多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法
【專利摘要】多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，屬于壓電驅(qū)動【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有壓電驅(qū)動器的驅(qū)動方法在具備快速、大行程響應(yīng)能力的同時，難于兼具高精度、納米尺度定位功能這一突出問題。本方法基于多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器的兩組彎振壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)的，并根據(jù)目標(biāo)輸出位移選擇三種激勵模式之一、兩種激勵模式的組合或者三種激勵模式的組合來實(shí)現(xiàn)不同位移尺度的輸出，所述激勵模式包括交流連續(xù)激勵模式、脈沖步進(jìn)激勵模式和直流微驅(qū)動模式，使得驅(qū)動器不僅具備快速、大行程響應(yīng)能力，同時具備高精度、納米尺度定位功能，最終實(shí)現(xiàn)真正的跨尺度、超精密驅(qū)動。它用于壓電驅(qū)動領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)跨尺度、超精密驅(qū)動。
【專利說明】多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]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(diǎn)或特定區(qū)域形成具有特定軌跡的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，進(jìn)而通過定子、轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合將質(zhì)點(diǎn)的微觀運(yùn)動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)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(jī)構(gòu)、無電磁干擾、響應(yīng)速度快和斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]基于彎曲振動復(fù)合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的壓電超聲驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單、無需模態(tài)簡并、效率高、出力大的突出優(yōu)點(diǎn)，例如專利號為ZL200910072702.X、發(fā)明名稱為“彎振模態(tài)梁式直線超聲電機(jī)振子”的授權(quán)發(fā)明專利，它提出了一種彎振模態(tài)梁式直線超聲驅(qū)動器振子，解決了現(xiàn)有技術(shù)因陶瓷材料抗拉強(qiáng)度低和機(jī)電耦合效率低造成的超聲驅(qū)動器的機(jī)械輸出能力受到制約的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活、機(jī)電耦合效率高、可實(shí)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(diǎn)。但是，該壓電驅(qū)動器實(shí)際工作時通過給兩組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(diǎn)的連續(xù)的橢圓軌跡振動，進(jìn)而通過摩擦耦合實(shí)現(xiàn)動子致動；由于采用連續(xù)交變電壓進(jìn)行驅(qū)動，其定位精度和分辨力一般為微米級，難于實(shí)現(xiàn)進(jìn)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。此外，該壓電驅(qū)動器采用夾心結(jié)構(gòu)，難于實(shí)現(xiàn)微型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動器的驅(qū)動方法在具備快速、大行程響應(yīng)能力的同時，難于兼具高精度、納米尺度定位功能這一突出問題，本發(fā)明提供了一種多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法。
[0005]多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，該方法是基于多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)的，所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器包括壓電振子、轉(zhuǎn)子、基座、蝶形彈簧推力軸承和預(yù)緊螺母；
[0006]壓電振子包括η個基梁和4η片壓電陶瓷，η個基梁沿圓周方向均勻分布，η為大于或等于2的正整數(shù)，
[0007]每個基梁的四個側(cè)面分別固定有一片壓電陶瓷，每個基梁末端均設(shè)置有一個變幅桿，且該變幅桿在遠(yuǎn)離基梁的方向上，為截面逐漸變細(xì)的塊體，變幅桿的小端設(shè)置有驅(qū)動足；
[0008]每兩個相鄰的基梁之間均固定有法蘭，且法蘭和基梁側(cè)面之間通過彈性梁固定連接;
[0009]轉(zhuǎn)子上下兩個表面中心位置均設(shè)置有輸出軸，轉(zhuǎn)子下表面輸出軸通過軸承與基座轉(zhuǎn)動連接，壓電振子套在輸出軸的外側(cè)，并通過法蘭與基座固定連接，轉(zhuǎn)子的下端外圓周面與驅(qū)動足接觸；轉(zhuǎn)子下表面輸出軸的末端套裝有蝶形彈簧，并旋合有預(yù)緊螺母，在蝶形彈簧與預(yù)緊螺母之間設(shè)置有推力軸承，且蝶形彈簧位于基座的下方；
[0010]所述壓電陶瓷均沿厚度方向極化，每個基梁前、后表面設(shè)置的壓電陶瓷片的極化方向相同，每個基梁上、下表面設(shè)置的壓電陶瓷片的極化方向相同，
[0011]4η片壓電陶瓷分為兩組進(jìn)行激勵，所有基梁前、后表面設(shè)置的壓電陶瓷為第一組彎振壓電陶瓷，所有基梁上、下表面設(shè)置的壓電陶瓷為第二組彎振壓電陶瓷，
[0012]所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法根據(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(shí)現(xiàn)不同位移尺度的輸出；三種激勵模式分別為:
