一种微位移放大机构

摘要

本发明提供的微位移放大机构，包括：压电陶瓷驱动器、位移输入端、位移输出端和多级杠杆，多级杠杆包括若干个杠杆依次串联，位移输入端、位移输出端和多级杠杆以压电陶瓷驱动器所在的竖直轴线为对称轴对称设置，多级杠杆中的每级杠杆都具有1‑2个输入端和至少一个输出端，每级杠杆的每个输入端都连接前序某一级杠杆的一个输出端或位移输入端，末级杠杆的输出端连接位移输出端，本发明提供的微位移放大机构，由于其多级杠杆采用了串并混合的连接方案，不同于传统的多级杠杆简单串联叠加，因此相比现有技术，其能在较小空间实现更大的放大倍数，并且，在结构上布置合理有序，结构紧凑，充分利用了有限空间，柔性铰链分布均匀，便于机械加工。

权利要求

1.一种微位移放大机构，其特征在于，包括：压电陶瓷驱动器、与所述压电陶瓷驱动器固定连接的位移输入端、位移输出端和多级杠杆，所述多级杠杆包括若干个杠杆依次串联，所述位移输入端、位移输出端和多级杠杆以所述压电陶瓷驱动器所在的竖直轴线为对称轴对称设置，所述多级杠杆中的每级杠杆都具有1-2个输入端和至少一个输出端；每级杠杆的每个输入端都连接前序某一级杠杆的一个输出端或位移输入端；末级杠杆的输出端连接位移输出端；

在所述多级杠杆中，每级杠杆都只有一个输出端，除末级以外的其他每级杠杆的输出端连接紧邻的后一级杠杆的一个输入端；

除第一级以外的各奇数级杠杆具有2个输入端，其中一个输入端连接所述位移输入端。

2.如权利要求1所述的微位移放大机构，其特征在于，在所述多级杠杆中，仅具有一个输入端的杠杆还具有一个固定支点。

3.如权利要求1所述的微位移放大机构，其特征在于，同一级杠杆上的2个输入端的输入位移的方向相反。

4.如权利要求1所述的微位移放大机构，其特征在于，所述多级杠杆为4级杠杆。

5.如权利要求4所述的微位移放大机构，其特征在于，所述微位移放大机构还包括固定部，所述压电陶瓷驱动器的另一端固定安装在固定部上，位移输入端的两侧通过柔性铰链分别与两个输入杆的一端连接，所述输入杆的另一端通过柔性铰链与一级杠杆的一端连接，一级杠杆的中部通过柔性铰链与所述固定部连接，所述一级杠杆的另一端通过柔性铰链与一级连接杆的一端连接，所述一级连接杆的另一端通过柔性铰链与二级杠杆的中部连接，所述二级杠杆的一端通过柔性铰链与所述固定部连接，所述二级杠杆的另一端与通过柔性铰链与二级连接杆的一端连接，所述二级连接杆的另一端通过柔性铰链与三级杠杆的中部连接，所述三级杠杆的一端通过柔性铰链与所述输入杆连接，所述三级杠杆的另一端通过柔性铰链与三级连接杆的一端连接，所述三级连接杆的另一端通过柔性铰链与四级杠杆的中部连接，所述四级杠杆的一端通过柔性铰链与所述固定部连接，所述四级杠杆的另一端与通过柔性铰链与输出杆的一端连接，所述输出杆的另一端通过柔性铰链与所述位移输出端的一侧连接。

说明书

一种微位移放大机构

技术领域

[0001] 本发明涉及精密机械技术领域，特别涉及一种微位移放大机构。

背景技术

[0002] 近年来，压电陶瓷以其分辨率高、响应速度快和输出力大等优点在精密光机系统得到了广泛的研究和应用。但是压电陶瓷输出位移约为其叠加长度的千分之一，从而使其应用范围只能集中于几微米到几十微米的场合。为了使压电陶瓷能应用于更大行程的驱动场合，需要设置位移放大机构。

