一种钹型两自由度压电驱动器及采用该驱动器实现的两自由度运动的激励方法与流程

本发明属于压电驱动技术领域。

背景技术：

近年来，压电驱动器作为一种新型驱动装置，利用压电材料的逆压电效应，在弹性体的特定位置处激励出特定的运动轨迹，以弹性体作为定子或动子，利用摩擦力，实现对动子的驱动。压电驱动器具有结构简单，精度高，响应快，功率密度大，断电自锁，不受电磁干扰等优点，这使其在超精密加工、定位等领域有着极大的应用前景。

两自由度压电驱动装置，可实现两自由度驱动，单个驱动器可以实现更多的功能，已经得到了广泛的研究。现有的两自由度压电驱动装置，主要包括两种：一种是两个单自由度压电驱动装置并联机械结构，利用柔性铰链连接，实现两自由度驱动，但此类驱动装置结构复杂，装配要求极高，输出行程小，限制了其应用范围。另一种是两个单自由度压电驱动装置串联，实现两自由度驱动，虽然此类驱动装置有效的增大了其驱动行程，但相互串联使得输出误差相互叠加，降低了驱动精度。同时，这两种两自由度压电驱动装置都是单自由度驱动装置叠加的形式，结构尺寸太大，不易于实现小型化。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有两自由度压电驱动装置都是采用单自由度驱动装置叠加的形式实现，结构尺寸大，且不易于实现小型化问题，本发明提供了一种钹型两自由度压电驱动器及采用该驱动器实现的两自由度运动的激励方法。

钹型两自由度压电驱动器，它包括压电陶瓷片、钹形金属片、驱动足、基座和动子；

所述压电陶瓷片沿厚度方向极化，包括四个极化分区，分别是极化一区、极化二区、极化三区和极化四区，其中，极化一区与极化三区对角布置，且极化方向相反，极化二区与极化四区对角布置，且极化方向相反；

所述钹形金属片包括上钹形金属片和下钹形金属片，且二者对称布置于压电陶瓷片的上下表面，下钹形金属片与基座固定连接；

所述驱动足的首端与上钹形金属片的上表面固定连接，其末端与动子的外表面接触，动子与基座转动连接。

所述的所述压电陶瓷片上下表面分别设置激励电极片和接地电极片。

所述的钹形金属片为中心凸起呈钹形的金属片，且上钹形金属片中心凸起指向驱动足，下钹形金属片中心凸起指向基座。

所述的动子为球型动子、平面动子或筒形动子。

采用所述的钹型两自由度压电驱动器实现的两自由度运动的激励方法，该激励方法可驱动动子实现两自由度运动，具体表现为：驱动动子绕x轴顺时针或逆时针转动，以及绕y轴顺时针或逆时针转动；

其中，x轴和y轴所指向的方向为压电驱动器径向平面内两个互垂直的方向；

(一)驱动动子绕x轴逆时针转动的具体过程为：

步骤一一、对极化二区与极化四区施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t1，从而带动驱动足沿y轴正向逐渐摆动至极限位置，利用驱动足与动子间的静摩擦力，驱动动子绕x轴逆时针转动一个角度；

步骤一二、对极化二区与极化四区施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t2，且t2<<t1，从而带动驱动足沿y轴正向返回初始位置，由于惯性，动子保持原状态；

步骤一三、重复步骤一一到步骤一二，实现了钹型两自由度压电驱动器对动子的连续步进式驱动，最终实现了驱动动子绕x轴逆时针持续转动；

(二)驱动动子绕x轴顺时针转动的具体过程为：

步骤二一、对极化二区与极化四区施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t1，从而带动驱动足沿y轴负向逐渐摆动至极限位置，利用驱动足与动子间的静摩擦力，驱动动子绕x轴顺时针转动一个角度；

步骤二二、对极化二区与极化四区施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t2，且t2<<t1，从而带动驱动足沿y轴负向返回初始位置，由于惯性，动子保持原状态；

步骤二三、重复步骤二一到步骤二二，实现了钹型两自由度压电驱动器对动子的连续步进式驱动，最终实现了驱动球型动子绕x轴顺时针持续转动；

(三)驱动动子绕y轴顺时针转动的具体过程为：

步骤三一、对极化一区与极化三区施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t1，从而带动驱动足沿x轴正向逐渐摆动至极限位置，利用驱动足与动子间的静摩擦力，驱动动子绕y轴顺时针转动一个角度；

