[發明專利]一種兩自由度雙定子球形壓電作動器及其控制方法

有效

• 申請號: 201610109920.6
• 申請日: 2016-02-26
• 公開（公告）號: CN105634324B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 鄧月波;王亮;金家楣;章洪軒
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及多自由度壓電作動器技術領域，尤其涉及一種兩自由度雙定子球形壓電作動器及其控制方法。

背景技術

多自由度壓電作動器是一種利用壓電材料的逆壓電效應，激發彈性體在超聲頻段產生微幅振動，并通過定、轉子（動子）之間的摩擦作用驅動轉子（動子）在多個自由度上的回轉（直線）運動的新型微特電機。多自由度壓電作動器作為最近幾年發展起來的一類新型超聲電機，具有運動的多元化、結構簡單、加工難度小等優點，頗受工程應用的歡迎，但是由于現有的多自由度壓電作動器仍無法突破一些關鍵技術問題，存在結構冗余、尺寸過大和驅動控制不穩定等問題，無法較好地實現工程上的推廣應用，特別是生物醫學工程領域對于微型壓電作動器的需求一直無法得到滿足，因此設計可微型化的多自由度壓電作動器是十分有必要的。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有多自由度壓電作動器存在的技術缺陷，提供一種結構簡單、易于加工、可微型化的兩自由度雙定子球形壓電作動器及其控制方法。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種兩自由度雙定子球形壓電作動器，包含定子和球形轉子；

所述定子包含上振子和下振子；

所述上振子和下振子結構相同，均包含圓環結構、兩根橫梁和四片壓電薄膜，其中，兩根橫梁的一端均與所述圓環結構的內側壁固定相連、軸線均指向所述圓環結構的圓心，且兩根橫梁的軸線在同一直線上，四片壓電薄膜分別對稱設置在所述兩根橫梁的上下表面，沿厚度方向極化，且兩根橫梁上下表面設置的壓電薄膜的極化方向相反；

所述上振子和下振子平行，且上振子兩根橫梁所在的直線與下振子兩根橫梁所在的直線垂直；

所述上振子兩根橫梁接近圓環結構圓心的一端、以及下振子兩根橫梁接近圓環結構圓心的一端均與球形轉子的表面相接，將球形轉子固定在其包含的空間中。

作為本發明一種兩自由度雙定子球形壓電作動器進一步的優化方案，所述上振子、下振子的圓環結構上均設有若干用于和外部固定相連的通孔。

作為本發明一種兩自由度雙定子球形壓電作動器進一步的優化方案，所述四片壓電薄膜分別設置在兩根橫梁上下表面振動時最大位移所在處。

作為本發明一種兩自由度雙定子球形壓電作動器進一步的優化方案，所述上振子和下振子中的壓電薄膜均通過鍍層的方式設置在橫梁上。

本發明還公開了一種基于該兩自由度雙定子球形壓電作動器的控制方法，令下振子橫梁所在的直線為X軸，上振子中橫梁所在的直線為Y軸，控制球形轉子繞X軸轉動的具體方法如下：

當需要驅動球形轉子繞X軸進行正向轉動時：

步驟A.1）,對上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有π相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號具有π相位差；

步驟A.2），對下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有π相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號相同，同時使得該電信號與上振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號具有π/2相位差；

當需要驅動球形轉子繞X軸進行反向轉動時：

步驟B.1），對上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有-π相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號具有-π相位差；

步驟B.2），對下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有-π相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號相同，同時使得該電信號與上振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號具有-π/2相位差。

作為基于該兩自由度雙定子球形壓電作動器的控制方法進一步的優化方案，控制球形轉子繞Y軸轉動的具體方法如下：

當需要驅動球形轉子繞Y軸進行正向轉動時：

步驟C.1）,對下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有π相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號具有π相位差；

步驟C.2），對上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有π相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號相同，同時使得該電信號與下振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號具有π/2相位差；

當需要驅動球形轉子繞Y軸進行反向轉動時：

步驟D.1），對下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有-π相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號具有-π相位差；