[0003] 柔性铰链机构是最常用的压电陶瓷位移放大机构，根据其结构形式和原理划分，主要有三角式、杠杆式、平行四杆式等。杠杆式放大原理可以产生较大的放大倍数，但其输出端运动轨迹为弧形，不适用于要求线性输出的场合。因此，一般将结构设计为轴对称形式，以消除输出的非线性，获得良好的输入输出性能。杠杆式位移放大机构可以根据实际放大倍数需求设置杠杆的结构形式，并可以设置串联多级杠杆。

[0004] 申请号为ZL 201710019537.6中国专利申请公开了一种全柔性微位移放大机构，其采用了对称式的布置，并具有两级串联的杠杆机构，杠杆式位移放大机构的设计既要满足放大倍数的需求，还要满足安装空间的要求，并保证在生产制造上容易加工。而这三方面因素是相互制约的，当所需放大倍数较大时，需要合理增加杠杆力臂的长度比，并适当设置多级杠杆，在同等加工条件能够实现的情况下，以上两方面都会造成放大机构尺寸的增大，以致不能满足空间要求。

[0005] 中国专利ZL200820042483.1公开了一种非对称杠杆式的杠杆式微位移放大装置，其具有三级杠杆，前两级杠杆并联，然后与第三级杠杆串联，这样的结构仅占用与两级串联杠杆差不多的空间，却能达到接近三级杠杆的放大倍数。这种排布方式特殊，不具有普遍适用性，不能适应更多级杠杆的排布。。

发明内容

[0006] 有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种可以实现空间的最大化利用并能产生更大的放大倍数的微位移放大机构。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0008] 一种微位移放大机构，包括：压电陶瓷驱动器、与所述压电陶瓷驱动器固定连接的位移输入端、位移输出端和多级杠杆，所述多级杠杆包括若干个杠杆依次串联，所述位移输入端、位移输出端和多级杠杆以所述压电陶瓷驱动器所在的竖直轴线为对称轴对称设置，所述多级杠杆中的每级杠杆都具有1-2个输入端和至少一个输出端；每级杠杆的每个输入端都连接前序某一级杠杆的一个输出端或位移输入端；末级杠杆的输出端连接位移输出端。

[0009] 在一些较佳的实施例中，在所述多级杠杆中，仅具有一个输入端的杠杆还具有一个固定支点。

[0010] 在一些较佳的实施例中，在所述多级杠杆中，每级杠杆都只有一个输出端，除末级以外的其他每级杠杆的输出端连接紧邻的后一级杠杆的一个输入端。

[0011] 在一些较佳的实施例中，除第一级以外的各奇数级杠杆具有2个输入端，其中一个输入端连接所述位移输入端。

[0012] 在一些较佳的实施例中，同一级杠杆上的2个输入端的输入位移的方向相反。

[0013] 在一些较佳的实施例中，所述多级杠杆为4级杠杆。

[0014] 在一些较佳的实施例中，所述微位移放大机构还包括固定部，位移输入端的两侧通过柔性铰链分别与两个输入杆的一端连接，所述输入杆的另一端通过柔性铰链与一级杠杆的一端连接，一级杠杆的中部通过柔性铰链与所述固定部连接，所述一级杠杆的另一端通过柔性铰链与一级连接杆的一端连接，所述一级连接杆的另一端通过柔性铰链与二级杠杆的中部连接，所述二级杠杆的一端通过柔性铰链与所述固定部连接，所述二级杠杆的另一端与通过柔性铰链与二级连接杆的一端连接，所述二级连接杆的另一端通过柔性铰链与三级杠杆的中部连接，所述三级杠杆的一端通过柔性铰链与所述输入杆连接，所述三级杠杆的另一端通过柔性铰链与三级连接杆的一端连接，所述三级连接杆的另一端通过柔性铰链与四级杠杆的中部连接，所述四级杠杆的一端通过柔性铰链与所述固定部连接，所述四级杠杆的另一端与通过柔性铰链与输出杆的一端连接，所述输出杆的另一端通过柔性铰链与所述位移输出端的一侧连接。

