因为这种机构往往保持了对应功能材料的某些优点。本文介绍一种以PZT材料为驱动源的双级式驱动器,它在具备自锁、大驱动力的同时,保持了纳米级位移分辨力。本文重点介绍其结构及实验结果。

    1　结构

    在工程中遇到某种应用,要求驱动器具有纳米量级的位移分辨力,能自锁,100 N以上的驱动力、行程约6μm。实现该驱动器的主要困难表现在位移分辨力与驱动力、自锁的矛盾上。

    选择PZT作为驱动源的原因是,PZT具有“能量转换功率/体积”比值大的优点,适合于在很小体积下产生较大驱动力。根据PZT响应速度快的优点,采用了基于动力学惯性粘2滑原理的变换机构(LSPM)作为驱动器结构第一级,实现自锁、行程预放大,产生10 nm量级的位移分辨力。为了实现驱动力的放大,采用液力放大器作为驱动器的第二级,同时使位移分辨力提高到纳米量级。

    图1为LSPM的结构。其主要工作部分是一个高精度丝杠副与两个摩擦牙块。丝杠副可实现位移细分与自锁功能;摩擦牙块由压电陶瓷驱动可往复运动,并紧贴于丝杠表面上,产生摩擦力偶。其工作原理是:在两个相反力偶方向上,摩擦牙块运动加速度不等,从而使摩擦牙块与丝杠间产生的滑移量不相等;在每工作一个往复运动周期后,丝杠就相对于摩擦牙块产生十分微小的转动。结构中采用了“滚珠2滑芯”结构,使丝杠端部的螺旋运动转化为直线运动。

    图2为液力放大器的结构。在压强不很大时,油液体积可认为是不可压缩的。由于油腔两端面积差的作用,液力放大器可同时实现作用力的比例放大、位移的比例细分。