弯曲压电振子的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，压电驱动技术作为一种新型驱动技术被广泛应用于超精密加工、定位等领域，得到了极大的发展。压电驱动技术是利用压电材料的逆压电效应，将电能转化为机械能的一种驱动技术。压电驱动器具有结构简单，精度高，功率密度大，输出力大，无电磁干扰，易于实现小型化等优点，在航天，机器人，纳米制造等超精密领域得到了极大的应用。两自由度压电驱动器，以单个驱动器实现多个驱动功能，可以有效的缩小驱动器的尺寸，得到了越来越多的关注。现有的两自由度压电驱动器主要是利用压电叠堆驱动的单自由度压电驱动器并联或者串联，来实现两自由度驱动，但是，采用并联方式的驱动器，由于叠堆的输出位移有限，导致行程太小；采用串联方式的驱动器，可以有效地扩大行程，但精度有所损失，同时，压电叠堆的价格十分昂贵，这些都极大地影响了两自由度压电驱动器的应用。

本发明的采用弯曲压电振子的两自由度压电驱动器的激励方法，控制驱动器的两自由度驱动，相比于压电叠堆，成本得到了极大的降低，利用驱动足与动子间的摩擦力进行驱动，扩大了其行程。同时，所驱动的动子可以是平面，用于实现两自由度移动；动子也可以是筒型，用于实现一个自由度的移动和一个自由度的转动；动子还可以是球型，用于实现两自由度的转动。由于动子形状的多样性，极大的拓展了该两自由度压电驱动器的应用范围，有着良好的应用前景。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的两自由度压电驱动装置结构复杂、成本高和行程小的问题。本发明提供了一种弯曲压电振子的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。

弯曲压电振子的两自由度压电驱动器，它包括基座、压电振子和动子；

所述压电振子包括弯曲压电陶瓷组、变幅杆和驱动足，弯曲压电陶瓷组设置于基座和变幅杆之间，变幅杆细端设置驱动足，驱动足与动子接触；

所述弯曲压电陶瓷组划分为两部分，分别为第一组弯曲压电陶瓷组和第二组弯曲压电陶瓷组。

所述的第一组弯曲压电陶瓷组和第二组弯曲压电陶瓷组中相邻的两片压电陶瓷片之间设有通电电极片。

采用所述的弯曲压电振子的两自由度压电驱动器实现的两自由度运动的激励方法，该两自由度运动的激励方法可驱动动子沿x轴和y轴两个两自由度运动，具体表现为：驱动动子沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动；

其中，x轴和y轴所指向的方向为弯曲压电振子径向平面内两个相互垂直的方向，且二者所指的方向均为正向；

(一)驱动动子沿x轴正向运动的具体过程为：

步骤一一、对第一组弯曲压电陶瓷组施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t1，压电振子沿x轴正向产生弯曲变形至极限位置，在静摩擦力作用下，通过驱动足驱动动子沿x轴正向产生位移输出；

步骤一二、对第一组弯曲压电陶瓷组施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t2，且t2<<t1，压电振子产生沿x轴负向的弯曲变形至初始位置，动子由于惯性保持静止；

步骤一三、重复步骤一一至步骤一二，可实现动子沿x轴正向的连续运动输出；

(二)驱动动子沿x轴负向运动的具体过程为：

步骤二一、对第一组弯曲压电陶瓷组施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t1，压电振子沿x轴负向产生弯曲变形至极限位置，在静摩擦力作用下，通过驱动足驱动动子沿x轴负向产生位移输出；

步骤二二、对第一组弯曲压电陶瓷组施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t2，且t2<<t1，压电振子产生沿x轴正向的弯曲变形至初始位置，动子由于惯性保持静止；

步骤二三、重复步骤二一至步骤二二，可实现动子沿x轴负向的连续运动输出；

(三)驱动动子沿y轴正向运动的具体过程为：

步骤三一、对第二组弯曲压电陶瓷组施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t1，压电振子沿y轴正向产生弯曲变形至极限位置，在静摩擦力作用下，通过驱动足驱动动子沿y轴正向产生位移输出；

步骤三二、对第二组弯曲压电陶瓷组施加幅值逐渐下降的电压激励信号，下降时间为t2，且t2<<t1，压电振子产生沿y轴负向的弯曲变形至初始位置，动子由于惯性保持静止；

步骤三三、重复步骤三一至步骤三二，可实现动子沿y轴正向的连续运动输出；

(四)驱动动子沿y轴负向运动的具体过程为：

步骤四一、对第二组弯曲压电陶瓷组施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t1，压电振子沿y轴负向产生弯曲变形至极限位置，在静摩擦力作用下，通过驱动足驱动动子沿y轴负向产生位移输出；

