置交替接触，其中与上定子组件的纵向振动节面位置接触，受到上定子组件施加在圆柱滚轴沿切向的可变摩擦推力，而与下定子组件的纵向振动波谷或波峰位置周期性接触时，受到下定子组件施加在圆柱滚轴上法向的可变预压力，并且可变摩擦推力随着可变预压力的变化而变化；随着可变预压力周期性的变化，圆柱滚轴受到可变摩擦推力驱动连续旋转。
[0018]通过对两个定子组件上的压电陶瓷片分别施加具有/2相位差的电信号，激励定子组件产生2η+1阶纵向振动；所述圆柱滚轴设置在上定子组件振动的节面处和下定子组件振动的波峰或者波谷处，从而通过摩擦作用驱动圆柱滚轴旋转；所述固定装置设置在上、下定子组件各自的上、下表面的振动节面处。如果两相电信号同时反向，圆柱滚轴将会反向旋转。该电机具有结构简单、紧凑、易于加工、装配和微小型化等优点，并且解决了频率一致性问题。
[0019]当同时对设置在上、下定子组件表面的压电陶瓷片施加具有31/2的相位差电信号后，激发出定子组件的2η+1阶纵向振动模态，通过摩擦力驱动圆柱滚轴旋转。具体的工作过程如下，在t=0时，作动器处于初始状态，定子组件处于平衡位置，圆柱滚轴保持静止，如图4所示。经过1/4个周期后，即当t=l/4T时，上、下定子组件由于压电陶瓷片的激励产生相同的变形，此时定子组件产生2n+l纵向振动模态，并且处于振动模态的第一个1/4周期，如图5所示。由于圆柱滚轴设置在上定子组件的纵向振动节面处，因此上定子组件始终施加了一个可变切向摩擦推力FT在在圆柱滚轴上，而圆柱滚轴与下定子组件接触的区域位于下定子组件纵向振动的波峰处，因此圆柱滚轴受到了下定子组件施加的法向可变预压力Fz，此时圆柱滚轴受到的切向摩擦推力Fn和法向预压力Fzi处于最大值，同时切向可变摩擦推力随着法向可变预压力的变化而变化，如图8或9所示，可变预压力和可变摩擦力的周期变化曲线如图:从O到1/4 T时，法向可变预压力从O增加Fzi，而切向可变摩擦推力随着法向预压力的增加而增加至FT1。在这一过程中，由于切向可变摩擦推力的作用，圆柱滚轴开始旋转，转速从O增加至V"再经过1/4个周期后，即当t=l/2 T时，定子组件回复到原来的平衡位置，即上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都为O，而圆柱滚轴处于最大速度转速，由于惯性作用将继续旋转，如图6所示。在第二个1/4个周期中，上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都从最大值逐渐减至O，而圆柱滚轴的转速不断增加至最大V2。当t=3/4 T时，定子组件的变形重新恢复，与t=3/4 T时刻的区别是波峰位置变为波谷位置，而波谷位置变为波峰位置，但是节面位置始终不改变，如图7所示。因此，圆柱滚轴处于上定子组件纵向振动的节面位置和下定子组件纵向振动的波谷位置，此时下定子组件施加给圆柱滚轴的法向预压力为Fz2，是下半个周期内的最大法向预压力，但是小于上半个周期的最大法向预压力FZ1，而上定子组件施加给圆柱滚轴的切向摩擦推力为Ft2，同样也是下半个周期内最大的切向摩擦推力，但是绝对值小于上半个周期的最大切向摩擦推力FT1，同时Fzi和Fz2方向相同，Fn和Ft2的方向相反。在第三个1/4个周期中，上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都从O逐渐增加至下半个周期内的最大，而圆柱滚轴的转速由于切向摩擦推力与转动方向相反，因此不断减小至V3。当七=T时，定子组件的振动又处于平衡位置，即上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都为O，而圆柱滚轴处于低速旋转过程，由于惯性作用将继续旋转。在第四个1/4个周期中，上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都从下半个周期的最大值逐渐减至O，同时切向摩擦推力对圆柱滚轴的阻碍作用逐渐降低至O，圆柱滚轴的转速也在不断减小。当下一个周期的激励继续，上、下定子组件将重复上一个周期的振动方式，而圆柱滚轴将按照上一个周期的运动方式继续旋转，因此在两相电信号的激励下，圆柱滚轴实现了连续旋转。若同时改变两相电信号的方向，圆柱滚轴的旋转方向将反向。
[0020]根据定子组件的工作方式和结构设计，以及圆柱滚轴的布局，可以看出上、下定子组件的振动模态一致，实现了驱动圆柱滚轴进行连续旋转运动。因此本发明在原理上就保证了定子组件部分的工作频率的一致性。在实际应用过程中，只要保证工艺的一致性，就可以完全解决传统压电作动器存在的两相频率一致性问题。对于本发明所提出的贴片式驻波旋转型压电作动器，其定子组件不仅可以工作在纵向振动模态，同时也可以工作在弯曲振动模态来实现圆柱滚轴的旋转运动，其机理与纵向振动模态一致。
[0021]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0022]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【主权项】
1.一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于:包含圆柱滚轴(4)和两个相对位置错开的同形定子组件，所述定子组件包含压电陶瓷片(2)和矩形板(3)，所述压电陶瓷片(2 )设置在矩形板(3 )的表面，所述圆柱滚轴(4 )设置在两个定子组件之间；其中，所述压电陶瓷片(2)用于接收电信号激励定子组件产生2n+l阶纵向振动模态，其中，η多I且η为整数。2.根据权利要求1所述的一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于:在所述定子组件上还设有多个固定装置(I )，且均匀分布在定子组件纵向振动的节线位置上，所述固定装置(I)用于固定和调节两个定子组件与圆柱滚轴之间的接触压力。3.根据权利要求1所述的一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于:所述压电陶瓷片(2)粘贴在矩形板(3)与圆柱滚轴(4)接触面相对的表面，并且位于矩形板(3)的纵向振动模态的节面处。4.根据权利要求1所述的一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于:在与圆柱滚轴(4)接触位置的两个定子组件上还设有用于固定圆柱滚轴(4)的V型凹槽(3.4)。5.根据权利要求1所述的一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于:所述压电陶瓷片(2)为矩形压电陶瓷片，并且沿长度方向进行极化。
【专利摘要】本发明公开了一种贴片式驻波旋转型压电作动器，包含圆柱滚轴、固定装置和两个相对位置错开的同形定子组件，所述定子组件包含压电陶瓷片和矩形板，所述压电陶瓷片设置在矩形板的表面，所述圆柱滚轴设置在两个定子组件之间；其中，所述压电陶瓷片用于接收电信号激励定子组件产生2n+1阶纵向振动模态，所述固定装置设置在上、下定子组件各自的上、下表面的振动节面处。当对上、下定子组件分别施加具有π/2相位差的电信号激励将工作在纵向振动模态下，并通过摩擦作用驱动圆柱滚轴旋转。如果两相电信号同时反向，圆柱滚轴将会反向旋转。该作动器具有结构简单、紧凑、易于加工、装配和微小型化等优点，并且解决了频率一致性问题。
【IPC分类】H02N2/12
【公开号】CN105141174
【申请号】CN201510563105
【发明人】王亮, 刘坚, 金家楣, 陈迪
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月7日