步骤三二、对极化一区与极化三区施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t2，且t2<<t1，从而带动驱动足沿x轴正向返回初始位置，由于惯性，动子保持原状态；

步骤三三、重复步骤三一到步骤三二，实现了钹型两自由度压电驱动器对动子的连续步进式驱动，最终实现了驱动动子绕y轴顺时针持续运动；

(四)驱动动子绕y轴逆时针转动的具体过程为：

步骤四一、对极化一区与极化三区施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t1，从而带动驱动足沿x轴负向逐渐摆动至极限位置，利用驱动足与动子间的静摩擦力，驱动动子绕y轴逆时针转动一个角度；

步骤四二、对极化一区与极化三区施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t2，且t2<<t1，从而带动驱动足沿x轴负向返回初始位置或者摆动到x轴正向极限位置，由于惯性，动子保持原状态；

步骤四三、重复步骤四一到步骤四二，实现了钹型两自由度压电驱动器对动子的连续步进式驱动，最终实现了驱动动子绕y轴逆时针持续转动。

采用钹型两自由度压电驱动器实现的两自由度运动的激励方法，该方法中所施加的电压激励信号的波形为非对称三角波或非对称梯形波。

本发明带来的有益效果是，本发明所述的一种钹型两自由度压电驱动器，在工作中，可以实现两方向驱动，实现多种功能。本发明通过一组压电陶瓷片和两组钹形金属片连接，利用驱动足输出驱动力，实现两自由度驱动。利用钹形金属片的位移放大作用，以小体积的压电陶瓷片实现有效的位移输出，从而实现压电驱动器的小型化。同时，压电陶瓷片设置为四个极化分区，在电压激励信号激励下，带动驱动足实现两个自由度的摆动，利用静摩擦力和惯性驱动原理，驱动动子两自由度运动。该钹型两自由度压电驱动器结构尺寸小，在空间机构，生命科学，纳米制造等工作空间小，精度高的领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为当动子为球型动子时，钹型两自由度压电驱动器的整体结构示意图；其中，z轴为压电驱动器的轴向；

图2为图1的轴向剖视图；

图3是压电陶瓷片的四个极化分区图；

图4为当动子为平面动子时，钹型两自由度压电驱动器的轴向剖视图；

图5为当动子为筒形动子时，钹型两自由度压电驱动器的轴向剖视图；

图6为压电驱动器驱动球型动子绕x轴顺时针转时，所施加的激励电压信号的波形图；

其中，vmax为正向电压幅值的极大值，-vmax为负向电压幅值的极大值，t0为初始时间，t为周期；

图7和图8均为在图6所施加的激励电压信号的条件下，压电驱动器驱动球型动子绕x轴顺时针转动的状态图；

图9为电驱动器驱动球型动子绕x轴逆时针转动时，所施加的激励电压信号的波形图；

其中，vmax为正向电压幅值的极大值，-vmax为负向电压幅值的极大值，t0为初始时间，t为周期；

图10和图11均为在图9所施加的激励电压信号的条件下，压电驱动器驱动球型动子绕x轴逆时针转动的状态图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的钹型两自由度压电驱动器，它包括压电陶瓷片1、钹形金属片2、驱动足3、基座4和动子5；

所述压电陶瓷片1沿厚度方向极化，包括四个极化分区，分别是极化一区1-1、极化二区1-3、极化三区1-2和极化四区1-4，其中，极化一区1-1与极化三区1-3对角布置，且极化方向相反，极化二区1-2与极化四区1-4对角布置，且极化方向相反；

所述钹形金属片2包括上钹形金属片2-2和下钹形金属片2-1，且二者对称布置于压电陶瓷片1的上下表面，下钹形金属片2-1与基座4固定连接；

所述驱动足3的首端与上钹形金属片2-2的上表面固定连接，其末端与动子5的外表面接触，动子5与基座4转动连接。

本实施方式，利用钹形金属片的位移放大作用，有效的缩小压电陶瓷片1片的尺寸，从而实现压电驱动器的小型化。压电陶瓷片1设置为四个极化分区，在电压激励信号激励下，带动驱动足实现两个自由度的摆动，利用静摩擦力和惯性驱动原理，驱动动子两自由度运动。该钹型两自由度压电驱动器结构尺寸小，实现了小型化。

具体实施方式二：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的钹型两自由度压电驱动器的区别在于，所述的动子5为球型动子、平面动子或筒形动子。

