一种压电电磁耦合的二自由度驱动器及该驱动器的驱动方法与流程

本发明属于机电结合领域，其涉及一种二自由度压电驱动器。

背景技术：

压电驱动器运动精细，理论上具有亚微米至纳米级的定位精度，在精密机械工程、电子封装、精细化工、光纤对接、生物和遗传工程、材料科学、微毫平面印刷、航天工业等领域中有广阔的应用前景。基于电磁、静电、热变形、磁致伸缩、形状记忆合金、电致变形、压电等原理的驱动器的研究已成为国内外热点。每类驱动原理都有自身优势和适用领域，压电驱动具有分辨率高、定位精确、结构简单、控制方便、无电磁干扰等特点；电磁驱动具有响应速度快、结构简单、性能可靠、控制方便等优势。以上两种驱动方式应用范围广泛，已被用于生物细胞操作、微机电系统、微纳米压痕、航空摄像等系统中，展示了较好的应用效果和光明的前景。

根据驱动原理的不同，压电驱动器可分为压电超声波驱动器、压电惯性驱动器和尺蠖型压电驱动器等。尺蠖型压电驱动器是仿照自然界中的爬行动物尺蠖，用“箝位-驱动-箝位”的方式运动，被称为蠕动式压电驱动器。它利用尺蠖原理，压电元件的单步微量位移不断积累，形成连续的步进的精密位移输出，以实现大行程高分辨率的运动，从而有效的解决了现有技术中几种驱动器大行程和高分辨率不能共存的问题，同时还具有驱动原理简单，易于控制，输出力大等特点。现有的尺蠖型压电驱动器大多采用压电陶瓷材料的驱动力，通过箝位机构产生箝位的摩擦力实现箝位过程，无论如何，是利用箝位面与接触面之间接触产生的静摩擦力提供箝位力，箝位力的大小和箝位力的稳定性直接影响驱动器的承载能力、运动分辨率和运动稳定性。由于驱动器箝位面与接触面之间的接触属于小间隙接触，只有几微米，使得驱动器的性能容易受到外界因素如时效、温度、磨损、加工装配误差等因素的影响。鉴于该箝位原理的局限性，该种驱动器本身不可能有较大的输出力，并且由于摩擦磨损的存在，运行一段时间之后，由于间隙变大普遍出现输出负载下降，线性度不稳定的现象，最终将会影响步进式压电驱动器的使用寿命。

通过检索相关文献，目前步进式压电驱动器具有以下几个缺点：电控与机械结构复杂；难于兼顾大行程和高精度；操作复杂、维护和使用成本高、能耗大。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的驱动器难于兼顾大行程和高精度、结构和操作复杂、成本高、能耗大的问题，提供一种压电电磁耦合的二自由度驱动器及该驱动器的驱动方法。

一种压电电磁耦合的二自由度驱动器，特征在于，它包括：运动前足、压电叠堆a、电磁线圈b、半球b、运动后足、压电叠堆b、半球c、半球a、电磁线圈a；

运动前足中部为铁轴，轴上绕有电磁线圈a，轴的底部较长且固定连接铁质半球a，运动前足两肩部分别固定连接压电叠堆a和压电叠堆b，压电叠堆a和压电叠堆b的另一端分别固定连接在运动后足两肩上，运动后足中部为铁轴，轴上绕有电磁线圈b，运动后足底部较长且分别固定连接铁质半球b和铁质半球c。

上述一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动后足上的电磁线圈b通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动后足与铁质半球b和铁质半球c，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆a进行通电，压电叠堆a会伸长，压电叠堆a的伸长量会使运动前足转动一个角度，对运动前足上的电磁线圈a通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动前足与铁质半球a，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对压电叠堆a与电磁线圈b通电，压电叠堆a会复位变短，驱动器整体会向左侧转动一个角度，完成驱动器的一次运动。

上述一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动后足上的电磁线圈b通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动后足与铁质半球b和铁质半球c，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆a与压电叠堆b进行通电，压电叠堆a与压电叠堆b会伸长，压电叠堆的伸长量会使运动前足前进一步，对运动前足上的电磁线圈a通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动前足与铁质半球a，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对两个压电叠堆与运动后足通电，压电叠堆a与压电叠堆b会复位变短，驱动器整体会向前运动一步，完成驱动器的一次运动。