[0013]第一種為交流連續(xù)激勵模式，該激勵模式給兩組彎振壓電陶瓷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(shí)現(xiàn)基梁兩個正交彎曲振動的復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生持續(xù)的橢圓軌跡的振動，該振動能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)大推力、大位移、快速、連續(xù)的運(yùn)動輸出，所述大位移指位移大小不受限制；
[0014]第二種為脈沖步進(jìn)激勵模式，該激勵模式給兩組彎振壓電陶瓷分別施加在時間上具有90度相位差的兩相脈沖激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)基梁兩個正交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)動轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)微米尺度分辨力、低速、斷續(xù)的步進(jìn)輸出；
[0015]第三種為直流微驅(qū)動模式，該激勵模式給一組彎振壓電陶瓷施加直流電壓，另一組彎振壓電陶瓷為懸空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基梁單方向的彎曲變形，從而在驅(qū)動足處產(chǎn)生單一方向的位移輸出，該位移輸出能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)納米尺度分辨力、微米尺度行程的輸出，通過調(diào)整直流電壓幅值實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子輸出位移的精確調(diào)整。
[0016]所述η個基梁、η個變幅桿、η個驅(qū)動足、η個法蘭和η個彈性梁為一體件。
[0017]多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器，它還包括保護(hù)罩，所述保護(hù)罩的下端面固定在基座上。
[0018]所述的直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移高于脈沖步進(jìn)激勵模式下獲得的驅(qū)動足最佳分辨力。
[0019]當(dāng)目標(biāo)輸出位移小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移時，該最大位移為微米量級，驅(qū)動器直接進(jìn)入直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)精確定位。
[0020]當(dāng)目標(biāo)輸出位移高于直流微驅(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時，則驅(qū)動器首先進(jìn)入脈沖步進(jìn)激勵模式，直至該激勵模式輸出位移與目標(biāo)位移之間差值低于直流微驅(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(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
[0021]當(dāng)驅(qū)動器目標(biāo)輸出位移為數(shù)十毫米量級以上時，則驅(qū)動器首先采用交流連續(xù)激勵模式；在實(shí)際輸出位移未達(dá)到目標(biāo)輸出位移時，每一個設(shè)定采樣周期采集一次當(dāng)前實(shí)際輸出位移；再計(jì)算當(dāng)前實(shí)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(shí)現(xiàn)最終精確定位:
[0022]方法一:若交流連續(xù)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移之間的差值小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移時，則驅(qū)動器直接轉(zhuǎn)換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位；
[0023]方法二:若交流連續(xù)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移差值大于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移時，則驅(qū)動器首先切換至脈沖步進(jìn)激勵模式，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)整，直至脈沖步進(jìn)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移之間差值小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足最大輸出位移時，再切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
[0024]所述交流連續(xù)激勵模式和脈沖步進(jìn)激勵模式下所施加的電壓波形為正弦波、方波、三角波或者梯形波。
[0025]本發(fā)明所述多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器在交流連續(xù)激勵模式下兩組彎振壓電陶瓷所施加的兩相連續(xù)交流激勵電壓的示意圖，具體參見圖3 ;本發(fā)明所述多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器在脈沖步進(jìn)激勵模式下兩組彎振壓電陶瓷所施加的兩相脈沖激勵電壓的示意圖，具體參見圖4;本發(fā)明所述多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器在直流微驅(qū)動模式下兩組彎振壓電陶瓷所施加的直流電壓的示意圖，具體參見圖5。
[0026]本發(fā)明的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器通過交流連續(xù)激勵模式、脈沖步進(jìn)激勵模式、直流微驅(qū)動模式的組合應(yīng)用，使得壓電驅(qū)動器不僅具備快速、大行程響應(yīng)能力，同時具備高精度、納米尺度定位功能，最終實(shí)現(xiàn)真正的跨尺度、超精密驅(qū)動，該方法廣泛適用于驅(qū)動各種利用彎曲振動模態(tài)復(fù)合實(shí)現(xiàn)致動的壓電驅(qū)動器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器剖視圖；