本实施方式中，当动子5为球型动子时，球型动子的外表面与基座4转动连接；当动子5为平面动子时，平面动子的底面与基座4转动连接；当动子5为筒形动子时，筒形动子的外表面与基座4转动连接，且绕着筒形动子轴向转动。

具体实施方式三：参见图1至图5说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的钹型两自由度压电驱动器实现的两自由度运动的激励方法，该激励方法可驱动动子5实现两自由度运动，具体表现为：驱动动子5绕x轴顺时针或逆时针转动，以及绕y轴顺时针或逆时针转动；

其中，x轴和y轴所指向的方向为压电驱动器径向平面内两个互垂直的方向；

(一)驱动动子5绕x轴逆时针转动的具体过程为：

步骤一一、对极化二区1-2与极化四区1-4施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t1，从而带动驱动足3沿y轴正向逐渐摆动至极限位置，利用驱动足3与动子5间的静摩擦力，驱动动子5绕x轴逆时针转动一个角度；

步骤一二、对极化二区1-2与极化四区1-4施加幅值逐渐下降的激励电压信号，上升时间为t2，且t2<<t1，从而带动驱动足3沿y轴正向返回初始位置，由于惯性，动子5保持原状态；

步骤一三、重复步骤一一到步骤一二，实现了钹型两自由度压电驱动器对动子5的连续步进式驱动，最终实现了驱动动子5绕x轴逆时针持续转动；

其中，在图9所施加激励电压信号的条件下，驱动动子5绕x轴逆时针转动的运动状态，具体参见图10和图11，且图9中的t1为一个周期电压幅值下降段时间，t2为一个周期电压幅值上升段时间；

(二)驱动动子5绕x轴顺时针转动的具体过程为：

步骤二一、对极化二区1-2与极化四区1-4施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t1，从而带动驱动足3沿y轴负向逐渐摆动至极限位置，利用驱动足3与动子5间的静摩擦力，驱动动子5绕x轴顺时针转动一个角度；

步骤二二、对极化二区1-2与极化四区1-4施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t2，且t2<<t1，从而带动驱动足3沿y轴负向返回初始位置，由于惯性，动子5保持原状态；步骤二三、重复步骤二一到步骤二二，实现了钹型两自由度压电驱动器对动子5的连续步进式驱动，最终实现了驱动球型动子5绕x轴顺时针持续转动；

其中，在图6所施加激励电压信号的条件下，驱动动子5绕x轴顺时针转动的运动状态，具体参见图7和图8；且图6中的t1为一个周期电压幅值上升段时间，t2为一个周期电压幅值下降段时间；

(三)驱动动子5绕y轴顺时针转动的具体过程为：

步骤三一、对极化一区1-1与极化三区1-3施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t1，从而带动驱动足3沿x轴正向逐渐摆动至极限位置，利用驱动足3与动子5间的静摩擦力，驱动动子5绕y轴顺时针转动一个角度；

步骤三二、对极化一区1-1与极化三区1-3施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t2，且t2<<t1，从而带动驱动足3沿x轴正向返回初始位置，由于惯性，动子5保持原状态；步骤三三、重复步骤三一到步骤三二，实现了钹型两自由度压电驱动器对动子5的连续步进式驱动，最终实现了驱动动子5绕y轴顺时针持续运动；

(四)驱动动子5绕y轴逆时针转动的具体过程为：

步骤四一、对极化一区1-1与极化三区1-3施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t1，从而带动驱动足3沿x轴负向逐渐摆动至极限位置，利用驱动足3与动子5间的静摩擦力，驱动动子5绕y轴逆时针转动一个角度；

步骤四二、对极化一区1-1与极化三区1-3施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t2，且t2<<t1，从而带动驱动足3沿x轴负向返回初始位置或者摆动到x轴正向极限位置，由于惯性，动子5保持原状态；

步骤四三、重复步骤四一到步骤四二，实现了钹型两自由度压电驱动器对动子5的连续步进式驱动，最终实现了驱动动子5绕y轴逆时针持续转动。

本实施方式中，所述的动子5保持原状态，具体解释为：动子5保持上一时刻的运动状态。

步骤一一、步骤二一、步骤三一和步骤四一中的角度，均为十分微小的角度。

具体实施方式四：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的采用钹型两自由度压电驱动器实现的两自由度运动的激励方法的区别在于，该方法中所施加的电压激励信号的波形为非对称三角波或非对称梯形波。

本实施方式中，非对称三角波为锯齿波。