步骤四二、对第二组弯曲压电陶瓷组施加幅值逐渐上升的激励电压信号，下降时间为t2，且t2<<t1，压电振子产生沿y轴正向的弯曲变形至初始位置，动子由于惯性保持静止；

步骤四三、重复步骤四一至步骤四二，可实现动子沿y轴负向的连续运动输出。

采用弯曲压电振子的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。

所述的动子为筒型动子、球型动子或平面型动子。

当动子为平面型动子时，驱动动子沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动，具体表现为：在平面型动子所在平面内，驱动平面型动子沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动。

当动子为筒型动子时，驱动动子沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动筒型动子沿x轴正向或负向移动，以及绕x轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。

当动子为球型动子时，驱动动子沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动球型动子绕x轴顺时针或逆时针旋转，以及绕y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。

本发明带来的有益效果是，本发明提供了一种弯曲压电振子的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，工作中，可以实现两个方向的驱动，配合起来可以实现多种功能。本发明的采用弯曲压电振子的两自由度压电驱动器，成本低，驱动行程大。同时，动子结构可为平面、圆筒、球等形状，驱动对象多样化，应用范围广。

具体工作过程中，通过控制施加激励电压的幅值，可以实现动子单次步进步距的精确调整；通过控制施加激励电压的频率，可以实现动子运动速度的精确控制。在超精密驱动、定位、加工等领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为当动子为平面型动子时，弯曲压电振子的两自由度压电驱动器的主剖视图；

图2为弯曲压电振子的三维结构示意图；

图3为当动子为平面型动子时，弯曲压电振子的两自由度压电驱动器的三维结构示意图；

图4为当动子为筒型动子时，弯曲压电振子的两自由度压电驱动器的三维结构示意图；

图5为当动子为球型动子时，弯曲压电振子的两自由度压电驱动器的三维结构示意图；

图6为平面型动子沿x轴正向移动时，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7和图8均为在图6所施加的激励电压信号的条件下，平面型动子沿x轴正向移动的状态图；

图9为平面型动子沿x轴负向移动时，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，平面型动子沿x轴负向移动的状态图；

图12为平面型动子沿y轴正向移动时，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13和图14均为在图12所施加的激励电压信号的条件下，平面型动子沿y轴正向移动的状态图；

图15为平面型动子沿y轴负向移动时，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16和图17均为在图15所施加的激励电压信号的条件下，平面型动子沿y轴负向移动的状态图。

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，本实施方式所述的弯曲压电振子的两自由度压电驱动器，它包括基座1、压电振子2和动子3；

所述压电振子2包括弯曲压电陶瓷组2-1、变幅杆2-2和驱动足2-3，弯曲压电陶瓷组2-1设置于基座1和变幅杆2-2之间，变幅杆2-2细端设置驱动足2-3，驱动足2-3与动子3接触；

所述弯曲压电陶瓷组2-1划分为两部分，分别为第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1和第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2。

本实施方式中，本发明的采用弯曲压电振子的两自由度压电驱动器，成本低，驱动行程大。具体工作过程中，通过控制施加到弯曲压电陶瓷组2-1激励电压的幅值，可以实现动子单次步进步距的精确调整；通过控制施加到弯曲压电陶瓷组2-1激励电压的频率，可以实现动子运动速度的精确控制。

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弯曲压电振子的两自由度压电驱动器的区别在于，所述的动子3为筒型动子、球型动子或平面型动子。

具体实施方式三：参见图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弯曲压电振子的两自由度压电驱动器的区别在于，所述的第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1和第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2中相邻的两片压电陶瓷片之间设有通电电极片2-4。

具体实施方式四：参见图1至图5说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的弯曲压电振子的两自由度压电驱动器实现的两自由度运动的激励方法，该两自由度运动的激励方法可驱动动子3沿x轴和y轴两个两自由度运动，具体表现为：驱动动子3沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动；

其中，x轴和y轴所指向的方向为弯曲压电振子径向平面内两个相互垂直的方向，且二者所指的方向均为正向；

(一)驱动动子3沿x轴正向运动的具体过程为：

步骤一一、对第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t1，压电振子2沿x轴正向产生弯曲变形至极限位置，在静摩擦力作用下，通过驱动足2-3驱动动子3沿x轴正向产生位移输出；