[0028]圖2是當(dāng)η的取值為2時，本發(fā)明所述多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器中壓電振子的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3是本發(fā)明所述多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器在交流連續(xù)激勵模式下兩組彎振壓電陶瓷所施加的兩相連續(xù)交流激勵電壓的示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明所述多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器在脈沖步進(jìn)激勵模式下兩組彎振壓電陶瓷所施加的兩相脈沖激勵電壓的示意圖；
[0031]圖5是本發(fā)明所述多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器在直流微驅(qū)動模式下兩組彎振壓電陶瓷所施加的直流電壓的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]【具體實(shí)施方式】一:參見圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，該方法是基于多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)的，所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器包括壓電振子1、轉(zhuǎn)子2、基座3、蝶形彈簧5、推力軸承6和預(yù)緊螺母7 ；
[0033]壓電振子I包括η個基梁1-1和4η片壓電陶瓷1_2，η個基梁1_1沿圓周方向均勻分布，η為大于或等于2的正整數(shù)，
[0034]每個基梁1-1的四個側(cè)面分別固定有一片壓電陶瓷1-2，每個基梁1-1末端均設(shè)置有一個變幅桿1-3，且該變幅桿1-3在遠(yuǎn)離基梁1-1的方向上，為截面逐漸變細(xì)的塊體，變幅桿1-3的小端設(shè)置有驅(qū)動足1-4 ；
[0035]每兩個相鄰的基梁1-1之間均固定有法蘭1-5，且法蘭1-5和基梁1_1側(cè)面之間通過彈性梁1-6固定連接；
[0036]轉(zhuǎn)子2上下兩個表面中心位置均設(shè)置有輸出軸2-1，轉(zhuǎn)子2下表面輸出軸2-1通過軸承4與基座3轉(zhuǎn)動連接，壓電振子I套在輸出軸2-1的外側(cè)，并通過法蘭1-5與基座3固定連接，轉(zhuǎn)子2的下端外圓周面與驅(qū)動足1-4接觸；轉(zhuǎn)子2下表面輸出軸2-1的末端套裝有蝶形彈簧5，并旋合有預(yù)緊螺母7，在蝶形彈簧5與預(yù)緊螺母7之間設(shè)置有推力軸承6，且蝶形彈簧5位于基座3的下方；
[0037]所述壓電陶瓷1-2均沿厚度方向極化，每個基梁1-1前、后表面設(shè)置的壓電陶瓷1-2片的極化方向相同，每個基梁1-1上、下表面設(shè)置的壓電陶瓷1-2片的極化方向相同，
[0038]4η片壓電陶瓷1-2分為兩組進(jìn)行激勵，所有基梁1_1前、后表面設(shè)置的壓電陶瓷1-2為第一組彎振壓電陶瓷，所有基梁1-1上、下表面設(shè)置的壓電陶瓷1-2為第二組彎振壓電陶瓷，
[0039]所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法根據(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(shí)現(xiàn)不同位移尺度的輸出；三種激勵模式分別為:
[0040]第一種為交流連續(xù)激勵模式，該激勵模式給兩組彎振壓電陶瓷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(shí)現(xiàn)基梁1-1兩個正交彎曲振動的復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足1-4處產(chǎn)生持續(xù)的橢圓軌跡的振動，該振動能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子2實(shí)現(xiàn)大推力、大位移、快速、連續(xù)的運(yùn)動輸出，所述大位移指位移大小不受限制；
[0041]第二種為脈沖步進(jìn)激勵模式，該激勵模式給兩組彎振壓電陶瓷分別施加在時間上具有90度相位差的兩相脈沖激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)基梁1-1兩個正交彎曲振動的脈沖式復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足1-4處產(chǎn)生間歇性的橢圓軌跡的振動，該振動能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子2實(shí)現(xiàn)微米尺度分辨力、低速、斷續(xù)的步進(jìn)輸出；
[0042]第三種為直流微驅(qū)動模式，該激勵模式給一組彎振壓電陶瓷施加直流電壓，另一組彎振壓電陶瓷為懸空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基梁1-1單方向的彎曲變形，從而在驅(qū)動足1-4處產(chǎn)生單一方向的位移輸出，該位移輸出能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)納米尺度分辨力、微米尺度行程的輸出，通過調(diào)整直流電壓幅值實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子2輸出位移的精確調(diào)整。
[0043]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法的區(qū)別在于，所述η個基梁1-1、η個變幅桿1-3、η個驅(qū)動足1-4、η個法蘭1-5和η個彈性梁1_6為一體件，這樣可以簡化加工與裝配工藝。
[0044]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法的區(qū)別在于，所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器還包括保護(hù)罩8，所述保護(hù)罩8的下端面固定在基座3上。
[0045]本實(shí)施方式中，所述保護(hù)罩8的下端面固定在基座3上，用于對驅(qū)動器的封裝與保護(hù)。