上述一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动后足上的电磁线圈b通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动后足与铁质半球b和铁质半球c，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆b进行通电，压电叠堆b会伸长，压电叠堆b的伸长量会使运动前足转动一个角度，对运动前足上的电磁线圈a通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动前足与铁质半球a，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对压电叠堆b与电磁线圈b通电，压电叠堆b会复位变短，驱动器整体会向右侧转动一个角度，完成驱动器的一次运动。

上述一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动前足上的电磁线圈a通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动前足与铁质半球a，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆a进行通电，压电叠堆a会伸长，压电叠堆a的伸长量会使运动后足转动一个角度，对运动后足上的电磁线圈b通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动后足与铁质半球b和铁质半球c，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对压电叠堆a与电磁线圈a通电，压电叠堆a会复位变短，驱动器整体会向左后侧转动一个角度，完成驱动器的一次运动。

上述一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动前足上的电磁线圈a通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动前足与铁质半球a，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆a与压电叠堆b进行通电，压电叠堆a与压电叠堆b会伸长，压电叠堆的伸长量会使运动后足后退一步，对运动后足上的电磁线圈b通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动后足与铁质半球b，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对两个压电叠堆与电磁线圈a通电，压电叠堆a与压电叠堆b会复位变短，驱动器整体会向后运动一步，完成驱动器的一次运动。

上述一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动前足上的电磁线圈a通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动前足与铁质半球a，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆b进行通电，压电叠堆b会伸长，压电叠堆b的伸长量会使运动后足转动一个角度，对运动后足上的电磁线圈b通电，电磁线圈通电后产生磁场，磁场会通过运动后足与铁质半球b和铁质半球c，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对压电叠堆b与电磁线圈a通电，压电叠堆b会复位变短，驱动器整体会向右后侧转动一个角度，完成驱动器的一次运动。

本发明所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器，利用铁质半球与磁性金属表面的磁力形成摩擦力实现稳定箝位，机械结构简单，免去了复杂的控制系统；采用电磁箝位，以将压电叠堆由逆压电效应产生的绝大部分作用力转化为驱动器的有效驱动力，有较大的承载能力；实现箝位摩擦力的电磁力控制方便，反应速度极快，适合高精密驱动场合；驱动器整体换能效率高，分辨率高，行程大，可被广泛应用于各类精密超精密加工与运动、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统、机器人等高尖端的科学技术领域。

本发明所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，步骤简单、形式多样、灵活多变，主要适用于超精密加工机床、精密超精密微细加工与测量技术、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统、精密光学、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天、机器人、军事技术等高尖端的科学技术领域。

附图说明

图1为一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的立体结构示意图；

图2为一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的俯视图；

图3为一种压电电磁耦合的二自由度驱动器中运动前足的正视图；

图4为一种压电电磁耦合的二自由度驱动器中运动后足的正视图；

图5为一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的简化结构示意图；

图6为一种压电电磁耦合的二自由度驱动器简化运动能力示意图；

图7为采用具体实施方式二所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法时，驱动器运动过程简化示意图；

图8为采用具体实施方式三所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法时，驱动器运动过程简化示意图；

图9为采用具体实施方式四所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法时，驱动器运动过程简化示意图；

图10为采用具体实施方式五所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法时，驱动器运动过程简化示意图；

图11为采用具体实施方式六所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法时，驱动器运动过程简化示意图；

图12为采用具体实施方式七所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法时，驱动器运动过程简化示意图。

具体实施方式

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。

具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，实施方式所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器，特征在于，它包括：运动前足1、压电叠堆a2、电磁线圈b3、半球b4、运动后足5、压电叠堆b6、半球c7、半球a8、电磁线圈a9；

运动前足1中部为铁轴，轴上绕有电磁线圈a9，轴的底部较长且固定连接铁质半球a8，运动前足1两肩部分别固定连接压电叠堆a2和压电叠堆b6，两压电叠堆的另一端分别固定连接在运动后足5两肩上，运动后足5中部为铁轴，轴上绕有电磁线圈b3，运动后足5底部较长且分别固定连接铁质半球b4和铁质半球c7。

