阅读说明：本技术 一种微位移放大装置 (micro-displacement amplifying devices ) 是由 范伟 傅雨晨 金花雪 王寅 占炜 杨建红 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种微位移放大装置,包括支撑件和压电件,所述压电件包括转向块、两组三角组件和杠杆组件；所述三角组件包括三角输入块和三角输出块,所述三角输入块具有中间部以及两个连接部,在同一所述三角组件中,所述三角输出块有两个,两个所述三角输出块的一端分别柔性铰接在对应的所述连接部上,其中一个所述三角输出块未与所述连接部连接的一端柔性铰接在所述支撑件上,另一个所述三角输出块未与所述连接部连接的一端柔性铰接在所述转向块上；所述杠杆组件包括第一杆件以及第二杆件。通过设置三角组件,在实现位移放大的同时可以改变位移的方向,能够应用的测试平台相对较广,同时通过设置非对称结构的杠杆组件,放大倍数相对较大。(The invention provides micro-displacement amplifying devices, which comprise a support and a piezoelectric element, wherein the piezoelectric element comprises a steering block, two groups of triangular assemblies and a lever assembly, the triangular assembly comprises a triangular input block and two triangular output blocks, the triangular input block is provided with a middle part and two connecting parts, in the same triangular assembly, the two triangular output blocks are provided, ends of the two triangular output blocks are respectively flexibly hinged on the corresponding connecting parts, wherein ends of triangular output blocks which are not connected with the connecting parts are flexibly hinged on the support, ends of triangular output blocks which are not connected with the connecting parts are flexibly hinged on the steering block, the lever assembly comprises a rod piece and a second rod piece, the direction of displacement can be changed while the displacement amplification is realized by arranging the triangular assembly, an applicable test platform is relatively , and the amplification factor is relatively large by arranging the lever assembly with an asymmetric structure.)

一种微位移放大装置

技术领域

本发明涉及一种放大装置，尤其是一种微位移放大装置。

背景技术

近年来，随着微电子技术的发展，压电陶瓷以其优越的精密驱动和定位性能而被广泛的应用于微位移驱动和精密定位领域，但是由于其微米级的位移输出往往不能满足实际应用的需求，一般需要设计位移放大装置对其进行位移放大。

公开号为CN104900573B的中国发明专利是本申请人早期设计的一种对称式差动杠杆微位移放大装置，包括底座、固定在所述底座上的基板和与所述基板位于同一平面上的压电块，所述压电块具有一个顶压部和两个分别位于所述顶压部两端且以所述顶压部的中垂线为中心对称放置的传动部，两个所述传动部分别连接有一组与所述基板位于同一平面上的杠杆组件，且两组所述杠杆组件以所述顶压部的中垂线为中心对称放置，两所述传动部之间放置有抵顶在所述顶压部上的压电陶瓷驱动器；该微位移装置通过设置杠杆组件，利用差动杠杆放大的原理，实现较大的位移放大倍数，具有较大的行程，同时由于采用了柔性铰接的方式进行连接，各杆件之间的间隙和摩擦力较小，能降低误差，精度较高。然而，该微位移放大装置中，压电陶瓷驱动器的位移方向与放大的位移方向相同，导致整个装置的而体积相对较大，能够应用的测试平台较为有限；此外，该微位移放大装置虽然能够利用差动杠杆实现较大的位移放大倍数，然而其只能进行一次差动杠杆放大，位移放大倍数仍然较为有限。

有鉴于此，本发明人对微位移放大装置进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够应用的测试平台相对较广且放大倍数相对较大的微位移放大装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微位移放大装置，包括位于同一平面上的支撑件和压电件，所述压电件包括转向块、两组三角组件和两组以上依次串联的杠杆组件；

所述三角组件包括三角输入块和三角输出块，所述三角输入块具有中间部以及两个分别与所述中间部一体连接且以所述中间部为中心相互对称布置的连接部，在同一所述三角组件中，所述三角输出块有两个，两个所述三角输出块以所述中间部为中心相互对称布置，且两个所述三角输出块的一端分别柔性铰接在对应的所述连接部上，其中一个所述三角输出块未与所述连接部连接的一端柔性铰接在所述支撑件上，另一个所述三角输出块未与所述连接部连接的一端柔性铰接在所述转向块上，且所述三角输出块两端的铰接点相互错位布置，两组所述三角组件相互对称布置，且两组所述三角组件的所述中间部之间形成用于放置压电陶瓷驱动器的驱动空间；

