[發(fā)明專利]一種兩自由度壓電驅(qū)動裝置及其激勵方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810349282.4
• 申請日: 2018-04-18
• 公開（公告）號: CN108400722B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉英想;鄧杰;陳維山;劉軍考
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00;H02N2/02;H02N2/10
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠(yuǎn)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 孫莉莉

本發(fā)明提出了一種兩自由度壓電驅(qū)動裝置及其激勵方法，屬于壓電驅(qū)動領(lǐng)域。本發(fā)明的兩自由度壓電驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)包括四組完全相同的壓電梁、一個基體、一個驅(qū)動足基座和一個驅(qū)動足，結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。壓電梁結(jié)構(gòu)包括兩片壓電陶瓷片和一片金屬基板。在電壓激勵信號施加在壓電梁上時，壓電梁可以實(shí)現(xiàn)沿其厚度方向的彎曲運(yùn)動。通過設(shè)計(jì)四組壓電梁的電壓激勵信號，控制它們彎曲運(yùn)動的方向和時序，激勵驅(qū)動足實(shí)現(xiàn)兩自由度擺動，進(jìn)一步利用摩擦力作為驅(qū)動力，驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動。本發(fā)明的兩自由度壓電驅(qū)動裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、位移分辨率高和行程大等優(yōu)點(diǎn)，在超精密驅(qū)動、定位等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種兩自由度壓電驅(qū)動裝置及其激勵方法。

背景技術(shù)

近年來，兩自由度精密驅(qū)動裝置在生物醫(yī)療、光學(xué)掃描、高精度智能加工等領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，它們被要求具有高位移分辨率、結(jié)構(gòu)簡單、大行程等特點(diǎn)。壓電驅(qū)動技術(shù)利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動目的，該技術(shù)具有精度高、不受電磁干擾、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)；利用壓電驅(qū)動技術(shù)的兩自由度壓電驅(qū)動裝置有輸出位移分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)小型化等優(yōu)點(diǎn)，已被眾多學(xué)者廣泛研究。

當(dāng)前的兩自由度壓電驅(qū)動裝置主要包括串聯(lián)型和并聯(lián)型兩類。串聯(lián)型兩自由度壓電驅(qū)動裝置利用多個單自由度壓電驅(qū)動器串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)兩自由度驅(qū)動，具有輸出行程大、易于實(shí)現(xiàn)多個功能等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于兩自由度平面驅(qū)動領(lǐng)域；但是其利用機(jī)械串聯(lián)的方式將會使單個驅(qū)動器的輸出誤差相互疊加，影響其輸出精度，這限制了其在超精密領(lǐng)域的應(yīng)用。并聯(lián)型兩自由度壓電驅(qū)動裝置可以克服這個問題，其利用多個壓電疊堆機(jī)械并聯(lián)的方式直接驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動，精度可以達(dá)到納米級，已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)掃描，生物醫(yī)療等領(lǐng)域；但是壓電疊堆的輸出位移僅為其自身長度的千分之一，這導(dǎo)致了并聯(lián)型兩自由度壓電驅(qū)動裝置輸出行程特別小；此外，商用壓電疊堆單價十分昂貴，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的兩自由度壓電驅(qū)動裝置成本高、行程小的技術(shù)問題，提出一種兩自由度壓電驅(qū)動裝置及其激勵方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種兩自由度壓電驅(qū)動裝置，包括四組壓電梁1、驅(qū)動足基座2、驅(qū)動足3和基體4；所述的四組壓電梁1包括壓電梁一1-6、壓電梁二1-5、壓電梁三1-4和壓電梁四1-3；并且四組壓電梁1結(jié)構(gòu)相同，所述壓電梁1結(jié)構(gòu)包括兩片壓電陶瓷片1-1和一片金屬基板1-2；所述兩片壓電陶瓷片1-1分別位于金屬基板1-2的上下表面并且所述兩片壓電陶瓷片1-1不完全覆蓋住金屬基板1-2；所述的四組壓電梁1的首端與基體4的四個側(cè)面固定連接，末端與驅(qū)動足基座2的四個側(cè)面固定連接，其中壓電梁一1-6與壓電梁三1-4同軸，壓電梁二1-5與壓電梁四1-3同軸，壓電梁一1-6與壓電梁二1-5軸向垂直；所述的壓電梁1施加電壓激勵信號時，沿其厚度方向彎曲；所述的壓電陶瓷片1-1沿其厚度方向極化；所述的驅(qū)動足3置于驅(qū)動足基座2的上端，其末端與動子5接觸；所述動子5為平面型、球型或圓筒型動子；當(dāng)動子5為平面型動子時，可實(shí)現(xiàn)兩自由度直線驅(qū)動；當(dāng)動子5為球型動子時，可實(shí)現(xiàn)兩自由度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；當(dāng)動子5為圓筒型動子時，可實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)的兩自由度驅(qū)動。

進(jìn)一步地，所述的金屬基板1-2通過在其空余處挖孔或開槽以減小其法向和切向剛度，從而增大驅(qū)動足3的擺動幅度。

進(jìn)一步地，所述的驅(qū)動足基座2和基體4上設(shè)置有固定壓電梁1的孔。

本發(fā)明還提出一種兩自由度壓電驅(qū)動裝置的激勵方法，所述方法用于激勵兩自由度壓電驅(qū)動裝置的驅(qū)動足3實(shí)現(xiàn)兩自由度擺動，驅(qū)動動子5實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動，即，驅(qū)動動子5沿X軸正向或負(fù)向運(yùn)動，以及沿Y軸正向或負(fù)向運(yùn)動；

驅(qū)動動子5沿X軸正向運(yùn)動輸出的具體過程為：