含二级位移放大结构的角位移型压电作动器

摘要

一种含二级位移放大结构的角位移型压电作动器，包括中部菱形位移放大机构，置于中部菱形位移放大机构长轴方向内的压电堆，固定在中部菱形位移放大机构正面的第一角位移机构，固定在中部菱形位移放大机构反面的第二角位移机构，第一角位移机构和第二角位移机构安装在中部菱形位移放大机构短轴方向且结构相同，但第二角位移机构的安装方位为第一角位移机构的安装方位翻转180度后所成；本发明不但能够使得单压电堆的直线微位移转换为角位移输出，并且通过结构多次放大，输出可以利用的角位移，同时具有结构简单，体积小，重量轻的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电作动器，具体涉及一种含二级位移放大结构的角位移 型压电作动器。

背景技术

压电作动器因其小体积、大作动力、精密微位移特性，在很多领域都有着 广泛的应用，如汽车工程、航天航空等，其输出的位移具有很高的分辨率，在 直线微位移控制方面具有优异的特性，但无法直接输出角位移。由于单压电堆 输出位移非常小，若通过简单的机械结构将直线微位移转换为微角度，将因输 出角位移太小而不能得到很好的应用。

发明内容

为解决上述现有技术问题，本发明的目的在于提供一种含二级位移放大结 构的角位移型压电作动器，不但能够使得单压电堆的直线微位移转换为角位移 输出，并且通过结构多次放大，输出可以利用的角位移，同时具有结构简单， 体积小，重量轻的特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种含二级位移放大结构的角位移型压电作动器，包括中部菱形位移放大 机构1，置于中部菱形位移放大机构1长轴方向内的压电堆4，固定在中部菱形 位移放大机构1正面的第一角位移机构2，固定在中部菱形位移放大机构1反面 的第二角位移机构3，所述第一角位移机构2和第二角位移机构3安装在中部菱 形位移放大机构1短轴方向且结构相同，但第二角位移机构3的安装方位为第 一角位移机构2的安装方位翻转180度后所成。

所述第一角位移机构2和第二角位移机构3的中间为圆环转盘，圆环转盘 上下通过柔性铰链连接两个中心对称的连杆，连杆的两端安装在中部菱形位移 放大机构1短轴方向，连杆在横向直线位移的推动下能够使圆环转盘绕其中心 转动，所述第一角位移机构2和第二角位移机构3在两端相同方向的推动下， 输出的角位移相反。

所述角位移型压电作动器输出的旋转角度β的表达式为：

$\beta =2\theta =\frac{\mathrm{ny}}{2R}*2=\frac{\mathrm{ny}}{R}$

压电堆4在长轴Y方向上伸长大小为y的位移，由于中部菱形位移放大机 构1的菱形放大原理在短轴X方向上将产生n倍的位移，则第一角位移机构2 和第二角位移机构3的上下两根连杆同时向内侧沿短轴平行的方向移动ny/2的 位移，由于圆环转盘产生的角位移为小角度，将连杆推动圆环转盘转动的弧度 近似于连杆向内侧产生的位移ny/2，则第一角位移机构2的圆环转盘产生的角 位移固定第一角位移机构2后中部菱形位移放大机构1将在反作用力下 产生-θ的角度，同时第二角位移机构3相对于中部菱形位移放大机构1也产生 了-θ的角度，因此最终含二级位移放大结构的角位移型压电作动器输出的角度 为即通过调节中部菱形位移放大机构1的放大倍数与第一 角位移机构2和第二角位移机构3的半径来得到需要的最大角度。

所述中部菱形位移放大机构1为菱形框架结构，菱形框架结构的短轴方向 向外伸出两臂，分别与第一角位移机构2和第二角位移机构3的两端固定。

所述第一角位移机构2和第二角位移机构3均为一体成型，避免了机械间 隙。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明通过中部菱形位移放大机构1将处于菱形长轴的压电堆4所产生 的微位移放大，通过短轴输出成倍放大后的直线位移，此处为第一次放大，由 于第一角位移机构2和第二角位移机构3两端与中部菱形位移放大机构1短轴 的两端固定，因此也做沿短轴方向的直线运动，从而第一角位移机构2和第二 角位移机构3的连杆推动中心的圆环转盘使得圆环转盘绕中心旋转达到了输出 旋转角度的目的，如果将第一角位移机构2的圆环转盘固定住，由于相互作用 的原理，中部菱形位移放大机构1将绕中心以与第一角位移机构2运动趋势相 反的方向转动，同时，第二角位移机构3由于和第一角位移机构2安装方位相 反，所以在连杆相同方向的推动时第二角位移机构3的圆环转盘也绕中心以与 第一角位移机构2圆环转盘运动趋势相反的方向转动，由于第二角位移机构3 固定于中部菱形位移放大机构1，因此在中部菱形位移放大机构1旋转的同时第 二角位移机构3相对中部菱形位移放大机构1也在绕中心转动，此处为第二次 放大。因此整个作动器不仅解决了压电堆不能直接输出角位移的难题同时由于 含二级位移放大结构克服了压电堆输出位移过小，最大也只有几十微米而导致 即使可以转变成角位移输出也由于太微小无法很好应用的困难。

