一种步进式压电陶瓷旋转驱动器及驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明属于压电陶瓷驱动装置，具体涉及一种步进式压电陶瓷旋转驱动器及驱动方法。
【背景技术】
[0002]近年来随着微纳米技术的迅猛发展，压电驱动装置在超精密微细加工与测量技术、微机电系统、纳米科技、半导体制造、现代医学与生物遗产工程、航空航天技术等领域存在日益广泛的应用。虽然压电陶瓷驱动器具有体积小，位移输出分辨力高，易于控制，无杂散磁场等特点，但是由于其位移输出行程较小且只能输出直线位移因此应用范围被大大缩小。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种步进式压电陶瓷旋转驱动器及驱动方法，将压电陶瓷驱动器输出的直线位移转变为角位移，并通过多个压电陶瓷驱动器的协调步进实现驱动装置的旋转，并且同时具备结构紧凑，体积小，重量轻的特点。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0005]一种步进式压电陶瓷旋转驱动器，包括固定在固定底板9上的精密轴承8，安装于精密轴承8内圈的输出轴7，内端设置在输出轴7周圈的箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5，分别安装在箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5中长轴上的箝位用压电陶瓷驱动器2、第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器6，所述箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5的外端固定在驱动壳体10上，所述输出轴7的圆心在箝位机构I的短轴线上，所述输出轴7的圆心不在第一驱动机构3和第二驱动机构5的短轴线上；所述箝位用压电陶瓷驱动器2、第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器6通电伸长时分别能够使箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5的长轴产生变形，该变形将引起其短轴长度缩短，从而使箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5与输出轴7脱离接触，而在箝位用压电陶瓷驱动器2、第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器6断电状态下，分别能够使箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5恢复原长，与输出轴7进行接触从而对输出轴7施加作用力。
[0006]所述箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5与所述驱动壳体10位于同一平面内，由精密慢走丝线切割机床一体加工而成。
[0007]所述箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5为桥式位移放大机构。
[0008]上述所述一种步进式压电陶瓷旋转驱动器的驱动方法，初始状态，箝位用压电陶瓷驱动器2、第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器6均不通电，箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5与输出轴7相接触，靠摩擦力进行箝位，驱动器处于锁止状态；步进旋转时分为两种情况:
[0009]逆时针旋转:此时第二压电陶瓷驱动器6始终保持通电状态不变，即第二驱动机构5始终与输出轴7始终脱离接触，由箝位用压电陶瓷驱动器2和第一压电陶瓷驱动器4驱动驱动器实现旋转步进，通过不断循环如下两步运动即实现步进旋转:
[0010]第一步，第一压电陶瓷驱动器4通电伸长，使得第一驱动机构3实现短轴变形从而与输出轴7脱离接触；箝位用压电陶瓷驱动器2保持断电状态，使得箝位机构I与输出轴7相接触，靠摩擦力进行箝位；
[0011]第二步，箝位用压电陶瓷驱动器2通电伸长，箝位机构I与输出轴7脱离接触；基本与此同时，第一压电陶瓷驱动器4断电，第一驱动机构3与输出轴7接触并使其产生逆时针转动；重复上述两步，驱动器实现逆时针旋转步进。
[0012]顺时针旋转:此时第一压电陶瓷驱动器4始终保持通电状态不变，即第一驱动机构3始终与输出轴7始终脱离接触，由箝位用压电陶瓷驱动器2和第二压电陶瓷驱动器6驱动驱动器实现旋转步进，通过不断循环如下两步运动即可实现步进旋转:
[0013]第一步，第二压电陶瓷驱动器6通电伸长，使得第二驱动机构5实现纵向变形从而与输出轴7脱离接触；箝位用压电陶瓷驱动器2保持断电状态，使得箝位机构I与输出轴7相接触，靠摩擦力进行箝位。然后通过不断循环如下两步运动即可实现步进旋转；
[0014]第二步，箝位用压电陶瓷驱动器2通电伸长，箝位机构I与输出轴7脱离接触；基本与此同时，第二压电陶瓷驱动器6断电，第二驱动机构5与输出轴7接触并使其产生顺时针转动，重复上述两步，驱动器实现顺时针旋转步进。
[0015]本发明和现有技术相比，具有如下优点:
[0016]1、由于初始状态下箝位用压电陶瓷驱动器2、第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器6均不通电，箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5与输出轴7相接触，靠摩擦力进行箝位，系统处于锁止状态，因此该旋转步进式压电陶瓷驱动装置具有断电后位置锁止的功能。同时该压电陶瓷驱动装置由于采用压电陶瓷作为驱动器，因此具有较高的输出精度。并且由于结构简单，体积小，降低了结构的复杂性及尺寸，因此工作稳定可靠，应用范围广泛。
[0017]2、由于输出轴7的圆心在箝位机构I的短轴线上，即箝位机构I输出位移方向与输出轴7半径方向一致，因此箝位机构I对输出轴7的作用力沿输出轴7半径方向，沿切线方向无作用力，因此箝位机构I只对输出轴7施加沿半径方向的正压力，从而依靠摩擦力对输出轴7进行箝位。由于输出轴7的圆心不在第一驱动机构3和第二驱动机构5的短轴线上，即第一驱动机构3与第二驱动机构5输出位移方向偏离输出轴7半径方向，因此第一驱动机构3与第二驱动机构5对输出轴7不但存在沿半径方向的作用力，而沿切线方向也存在作用力，因此当第一驱动机构3与第二驱动机构5输出位移时将使输出轴7产生转动，并且，第一驱动机构3使输出轴7产生顺时针转动，第二驱动机构5使输出轴7产生逆时针转动。因此在驱动机构步进转动时只需要同时控制两个驱动机构，具有控制方式简单，控制步骤少的特点。
【附图说明】
[0018]图1为本发明结构示意图。
[0019]图2为图1的俯视图。
[0020]图3为本发明驱动原理示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0022]如图1和图2所示，本发明一种步进式压电陶瓷旋转驱动器，包括固定在固定底板9上的精密轴承8，安装于精密轴承8内圈的输出轴7，内端设置在输出轴7周圈的箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5，分别安装在箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5中长轴上的箝位用压电陶瓷驱动器2、第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器6，所述箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5的外端固定在驱动壳体10上，所述输出轴7的圆心在箝位机构I的短轴线上，所述输出轴7的圆心不在第一驱动机构3和第二驱动机构5的短轴线上；所述箝位用压电陶瓷驱动器2、第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器6通电伸长时分别能够使箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5的长轴产生变形，该变形将引起其短轴长度缩短，从而使箝位机构1、第一驱动机构3和第二驱动机构5与输出轴7脱离接触，而在箝位用压电陶瓷驱动器2、第一压电陶瓷驱动器4和第二压电陶瓷驱动器6断电状态下，分别能够使箝位机构1、第一驱动机构3