[0046]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法的區(qū)別在于，所述的直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足1-4最大輸出位移高于脈沖步進(jìn)激勵模式下獲得的驅(qū)動足1-4最佳分辨力，這樣可以保證兩種激勵模式可以實(shí)現(xiàn)有效的銜接與互補(bǔ)。
[0047]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法的區(qū)別在于，當(dāng)目標(biāo)輸出位移小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足1-4最大輸出位移時，該最大位移為微米量級，驅(qū)動器直接進(jìn)入直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)精確定位。[0048]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法的區(qū)別在于，當(dāng)目標(biāo)輸出位移高于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足1-4最大輸出位移且不高于毫米量級時，則驅(qū)動器首先進(jìn)入脈沖步進(jìn)激勵模式，直至該激勵模式輸出位移與目標(biāo)位移之間差值低于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足1-4最大輸出位移時，驅(qū)動器切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
[0049]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法的區(qū)別在于，當(dāng)驅(qū)動器目標(biāo)輸出位移為數(shù)十毫米量級以上時，則驅(qū)動器首先采用交流連續(xù)激勵模式；在實(shí)際輸出位移未達(dá)到目標(biāo)輸出位移時，每一個設(shè)定采樣周期采集一次當(dāng)前實(shí)際輸出位移；再計(jì)算當(dāng)前實(shí)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(shí)現(xiàn)最終精確定位:
[0050]方法一:若交流連續(xù)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移之間的差值小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足1-4最大輸出位移時，則驅(qū)動器直接轉(zhuǎn)換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位；
[0051]方法二:若交流連續(xù)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移差值大于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足1-4最大輸出位移時，則驅(qū)動器首先切換至脈沖步進(jìn)激勵模式，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)整，直至脈沖步進(jìn)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移之間差值小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足1-4最大輸出位移時，再切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
[0052]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法的區(qū)別在于，所述交流連續(xù)激勵模式和脈沖步進(jìn)激勵模式下所施加的電壓波形為正弦波、方波、三角波或者梯形波。
【權(quán)利要求】
1.多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，其特征在于，該方法是基于多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)的，所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器包括壓電振子(I)、轉(zhuǎn)子(2)、基座(3)、蝶形彈簧(5)、推力軸承(6)和預(yù)緊螺母(7)； 壓電振子(I)包括η個基梁(1-1)和4η片壓電陶瓷(1_2)，η個基梁(1_1)沿圓周方向均勻分布，η為大于或等于2的正整數(shù)， 每個基梁(1-1)的四個側(cè)面分別固定有一片壓電陶瓷(1-2)，每個基梁(1-1)末端均設(shè)置有一個變幅桿(1-3)，且該變幅桿(1-3)在遠(yuǎn)離基梁(1-1)的方向上，為截面逐漸變細(xì)的塊體，變幅桿(1-3)的小端設(shè)置有驅(qū)動足(1-4)； 每兩個相鄰的基梁(1-1)之間均固定有法蘭(1-5)，且法蘭(1-5)和基梁(1-1)側(cè)面之間通過彈性梁(1-6)固定連接； 轉(zhuǎn)子(2)上下兩個表面中心位置均設(shè)置有輸出軸(2-1)，轉(zhuǎn)子(2)下表面輸出軸(2-1)通過軸承(4)與基座(3)轉(zhuǎn)動連接，壓電振子(I)套在輸出軸(2-1)的外側(cè)，并通過法蘭(1-5)與基座(3)固定連接，轉(zhuǎn)子(2)的下端外圓周面與驅(qū)動足(1-4)接觸；轉(zhuǎn)子(2)下表面輸出軸(2-1)的末端套裝有蝶形彈簧(5)，并旋合有預(yù)緊螺母(7)，在蝶形彈簧(5)與預(yù)緊螺母(7)之間設(shè)置有推力軸承(6)，且蝶形彈簧(5)位于基座(3)的下方； 所述壓電陶瓷(1-2)均沿厚度方向極化，每個基梁(1-1)前、后表面設(shè)置的壓電陶瓷(1-2)片的極化方向相同，每個基梁(1-1)上、下表面設(shè)置的壓電陶瓷(1-2)片的極化方向相同， 4n片壓電陶瓷(1-2)分為兩組進(jìn)行激勵，所有基梁(1-1)前、后表面設(shè)置的壓電陶瓷(1-2)為第一組彎振壓電陶 瓷，所有基梁(1-1)上、下表面設(shè)置的壓電陶瓷(1-2)為第二組彎振壓電陶瓷， 