[發(fā)明專利]一種鈸型兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)器及采用該驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的兩自由度運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710475306.6
• 申請(qǐng)日: 2017-06-21
• 公開（公告）號(hào): CN107171589B
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉英想;鄧杰;陳維山;劉軍考;王良;馮培連
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/00
• 分類號(hào): H02N2/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 岳泉清

一種鈸型兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)器及采用該驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的兩自由度運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)方法，屬于壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)裝置都是采用單自由度驅(qū)動(dòng)裝置疊加的形式實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)尺寸大，且不易于實(shí)現(xiàn)小型化問題。驅(qū)動(dòng)器包括壓電陶瓷片、鈸形金屬片、驅(qū)動(dòng)足、基座和動(dòng)子；壓電陶瓷施加電壓激勵(lì)信號(hào)時(shí)，激勵(lì)壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)足實(shí)現(xiàn)兩自由度擺動(dòng)。通過改變鈸型兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)器的電壓激勵(lì)信號(hào)，可以控制其驅(qū)動(dòng)足的擺動(dòng)方向，進(jìn)一步利用摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明主要應(yīng)用于工作空間狹小的生命科學(xué)和納米制造等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，壓電驅(qū)動(dòng)器作為一種新型驅(qū)動(dòng)裝置，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在彈性體的特定位置處激勵(lì)出特定的運(yùn)動(dòng)軌跡，以彈性體作為定子或動(dòng)子，利用摩擦力，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)。壓電驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，響應(yīng)快，功率密度大，斷電自鎖，不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，這使其在超精密加工、定位等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。

兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)兩自由度驅(qū)動(dòng)，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，已經(jīng)得到了廣泛的研究。現(xiàn)有的兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)裝置，主要包括兩種：一種是兩個(gè)單自由度壓電驅(qū)動(dòng)裝置并聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用柔性鉸鏈連接，實(shí)現(xiàn)兩自由度驅(qū)動(dòng)，但此類驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配要求極高，輸出行程小，限制了其應(yīng)用范圍。另一種是兩個(gè)單自由度壓電驅(qū)動(dòng)裝置串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩自由度驅(qū)動(dòng)，雖然此類驅(qū)動(dòng)裝置有效的增大了其驅(qū)動(dòng)行程，但相互串聯(lián)使得輸出誤差相互疊加，降低了驅(qū)動(dòng)精度。同時(shí)，這兩種兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)裝置都是單自由度驅(qū)動(dòng)裝置疊加的形式，結(jié)構(gòu)尺寸太大，不易于實(shí)現(xiàn)小型化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)裝置都是采用單自由度驅(qū)動(dòng)裝置疊加的形式實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)尺寸大，且不易于實(shí)現(xiàn)小型化問題，本發(fā)明提供了一種鈸型兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)器及采用該驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的兩自由度運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)方法。

鈸型兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)器，它包括壓電陶瓷片、鈸形金屬片、驅(qū)動(dòng)足、基座和動(dòng)子；

所述壓電陶瓷片沿厚度方向極化，包括四個(gè)極化分區(qū)，分別是極化一區(qū)、極化二區(qū)、極化三區(qū)和極化四區(qū)，其中，極化一區(qū)與極化三區(qū)對(duì)角布置，且極化方向相反，極化二區(qū)與極化四區(qū)對(duì)角布置，且極化方向相反；

所述鈸形金屬片包括上鈸形金屬片和下鈸形金屬片，且二者對(duì)稱布置于壓電陶瓷片的上下表面，下鈸形金屬片與基座固定連接；

所述驅(qū)動(dòng)足的首端與上鈸形金屬片的上表面固定連接，其末端與動(dòng)子的外表面接觸，動(dòng)子與基座轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

所述的所述壓電陶瓷片上下表面分別設(shè)置激勵(lì)電極片和接地電極片。

所述的鈸形金屬片為中心凸起呈鈸形的金屬片，且上鈸形金屬片中心凸起指向驅(qū)動(dòng)足，下鈸形金屬片中心凸起指向基座。

所述的動(dòng)子為球型動(dòng)子、平面動(dòng)子或筒形動(dòng)子。

采用所述的鈸型兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的兩自由度運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)方法，該激勵(lì)方法可驅(qū)動(dòng)動(dòng)子實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動(dòng)，具體表現(xiàn)為：驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞X軸順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以及繞Y軸順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；

其中，X軸和Y軸所指向的方向?yàn)閴弘婒?qū)動(dòng)器徑向平面內(nèi)兩個(gè)互垂直的方向；

(一)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞X軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的具體過程為：

步驟一一、對(duì)極化二區(qū)與極化四區(qū)施加幅值逐漸上升的激勵(lì)電壓信號(hào)，上升時(shí)間為t1，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)足沿Y軸正向逐漸擺動(dòng)至極限位置，利用驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子間的靜摩擦力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞X軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度；

步驟一二、對(duì)極化二區(qū)與極化四區(qū)施加幅值逐漸下降的激勵(lì)電壓信號(hào)，下降時(shí)間為t2，且t2<<t1，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)足沿Y軸正向返回初始位置，由于慣性，動(dòng)子保持原狀態(tài)；