所述杠杆组件包括一端与所述支撑件柔性铰接的第一杆件以及一端柔性铰接在所述第一杆件中部位置的第二杆件，所述第一杆件未与所述支撑件连接的一端形成杠杆输出端，所述第二杆件未与所述第一杆件连接的一端形成杠杆输入端，相邻两个所述杠杆组件中，靠近首端的所述杠杆组件的杠杆输出端柔性铰接在另一所述杠杆组件的杠杆输入端上，且位于首端的所述杠杆组件的杠杆输入端柔性铰接在所述转向块上。

作为本发明的一种改进，所述转向块与对应的所述杠杆组件之间的铰接点位于两组所述三角组件的对称中心线上。

作为本发明的一种改进，所述第一杆件与所述支撑件的铰接点以及该第一杆件与对应的所述第二杆件之间的铰接点位于该第一杆件的同一侧。

作为本发明的一种改进，上述各柔性铰接都是通过柔性铰链进行铰接。

作为本发明的一种改进，所述第一杆件与所述支撑件之间的柔性铰链为直梁型铰链，其他柔性铰链都为直圆型铰链。

作为本发明的一种改进，所述支撑件上开设有定位孔。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、通过设置三角组件，在实现位移放大的同时可以改变位移的方向，能够应用的测试平台相对较广，同时通过设置非对称结构的杠杆组件，放大倍数相对较大。

2、利用了直圆型铰链对拉伸位移敏感和直梁型铰链对扭转位移敏感的特性，进一步增加了位移放大机构的放大倍数。

3、结合三角形原理和杠杆原理，对输入位移进行多级放大，三角组件部的输出端直接通过柔性铰链与杠杆组件的输入端连接，在一定程度上减小了能量损失，即位移损失较小。

附图说明

图1为本发明微位移放大装置的结构示意图；

图2为本发明微位移放大装置工作原理示意图。

图中标示对应如下：

100-支撑件； 110-定位孔；

200-压电件； 210-转向块；

220-三角组件； 221-三角输入块；

221a-中间部； 221b-连接部；

222-三角输出块； 230-杠杆组件；

231-第一杆件； 232-第二杆件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例提供的微位移放大装置，包括位于同一平面上的支撑件100和压电件200，其中，支撑件100的结构可以根据实际需要进行设计，在本实施例中，支撑件100为一体式刚性框架结构，且支撑件100上开设有定位孔110，便于将支撑件100准确的固定安装在测试平台或实验平台的指定位置。

压电件200包括转向块210、两组三角组件220和两组以上依次串联的杠杆组件230，在本实施例中，以杠杆组件230有两组为例进行说明。优选的，压电件200为一体成型的零件，即转向块210、三角组件220和杠杆组件230一体成型，且压电件200和支撑件100一体连接，具体的，本实施例提供的微位移放大装置采用电火花线切割的方式形成一体连接的压电件200和支撑件100，加工精度相对较高，有效避免了切割、装配过程中的误差叠加。

转向块210为中心对称零件，即转向块210具有一个中心线(该中心线为虚拟线，实际零件上并没有刻画出该中心线)，转向块210位于该中心线两侧的部位以该中心线为中心对称布置。

三角组件220包括三角输入块221和三角输出块222，其中，三角输入块221具有中间部221a以及两个分别与中间部221a一体式固定连接且以中间部221a为中心相互对称布置的连接部221b，即三角输入块221也是中心对称零件。在同一个三角组件220中，三角输出块222有两个，两个三角输出块222以中间部221a为中心相互对称布置，这样位于中间部221a同一侧的三角输出块222和连接部221b可以相互配合，具体的，两个三角输出块222的一端分别柔性铰接在对应的连接部221b上，此外，两个三角输出块222的其中一个三角输出块222未与连接部221b连接的一端柔性铰接在支撑件100上，另一个三角输出块222未与连接部221b连接的一端柔性铰接在转向块210上，且各三角输出块222两端的铰接点相互错位布置，即同一个三角输出块222两端的铰接点之间的连线的方向与该三角输出块222的长度方向不同。