步骤一二、对第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t2，且t2<<t1，压电振子2产生沿x轴负向的弯曲变形至初始位置，动子3由于惯性保持静止；

步骤一三、重复步骤一一至步骤一二，可实现动子3沿x轴正向的连续运动输出；

(二)驱动动子3沿x轴负向运动的具体过程为：

步骤二一、对第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t1，压电振子2沿x轴负向产生弯曲变形至极限位置，在静摩擦力作用下，通过驱动足2-3驱动动子3沿x轴负向产生位移输出；

步骤二二、对第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t2，且t2<<t1，压电振子2产生沿x轴正向的弯曲变形至初始位置，动子3由于惯性保持静止；

步骤二三、重复步骤二一至步骤二二，可实现动子3沿x轴负向的连续运动输出；

(三)驱动动子3沿y轴正向运动的具体过程为：

步骤三一、对第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2施加幅值逐渐上升的激励电压信号，上升时间为t1，压电振子2沿y轴正向产生弯曲变形至极限位置，在静摩擦力作用下，通过驱动足2-3驱动动子3沿y轴正向产生位移输出；

步骤三二、对第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2施加幅值逐渐下降的电压激励信号，下降时间为t2，且t2<<t1，压电振子2产生沿y轴负向的弯曲变形至初始位置，动子3由于惯性保持静止；

步骤三三、重复步骤三一至步骤三二，可实现动子3沿y轴正向的连续运动输出；

(四)驱动动子3沿y轴负向运动的具体过程为：

步骤四一、对第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2施加幅值逐渐下降的激励电压信号，下降时间为t1，压电振子2沿y轴负向产生弯曲变形至极限位置，在静摩擦力作用下，通过驱动足2-3驱动动子3沿y轴负向产生位移输出；

步骤四二、对第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2施加幅值逐渐上升的激励电压信号，下降时间为t2，且t2<<t1，压电振子2产生沿y轴正向的弯曲变形至初始位置，动子3由于惯性保持静止；

步骤四三、重复步骤四一至步骤四二，可实现动子3沿y轴负向的连续运动输出。

本实施方式中，步骤一一、步骤二一、步骤三一和步骤四一中动子3产生的位移十分微小。

具体实施方式五：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的采用弯曲压电振子的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，所述的动子3为筒型动子、球型动子或平面型动子。

具体实施方式六：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的采用弯曲压电振子的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。

具体实施方式七：参见图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弯曲压电振子的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，当动子3为平面型动子时，驱动动子3沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动，具体表现为：在平面型动子所在平面内，驱动平面型动子沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动。

本实施方式中，平面型动子实现沿x轴正向运动的具体过程结合图6至图8加以说明，其中，附图7和附图8分别对应步骤一一和步骤一二；步骤一一中，第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1施加幅值缓慢上升的激励电压信号，对应图7中电压激励信号的t1段，步骤一二中，第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1所施加的激励电压信号幅值快速下降，对应图8中电压激励信号的t2段。

平面型动子实现沿x轴负向运动的具体过程结合图9至图11加以说明，其中，附图10和附图11分别对应步骤二一和步骤二二；步骤二一中，第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1施加幅值缓慢下降的激励电压信号，对应图10中电压激励信号的t1段；步骤二二中，第一组弯曲压电陶瓷组2-1-1所施加的激励电压信号幅值快速上升，对应图11中电压激励信号的t2段。

平面型动子实现沿y轴正向运动的具体过程结合图12至图14加以说明，其中，附图13和附图14分别对应步骤三一和步骤三二；步骤三一中，第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2施加幅值缓慢上升的激励电压信号，对应图13中电压激励信号的t1段；步骤三二中，第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2所施加的激励电压信号幅值快速下降，对应图14中电压激励信号的t2段。

平面型动子实现沿y轴负向运动的具体过程结合图15至图17加以说明，其中，附图16和附图17分别对应步骤四一和步骤四二；步骤四一中，第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2施加幅值缓慢下降的激励电压信号，对应图16中电压激励信号的t1段；步骤四二中，第二组弯曲压电陶瓷组2-1-2所施加的激励电压信号幅值快速下降，对应图17中电压激励信号的t2段。

具体实施方式八：参见图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弯曲压电振子的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，当动子3为筒型动子时，驱动动子3沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动筒型动子沿x轴正向或负向移动，以及绕x轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。

具体实施方式九：参见图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弯曲压电振子的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，当动子3为球型动子时，驱动动子3沿x轴正向或负向运动，以及沿y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动球型动子绕x轴顺时针或逆时针旋转，以及绕y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。