[发明专利]一种用压电叠堆精密定位的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于传感测控技术领域，涉及微执行器的精密定位方法和定位装置技术领域。

背景技术

精密定位技术是一项与许多生产实践密切相关的高新技术，它在超精密加工、精密机械、半导体器件制造、电子产品组装线、生物工程及微/纳机电系统等领域具有广泛的应用。具有高精度、快速响应、高位移分辨率和控制精度的微执行器技术已经成为其发展的必然趋势。目前微执行器的驱动方式包括：静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热膨胀驱动、磁致伸缩式驱动、气动、电液驱动以及形状记忆合金膜片驱动等。其中压电驱动因其分辨率高，推动力大，响应速度快，功耗低，可在恶劣环境，如超低温下正常工作，而被广泛应用于各种精密仪器和机电一体化设备中。压电驱动的机理普遍是基于压电体的逆压电效应，即当压电体受到电场的作用时会产生形变，驱动微执行器动作。压电陶瓷作为一种高精度微位移器件，能产生微米，甚至纳米量级的位移或运动；且具有体积小、输出力大、响应速度快、定位精度高，在使用中无噪声、不发热等优点，已在航空航天、微电子、精密测量、生物工程、机器人及精密加工等领域得到广泛应用。从理论上讲，压电执行器可以获得无限小的位移，但在实际应用中压电陶瓷所能达到的分辨率是有限的，因为它的输出精度建立在驱动控制电源的性能基础上，为了提高执行器的输出精度，需要驱动电源性能成倍提升，导致成本数倍增长，制约了压电执行器的进一步应用。另外压电陶瓷执行器固有缺陷就是输出位移与控制电压之间的迟滞效应明显，通常需要辅以升压和迟滞补偿电路。目前国内大部分压电驱动电源都是由分离性器件组成，不仅结构较复杂，而且容易产生自激振荡。驱动电源已经成为压电执行器向更高精度领域发展的瓶颈。为解决这个难题，一方面，科研人员正着手于提高驱动电源性价比的研究工作，另一方面，功能材料的新理论和新技术的探究也是物性型执行器研究的一个热点。

发明内容

本发明要解决的技术难题是要克服上述驱动控制电源对压电执行器性能的影响，提出一种有别于传统压电驱动的精密定位装置，基于压电陶瓷的二次逆压电效应原理，不需要驱动控制电源，就能够实现粗、精两级定位并达到亚微米、甚至纳米级的位移量。该装置结构简单，成本低。

本发明采用的技术方案一种用压电叠堆精密定位的方法是：首先通过对精密定位装置进行标定来建立外力和输出位移的关系曲线，采用逐级加载法，从满量程的10％开始，逐级加至满量程，记录结果，并分别描绘出外力与压电陶瓷叠堆2的弹性位移，外力和压电陶瓷叠堆2二次逆压电位移的关系曲线，由此确定精密定位过程中需要加载外力的大小，然后通过下面的步骤来实现精密定位：第一步，预处理：通过通孔c将装置固定，分别调节四个预紧螺钉6使其产生额定预紧力，来消除压电晶片间以及压电陶瓷叠堆2和弹性片3的胶接间隙，短接压电陶瓷叠堆2的两个电极，中和掉由预紧带来的电荷；第二步，粗定位：在压电陶瓷叠堆2的电路断开状态下施加外力F作用于凸台b的中心线上，外力F通过上盖5作用到压电陶瓷叠堆2上产生弹性位移实现粗定位；第三步，精定位：粗定位完成后随即短接压电陶瓷叠堆2的两个电极，一次正压电效应产生的感生电场被消除，通过压电陶瓷叠堆2的二次逆压电效应产生的压电位移实现精定位。

一种用压电叠堆的精密定位方法采用的装置是由底座1、压电陶瓷叠堆2、弹性片3、调整垫4、上盖5和预紧螺钉6构成，底座1由两个圆柱体组成，下圆柱体上均匀布置四个通孔c，上圆柱体中空，设有用于定心的凹槽a；将压电陶瓷叠堆2放入凹槽a内，矩形的弹性片3粘结到涂有704高阻绝缘胶的压电陶瓷叠堆2的上表面，704高阻绝缘胶形成粘胶剂层7，将用来调节上盖5与底座1的上表面之间的预紧余量ε的调整垫4放到弹性片3上，调整垫4上安放圆形的上盖5，其顶端有用于定心的凸台b，凸台b与凹槽a的中心重合，用四个预紧螺钉6连接上盖5与底座1。

本发明的显著效果是：本发明不仅适用于超精密加工等领域的精密定位，还适用于喷嘴挡板机构的流量控制和微、纳米级一维微动工作台的控制，也为微/纳机电系统中用于夹持和操作微小物体的微夹钳提供了一种新的方法，可用于微系统中的亚微米、纳米级精度补偿。该精密定位装置结构简单，成本低，体积小，便于加工制造。

附图说明

图1是图2的A-A剖视图，图中：1-底座，2-压电陶瓷叠堆，3-弹性片，4-调整垫，5-上盖，6-预紧螺钉，7-粘胶剂层，a-凹槽，b-凸台，c-通孔，ε-预紧余量，F-外力。

图2是精密定位装置的俯视图。