具体实施方式二：参照图5、图6、图7具体说明本实施方式，具体实施方式所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动后足5上的电磁线圈b3通电，电磁线圈b3通电后产生磁场，磁场会通过运动后足5与铁质半球b4和铁质半球c7，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆a2进行通电，压电叠堆a2的伸长量会使运动前足1转动一个角度，对运动前足1上的电磁线圈a9通电，电磁线圈a9通电后产生磁场，磁场会通过运动前足1与铁质半球a8，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对压电叠堆a2与电磁线圈b3通电，压电叠堆a2会复位变短，驱动器整体会向左侧转动一个角度，完成驱动器的一次运动。

具体实施方式三：参照图5、图6、图8具体说明本实施方式，具体实施方式所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动后足5上的电磁线圈b3通电，电磁线圈b3通电后产生磁场，磁场会通过运动后足5与铁质半球b4和铁质半球c7，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆a2与压电叠堆b6进行通电，压电叠堆的伸长量会使运动前足1前进一步，对运动前足1上的电磁线圈a9通电，电磁线圈a9通电后产生磁场，磁场会通过运动前足1与铁质半球a8，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对两个压电叠堆与运动后足5通电，两压电叠堆会复位变短，驱动器整体会向前运动一步，完成驱动器的一次运动。

具体实施方式四：参照图5、图6、图9具体说明本实施方式，具体实施方式所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动后足5上的电磁线圈b3通电，电磁线圈b3通电后产生磁场，磁场会通过运动后足5与铁质半球b4和铁质半球c7，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆b6进行通电，压电叠堆b6的伸长量会使运动前足1转动一个角度，对运动前足1上的电磁线圈a9通电，电磁线圈a9通电后产生磁场，磁场会通过运动前足1与铁质半球a8，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对压电叠堆b6与电磁线圈b3通电，压电叠堆b6会复位变短，驱动器整体会向右侧转动一个角度，完成驱动器的一次运动。

具体实施方式五：参照图5、图6、图10具体说明本实施方式，具体实施方式所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动前足1上的电磁线圈a9通电，电磁线圈a9通电后产生磁场，磁场会通过运动前足1与铁质半球a8，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆a2进行通电，压电叠堆a2的伸长量会使运动后足转动一个角度，对运动后足5上的电磁线圈b3通电，电磁线圈b3通电后产生磁场，磁场会通过运动后足5与铁质半球b4和铁质半球c7，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对压电叠堆a2与电磁线圈a9通电，压电叠堆a2会复位变短，驱动器整体会向左后侧转动一个角度，完成驱动器的一次运动。

具体实施方式六：参照图5、图6、图11具体说明本实施方式，具体实施方式所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动前足1上的电磁线圈a9通电，电磁线圈a9通电后产生磁场，磁场会通过运动前足1与铁质半球a8，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆a2与压电叠堆b6进行通电，两压电叠堆的伸长量会使运动后足5后退一步，对运动后足5上的电磁线圈b3通电，电磁线圈b3通电后产生磁场，磁场会通过运动后足5与铁质半球b4和铁质半球c7，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对两个压电叠堆与电磁线圈a9通电，压电叠堆a2与压电叠堆b6会复位变短，驱动器整体会向后运动一步，完成驱动器的一次运动。

具体实施方式七：参照图5、图6、图12具体说明本实施方式，具体实施方式所述的一种压电电磁耦合的二自由度驱动器的驱动方法，该方法为：

将驱动器置于磁性金属表面，对运动前足1上的电磁线圈a9通电，电磁线圈a9通电后产生磁场，磁场会通过运动前足1与铁质半球a8，与磁性金属表面形成磁力，此时对压电叠堆b6进行通电，压电叠堆b6的伸长量会使运动后足5转动一个角度，对运动后足5上的电磁线圈b3通电，电磁线圈b3通电后产生磁场，磁场会通过运动后足5与铁质半球b4和铁质半球c7，与磁性金属表面形成磁力，此时停止对压电叠堆b6与电磁线圈a9通电，压电叠堆b6会复位变短，驱动器整体会向右后侧转动一个角度，完成驱动器的一次运动。