两组三角组件220相互对称布置，且两组三角组件220相互对称的对称轴与转向块210的中心线位于同一直线上，同时两组三角组件220的中间部221a相向布置，且两组三角组件220的中间部221a之间形成用于放置压电陶瓷驱动器的驱动空间，即两个中间部221a相向的一端为与压电陶瓷驱动器配合的位移输入端。这样有助于避免工作时产生剪切力，有效提高了位移精度。需要说明的是，压电陶瓷驱动器不属于本实施例中的微位移放大装置的一部分，需要在使用时放入，其主要用于提供位移输入。

杠杆组件230包括一端与支撑件100柔性铰接的第一杆件231以及一端柔性铰接在第一杆件231中部位置的第二杆件232，其中，第一杆件231未与支撑件100连接的一端形成杠杆输出端，第二杆件232未与第一杆件231连接的一端形成杠杆输入端。需要说明的是，上述说明中所指的各杆件的一端或另一端是对相对位置的一种概括描述，并不仅仅指杆件的端部位置，还包括相应杆件上靠近该端部位置的杆身部分。

各杠杆组件230通过依次将前一个杠杆组件230的杠杆输出端柔性铰接在后一个杠杆组件230的杠杆输入端上实现串联连接，以第一个杠杆组件230的杠杆输入端作为依次串联的各杠杆组件230的首端，以最后一个杠杆组件230的杠杆输出端作为依次串联的各杠杆组件230的尾端。这样，相邻两个杠杆组件230中，靠近首端的杠杆组件230的杠杆输出端柔性铰接在另一杠杆组件230的杠杆输入端上，且位于首端的杠杆组件230的杠杆输入端柔性铰接在转向块210上，此外，转向块210与对应的杠杆组件230之间的铰接点位于两组三角组件220的对称中心线上。

优选的，在本实施例中，第一杆件231与支撑件100的铰接点以及该第一杆件231与对应的第二杆件232之间的铰接点位于该第一杆件231的同一侧，避免产生剪切力影响放大装置的精度。

上述各柔性铰接都是通过柔性铰链进行铰接，其中，第一杆件231与支撑件100之间的柔性铰链为对扭转位移相对敏感的直梁型铰链，其他柔性铰链都为对拉伸位移相对敏感的直圆型铰链。

本实施例提供的微位移放大装置能够实现在较小加工空间内，将小量程经过微位移放大装置放大为大量程的目的，该装置的理论放大倍数为27.24倍，其中三角组件220放大倍数为4.54倍，杠杆组件230放大倍数为6倍。具体的，如图2所述并参考图1所示，使用时，由压电陶瓷驱动器输出的微小位移施加在两个三角组件220的位移输入端，该位移输入端和三角输出块222可构成三角形结构将位移进行放大，其中图2所示的L1和L2为上述三角形的邻边，α为夹角，由于同一个三角组件220中的两个三角输出块222对称布置，且其中一个三角输出块222与支撑件100柔性铰接，根据叠加定理，可得三角组件220的放大比为K₁＝2/tanα，由于转向块210分别与三角组件220和杠杆组件230直接连接，所以杠杆刚体组件230的输入位移近似为Δy₁＝Δy·K₁。因为杠杆组件230有两组，可分为一级杠杆结构和二级杠杆结构，在图2中，L6＝2L5＝2L4＝2L3，根据杠杆原理，一级杠杆结构的放大倍数为K₂＝(L4+L3)/L3,二级杠杆结构的放大倍数为K₂＝(L6+L5)/L5，其中一级杠杆结构的输出端即为二级杠杆结构的输入端，根据叠加原理，二级杠杆刚体部分的总放大倍数为K₃＝K₁·K₂＝(L4+L3)/L3·(L6+L5)/L5＝6，所以整个微位移放大装置的总放大倍数近似为K＝K₁·K₂·K₃＝12/tanα。

本实施例提供的微位移放大装置能够将压电陶瓷驱动器的横向输入位移转为纵向输出位移并实现多级放大，具有结构新颖、寄生位移相对较小，精度高等优点，适用于微位移测量、微精度定位平台及微纳驱动技术领域。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。