[發(fā)明專利]一種縱彎復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器實現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410290913.1
• 申請日: 2014-06-25
• 公開（公告）號: CN104038101A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉英想;馮培連;陳維山;劉軍考;石勝君
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02N2/14
• 分類號: H02N2/14;H02N2/06
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 張宏威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種縱彎復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器實現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的方法。屬于壓電驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

壓電超聲驅(qū)動技術(shù)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在彈性體中激勵出超聲頻段內(nèi)的振動，在彈性體表面特定點或特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點運動，進而通過定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合將質(zhì)點的微觀運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動的技術(shù)。壓電超聲驅(qū)動器具有低速大轉(zhuǎn)矩、無需變速機構(gòu)、無電磁干擾、響應(yīng)速度快和斷電自鎖等優(yōu)點。

基于縱向振動和彎曲振動復(fù)合實現(xiàn)驅(qū)動的壓電超聲驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、出力大的突出優(yōu)點，例如專利號為ZL200710071944.8、發(fā)明名稱為“單驅(qū)動足夾心換能器式縱彎直線超聲電機”的授權(quán)發(fā)明專利，它提出了一種縱彎復(fù)合模態(tài)夾心式單驅(qū)動足超聲驅(qū)動器振子，解決了現(xiàn)有技術(shù)因陶瓷材料抗拉強度低和機電耦合效率低造成的超聲驅(qū)動器的機械輸出能力受到制約的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、機電耦合效率高、可實現(xiàn)大力矩輸出、性能穩(wěn)定、易于控制、可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點。但是，該壓電驅(qū)動器實際工作時通過給縱振壓電陶瓷片和彎振壓電陶瓷片施加連續(xù)的交流電壓來激勵出驅(qū)動足處質(zhì)點的連續(xù)的橢圓軌跡振動，進而通過摩擦耦合實現(xiàn)動子致動；由于采用連續(xù)交變電壓進行驅(qū)動，其定位精度和分辨力一般為微米級，難于實現(xiàn)進一步提高，也無法滿足超精密加工、微納制造和生命科學(xué)等領(lǐng)域飛速發(fā)展的需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有縱向振動和彎曲振動復(fù)合實現(xiàn)驅(qū)動的壓電超聲驅(qū)動器定位精度和分辨力難于提高、無法克服強載、快速、大行程和高精度之間的矛盾的問題?，F(xiàn)提供一種縱彎復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器實現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的方法。

一種縱彎復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器實現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的方法，所述縱彎復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器包括縱振壓電陶瓷片、彎振壓電陶瓷片和驅(qū)動足，所述驅(qū)動器的驅(qū)動方法根據(jù)目標(biāo)輸出位移選擇下述三種激勵模式之一、兩種激勵模式的組合或者三種激勵模式的組合來實現(xiàn)不同位移尺度的輸出；三種激勵模式分別為：

第一種為交流連續(xù)激勵模式，該激勵模式給縱振壓電陶瓷片和彎振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相連續(xù)交流激勵電壓，以實現(xiàn)驅(qū)動器縱向振動和彎曲振動的復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生穩(wěn)定而持續(xù)的橢圓軌跡的振動；該振動能夠驅(qū)動動子實現(xiàn)大推力、大位移、快速及連續(xù)的運動輸出，所述大位移指位移大小不受限制；

第二種為脈沖步進激勵模式，該激勵模式給縱振壓電陶瓷片和彎振壓電陶瓷片分別施加在時間上具有90度相位差的兩相脈沖激勵電壓，實現(xiàn)驅(qū)動器縱向振動和彎曲振動的脈沖式復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生間歇性的橢圓軌跡的振動；該振動能夠驅(qū)動動子實現(xiàn)微米尺度分辨力、低速及斷續(xù)的步進輸出；

第三種為直流微驅(qū)動模式，該激勵模式給縱振壓電陶瓷片施加直流電壓，給彎振壓電陶瓷片保持懸空狀態(tài)，或是給彎振壓電陶瓷片施加直流電壓，給縱振壓電陶瓷片保持懸空狀態(tài)，實現(xiàn)驅(qū)動器的縱向伸縮變形或彎曲變形的激勵，從而在驅(qū)動足處獲得單一方向的位移輸出，該位移輸出能夠驅(qū)動動子實現(xiàn)納米尺度分辨力及微米尺度行程的輸出，通過調(diào)整直流電壓幅值實現(xiàn)動子輸出位移的精確調(diào)整。

所述縱彎復(fù)合模態(tài)足式壓電驅(qū)動器在直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移高于脈沖步進激勵模式下能夠獲得的驅(qū)動足最佳分辨力。

當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移小于或者等于直流微驅(qū)動模式的驅(qū)動足最大輸出位移時，該目標(biāo)輸出位移為微米量級，驅(qū)動器采用直流微驅(qū)動模式實現(xiàn)小尺度位移、高定位精度和分辨力的輸出。

當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移大于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移且不高于毫米量級，則驅(qū)動器首先采用脈沖步進激勵模式，實現(xiàn)步進輸出，直至輸出位移與目標(biāo)位移之間差值小于等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移時，驅(qū)動器切換至直流微驅(qū)動模式，實現(xiàn)最終的精確定位。

當(dāng)驅(qū)動器的目標(biāo)輸出位移在數(shù)十毫米以上時，則驅(qū)動器首先進入交流連續(xù)激勵模式，在實際輸出位移未達到目標(biāo)輸出位移時，每一設(shè)定采樣周期采集一次當(dāng)前實際輸出位移；再計算當(dāng)前實際輸出位移與目標(biāo)輸出位移的差值，并采用下述方法之一實現(xiàn)最終精確定位：

方法一：當(dāng)實際位移與目標(biāo)位移之間的差值小于或者等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移，直接轉(zhuǎn)換至直流驅(qū)動模式，實現(xiàn)最終的精確定位；