[0015] 本发明采用上述技术方案的优点是：

[0016] 本发明提供的微位移放大机构，包括：压电陶瓷驱动器、与所述压电陶瓷驱动器固定连接的位移输入端、位移输出端和多级杠杆，所述多级杠杆包括若干个杠杆依次串联，所述位移输入端、位移输出端和多级杠杆以所述压电陶瓷驱动器所在的竖直轴线为对称轴对称设置，所述多级杠杆中的每级杠杆都具有1-2个输入端和至少一个输出端，每级杠杆的每个输入端都连接前序某一级杠杆的一个输出端或位移输入端，末级杠杆的输出端连接位移输出端，本发明提供的微位移放大机构，提出了一种新型的多级杠杆式微位移放大机构，由于其多级杠杆采用了串并混合的连接方案，不同于传统的多级杠杆简单串联叠加，因此相比现有技术，其能在较小空间实现更大的放大倍数，并且，在结构上布置合理有序，结构紧凑，充分利用了有限空间，柔性铰链分布均匀，便于机械加工。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0018] 图1为本发明实施例提供的微位移放大机构的结构示意图；

[0019] 图2为本发明实施例提供的等效机构运动简图；

[0020] 图3为本发明实施例提供的等效机构运动简图。

具体实施方式

[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022] 请参阅图1，为本发明实施例提供的微位移放大机构2的结构示意图，包括：压电陶瓷驱动器1、与所述压电陶瓷驱动器1固定连接的位移输入端202、位移输出端212和多级杠杆，所述多级杠杆包括若干个杠杆依次串联。以下详细说明各个部件的连接关系。

[0023] 所述位移输入端202、位移输出端212和多级杠杆以所述压电陶瓷驱动器1所在的竖直轴线为对称轴对称设置，所述多级杠杆中的每级杠杆都具有1-2个输入端和至少一个输出端；每级杠杆的每个输入端都连接前序某一级杠杆的一个输出端或位移输入端；末级杠杆的输出端连接位移输出端。

[0024] 在一些较佳的实施例中，在所述多级杠杆中，仅具有一个输入端的杠杆还具有一个固定支点。

[0025] 在一些较佳的实施例中，在所述多级杠杆中，每级杠杆都只有一个输出端，除末级以外的其他每级杠杆的输出端连接紧邻的后一级杠杆的一个输入端。

[0026] 可以理解，在所述多级杠杆中，上一级杠杆的输出端连接下一级杠杆的输入端，而将中间各级杠杆中的部分级杠杆的固定支点也变为输入端，并给其施加一个与原输入端相反的输入位移，这样即可使输出端获得更大位移，使这些级杠杆具有更大的放大倍数，从而增大整个机构的放大倍数。

[0027] 在一些较佳的实施例中，除第一级以外的各奇数级杠杆具有2个输入端，其中一个输入端连接所述位移输入端。

[0028] 在一些较佳的实施例中，同一级杠杆上的2个输入端的输入位移的方向相反。

[0029] 可以理解，在实际中，把没有固定支点、但具有两个输入端的杠杆称为浮动杠杆，把仍具有固定支点和一个输入端的杠杆称为固定杠杆，那么，施加给浮动杠杆的新的输入端的反向位移从何而来呢，可以在此浮动杠杆的前序各级杠杆上选取一些点，这些点的位移刚好与此浮动杠杆的原输入端的输入位移方向相反，可以选择将这些点中的一个的输出位移作为此浮动杠杆的新的输入端的输入位移；如果整个机构的初始输入位移的方向与此浮动杠杆的原输入端的输入位移方向相反，也可以考虑将初始输入位移作为此浮动杠杆的新的输入端的输入位移。具体选择哪一种，主要考虑到空间排布形式应当合理、易于加工，不应有交叉或干涉，这样，不仅存在多级杠杆具有两个输入端；还可能存在多级杠杆具有多个输出端。

[0030] 进一步地，为了避免干涉，将所有浮动杠杆的新的输出端都连接整个机构的初始位移输入端，这样，每级杠杆仍然只具有一个输出端；考虑到空间排布，将除第一级以外的奇数级杠杆设置为浮动杠杆。

[0031] 请结合图2，图2为图1实施例中微位移放大机构2的等效机构运动简图。由于微位移放大机构2为对称结构，其运动形式也为左右对称，因此，在图2中，仅示出其一半结构的机构运动简图。位移输入端202和位移输出端212中部可简化为与机架通过移动副T1和T2连接。