2)中部菱形位移放大机构1的放大倍数n与菱形长短轴之比有关，第一角 位移机构2中圆环转盘的旋转角度为θ，第二角位移机构3中圆环转盘的旋转 角度为-θ，圆环转盘半径为R，压电堆4伸长位移为y，则最终含二级位移放 大结构的角位移型压电作动器输出的旋转角度β的表达式为：

$\beta =2\theta =\frac{\mathrm{ny}}{2R}*2=\frac{\mathrm{ny}}{R}$

即可通过调节中部菱形位移放大机构1的放大倍数与第一角位移机构2和 第二角位移机构3的半径来得到需要的最大角度，整个结构紧凑简单，利用三 角形放大原理与相互作用的原理设计出合适结构实现了两次多倍数放大，安装 使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中部菱形位移放大机构示意图。

图3为本发明角位移机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种含二级位移放大结构的角位移型压电作动器，包 括中部菱形位移放大机构1，置于中部菱形位移放大机构1长轴方向内的压电堆 4，固定在中部菱形位移放大机构1正面的第一角位移机构2，固定在中部菱形 位移放大机构1反面的第二角位移机构3，所述第一角位移机构2和第二角位移 机构3安装在中部菱形位移放大机构1短轴方向且结构相同，但第二角位移机 构3的安装方位为第一角位移机构2的安装方位翻转180度后所成。

作为本发明的优选实施方式，所述第一角位移机构2和第二角位移机构3 的中间为圆环转盘，圆环转盘上下通过柔性铰链连接两个中心对称的连杆，连 杆的两端安装在中部菱形位移放大机构1短轴方向，连杆在横向直线位移的推 动下能够使圆环转盘绕其中心转动，所述第一角位移机构2和第二角位移机构3 在两端相同方向的推动下，输出的角位移相反。

作为本发明的优选实施方式，所述中部菱形位移放大机构1为菱形框架结 构，菱形框架结构的短轴方向向外伸出两臂，分别与第一角位移机构2和第二 角位移机构3的两端固定。

作为本发明的优选实施方式，所述第一角位移机构2和第二角位移机构3 均为一体成型，避免了机械间隙。

本发明的工作原理为：通过中部菱形位移放大机构1将处于菱形长轴的压 电堆4所产生的微位移放大，通过短轴输出成倍放大后的直线位移，此处为第 一次放大，由于第一角位移机构2和第二角位移机构3两端与中部菱形位移放 大机构1短轴的两端固定，因此同时也做沿短轴方向的直线运动，从而第一角 位移机构2和第二角位移机构3的连杆推动中心的圆环转盘使得圆环转盘绕中 心旋转达到了输出角位移的目的，如果将第一角位移机构2的圆环转盘固定住， 由于相互作用的原理，中部菱形位移放大机构1将绕中心以与第一角位移机构2 相反的方向转动，同时，第二角位移机构3由于和第一角位移机构2安装方位 相反，所以在连杆相同方向的推动使第二角位移机构3的圆环转盘也绕中心以 与第一角位移机构2圆环转盘旋转方向相反的方向旋转，由于第二角位移机构3 固定于中部菱形位移放大机构1，因此在中部菱形位移放大机构1旋转的同时第 二角位移机构3相对中部菱形位移放大机构1也在绕中心转动，此处为第二次 放大。因此整个作动器不仅解决了压电堆不能直接输出角位移的难题同时由于 含二级位移放大结构克服了压电堆输出位移过小，最大也只有几十微米而导致 即使可以转变成角位移输出也由于太微小无法很好应用的困难。

中部菱形位移放大机构1的放大倍数n与菱形长短轴之比有关，第一角位 移机构2中圆环转盘的旋转角度为θ，第二角位移机构3中圆环转盘的旋转角 度为-θ，圆环转盘半径为R，压电堆4伸长位移为y，则最终含二级位移放大 结构的角位移型压电作动器输出的旋转角度β的表达式为：

$\beta =2\theta =\frac{\mathrm{ny}}{2R}*2=\frac{\mathrm{ny}}{R}$

上述公式原理为：压电堆4在长轴Y方向上伸长大小为y的位移，由于中 部菱形位移放大机构1的菱形放大原理在短轴X方向上将产生n倍的位移，则 第一角位移机构2和第二角位移机构3的上下两根连杆同时向内侧沿短轴平行 的方向移动ny/2的位移，由于圆环转盘产生的角位移为小角度，将连杆推动圆 环转盘转动的弧度近似于连杆向内侧产生的位移ny/2，则第一角位移机构2的 圆环转盘产生的角位移固定第一角位移机构2后中部菱形位移放大机构 1将在反作用力下产生-θ的角度，同时第二角位移机构3相对于中部菱形位移 放大机构1也产生了-θ的角度，因此最终含二级位移放大结构的角位移型压电 作动器输出的角度为即通过调节中部菱形位移放大机构1 的放大倍数与第一角位移机构2和第二角位移机构3的半径来得到需要的最大 角度。整个结构紧凑简单，利用三角形放大原理与相互作用的原理设计出合适 结构实现了两次多倍数放大，安装使用方便。

如图2所示，所述中部菱形位移放大机构1为菱形放大原理，沿短轴两端 伸出有利于正反两面与第一角位移机构2和第二角位移机构3的连接固定。

如图3所示，所述角位移机构2，角位移机构3结构相同，只是在安装方位 上绕y轴转了180度。