所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法根據(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(shí)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，該激勵模式給兩組彎振壓電陶瓷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(shí)現(xiàn)基梁(1-1)兩個正交彎曲振動的復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足(1-4)處產(chǎn)生持續(xù)的橢圓軌跡的振動，該振動能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子(2)實(shí)現(xiàn)大推力、大位移、快速、連續(xù)的運(yùn)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(jìn)激勵模式，該激勵模式給兩組彎振壓電陶瓷分別施加在時間上具有90度相位差的兩相脈沖激勵電壓，以實(shí)現(xiàn)基梁(1-1)兩個正交彎曲振動的脈沖式復(fù)合激勵，從而在驅(qū)動足(1-4)處產(chǎn)生間歇性的橢圓軌跡的振動，該振動能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子(2)實(shí)現(xiàn)微米尺度分辨力、低速、斷續(xù)的步進(jìn)輸出； 第三種為直流微驅(qū)動模式，該激勵模式給一組彎振壓電陶瓷施加直流電壓，另一組彎振壓電陶瓷為懸空狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基梁(1-1)單方向的彎曲變形，從而在驅(qū)動足(1-4)處產(chǎn)生單一方向的位移輸出，該位移輸出能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)納米尺度分辨力、微米尺度行程的輸出，通過調(diào)整直流電壓幅值實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子(2)輸出位移的精確調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，其特征在于，所述η個基梁(1-1)、η個變幅桿(1-3)、η個驅(qū)動足(1_4)、η個法蘭(1_5)和η個彈性梁(1-6)為一體件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，其特征在于，所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器還包括保護(hù)罩(8)，所述保護(hù)罩(8)的下端面固定在基座⑶上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，其特征在于，所述的直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足(1-4)最大輸出位移高于脈沖步進(jìn)激勵模式下獲得的驅(qū)動足(1-4)最佳分辨力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，其特征在于，當(dāng)目標(biāo)輸出位移小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足(1-4)最大輸出位移時，該最大位移為微米量級，驅(qū)動器直接進(jìn)入直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)精確定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，其特征在于，當(dāng)目標(biāo)輸出位移高于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足(1-4)最大輸出位移且不高于毫米量級時，則驅(qū)動器首先進(jìn)入脈沖步進(jìn)激勵模式，直至該激勵模式輸出位移與目標(biāo)位移之間差值低于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足(1-4)最大輸出位移時，驅(qū)動器切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，其特征在于，當(dāng)驅(qū)動器目標(biāo)輸出位移為數(shù)十毫米量級以上時，則驅(qū)動器首先采用交流連續(xù)激勵模式；在實(shí)際輸出位移未達(dá)到目標(biāo)輸出位移時，每一個設(shè)定采樣周期采集一次當(dāng)前實(shí)際輸出位移；再計(jì)算當(dāng)前實(shí)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(shí)現(xiàn)最終精確定位: 方法一:若交流連 續(xù)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移之間的差值小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足(1-4)最大輸出位移時，則驅(qū)動器直接轉(zhuǎn)換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位； 方法二:若交流連續(xù)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移差值大于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足(1-4)最大輸出位移時，則驅(qū)動器首先切換至脈沖步進(jìn)激勵模式，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)調(diào)整，直至脈沖步進(jìn)激勵模式下實(shí)際輸出位移與目標(biāo)位移之間差值小于或等于直流微驅(qū)動模式下獲得的驅(qū)動足(1-4)最大輸出位移時，再切換至直流微驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)最終的精確定位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的多足旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動器及其實(shí)現(xiàn)跨尺度驅(qū)動的激勵方法，其特征在于，所述交流連續(xù)激勵模式和脈沖步進(jìn)激勵模式下所施加的電壓波形為正弦波、方波、三角波或者梯形波。
【文檔編號】H02N2/14GK104038100SQ201410290754
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】劉英想, 馮培連, 陳維山, 劉軍考, 石勝君 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)