[0032] 所述微位移放大机构还包括固定部201，位移输入端202的两侧通过柔性铰链R1分别两个输入杆203的一端连接，输入杆203的另一端通过柔性铰链R2与一级杠杆204的一端连接，一级杠杆204的中部通过柔性铰链R4与固定部201连接，一级杠杆204的另一端通过柔性铰链R5与一级连接杆205的一端连接，一级连接杆205的另一端通过柔性铰链R6与二级杠杆206的中部连接，二级杠杆206的一端通过柔性铰链R7与固定部201连接，二级杠杆206的另一端与通过柔性铰链R8与二级连接杆207的一端连接，二级连接杆207的另一端通过柔性铰链R9与三级杠杆208的中部连接，三级杠杆208的一端通过柔性铰链R2与输入杆203中部连接，三级杠杆208的另一端通过柔性铰链R10与三级连接杆209的一端连接，三级连接杆209的另一端通过柔性铰链R11与四级杠杆210的中部连接，四级杠杆210的一端通过柔性铰链R12与固定部201连接，四级杠杆210的另一端与通过柔性铰链R13与输出杆211的一端连接，输出杆211的另一端通过柔性铰链R14与位移输出端212的一侧连接。

[0033] 可以理解，为了达到更好的放大效果，图2中R3与R4之间距离小于R4与R5之间距离；R6与R7之间距离小于R6与R8之间距离；R2与R9之间距离小于R9与R10之间距离；R11与R12之间距离小于R11与R13之间距离。

[0034] 可以理解，本发明将三级杠杆208的一端与输入杆203中部通过柔性铰链R2连接，这样在工作中，由于柔性铰链R2与R9处反向运动，可以使三级杠杆208具有大得多的放大倍数。例如，假设一级杠杆的放大倍数为4，二级杠杆的放大倍数为5，则三级杠杆的放大倍数可达到4×5＝20。

[0035] 请参阅图3，为本发明另一实施例的等效机构运动简图，其具有N级杠杆(N≥3)，N级杠杆依次串联布置。

[0036] 在一些较佳的实施例中，每级杠杆都具有1-2个输入端和至少一个输出端；每级杠杆的每个输入端都连接前序某一级杠杆的一个输出端或位移输入端；末级杠杆的输出端连接位移输出端。仅具有一个输入端的各级杠杆还具有一个固定支点。

[0037] 在一些较佳的实施例中，每级杠杆都具有一个输出端，还具有一个输入端和一个固定支点，或2个输入端。

[0038] 在一些较佳的实施例中，除末级以外的各级杠杆的输出端连接紧邻的后一级杠杆的一个输入端。

[0039] 优选的，除第一级以外的各奇数级杠杆具有2个输入端，其中一个连接位移输入端；同一级杠杆上的2个输入端的输入位移的方向相反；具有两个输入端的杠杆，其输出端不能位于两输入端之间。

[0040] 可以理解，图3示出的是一种最为优选的排布方案。除第一级以外的奇数级杠杆都具有两个输入端，其中一个与位移输入端连接。

[0041] 图3虚线框中部分为该N级杠杆式微位移放大机构的一个基本叠加单元，只需根据实际需求设置基本叠加单元的个数，即可获得不同大小的放大倍数。

[0042] 本发明提供的微位移放大机构，提出了一种新型的多级杠杆式微位移放大机构，由于其多级杠杆采用了串并混合的连接方案，不同于传统的多级杠杆简单串联叠加，因此相比现有技术，其能在较小空间实现更大的放大倍数，并且，在结构上布置合理有序，结构紧凑，充分利用了有限空间，柔性铰链分布均匀，便于机械加工。

[0043] 本发明提供的微位移放大机构，还提供了一种具有普遍意义的多级杠杆式微位移放大机构的杠杆排布方案，仅需设置基本叠加单元的数量，即可得到合适放大倍数，实现设计的模块化，通用化，简化了设计流程。

[0044] 当然本发明的微位移放大机构还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。