一种一体式压电驱动器及其控制方法

本发明属于驱动器领域，具体为一种一体式压电驱动器及其控制方法。

背景技术：

1、由于具有功耗低、结构简单且无电磁干扰等优势，压电驱动器已广泛应用于航空航天、精密机械以及半导体行业。如中国专利cn201610138372.x提出一种共轴高过载旋转行波超声波舵机，定子和转子圆盘设置在电机底座上，所述定子下侧表面设置有压电陶瓷换能片；所述转子圆盘上侧设置有超声波舵机控制舱；所述超声波舵机控制舱上侧内部环形区域设置导电塑料电位器，其具有抗高过载、可靠性高的优点。但是由于当前集成化系统朝着微型化/高性能化方向前进，现有压电驱动器难以满足相关要求。

技术实现思路

1、针对现有驱动器成本高、结构复杂的问题，本发明提出一种一体式压电驱动器及其控制方法。

2、本发明实施例提供了一种一体式压电驱动器，所述一体式压电驱动器从左到右依次设置有弹性件、压电块以及滑块；所述弹性件一端与机架相连、另一端顶紧压电块，所述弹性件为压缩状态且其给予压电块预紧力；所述压电块右端与滑块的侧面接触；所述滑块与导轨配套使用并获得运动副，所述导轨与机架固定连接，所述滑块与导轨配套既可以是移动副也可以是转动副。

3、进一步的，所述压电块由依次相连的第一电极层、压电陶瓷层、第二电极层构成；所述压电陶瓷层从左至右分为激振部以及驱动头；所述驱动头右端与滑块接触；所述驱动头位于压电陶瓷层右侧中心处；所述第一电极层和第二电极层平行且均位于所述激振部区域；所述第一电极层分割成上下对称且不相连的第一驱动电极和第二驱动电极；所述第二电极层为完整、不分割电极且完全覆盖所述激振部的底部；所述压电陶瓷层的极化方向为所述第一电极层与所述第二电极层的垂直方向。

4、优选的，所述驱动头为半圆状，所述驱动头的宽度从左至右逐步减小，这有利于压电块的安装，降低了系统的安装要求。

5、优选的，所述驱动头为三角状，所述驱动头的宽度从左至右逐步减小，这有利于压电块的振动最有效的转换为滑块的运动，压电块振动过程中，所述驱动头与滑块接触处为最大位移输出处，因此可以提高系统的能量转换效率。

6、优选的，所述驱动头为梯形状，所述驱动头的宽度从左至右逐步减小，这个有利于压电块的稳定安装，在弹性件的预紧力作用下，基于梯形状的驱动头，所述压电块可以稳定的获得预紧力以及工作过程中的自身保持力，有利于系统的长期稳定工作。

7、优选的，所述驱动头为两组且为中心对称排布，两组所述驱动头的中心距离为s,s为所述激振部右侧面振动波的波长（相邻的波峰或波谷的距离），这可以实现多接触面的同步输出，有利于系统的稳定工作。

8、进一步的，所述输入模块获得驱动器的运动方向及位移量信息，所述输入模块将信息传递至控制模块；所述控制模块通过计算并发送控制信号至第一驱动模块和第二驱动模块；所述第一驱动模块输出端连接第一驱动电极和第二电极层；所述第二驱动模块输出端连接第二驱动电极和第二电极层。

9、当需要滑块向下运动时，所述第一驱动模块输出高频交变电压信号，所述压电块会产生偏转扭摆振动，所述驱动头在与滑块接触处会产生趋势向下的运动轨迹；当需要滑块向上运动时，所述第二驱动模块输出高频交变电压信号，所述压电块会产生偏转扭摆振动，所述驱动头在与滑块接触处会产生趋势向上的运动轨迹。

10、优选的，为了获得更优的驱动效果，驱动器工作过程中，第一驱动模块与第二驱动模块同时驱动且相互之间的相位差为90°。

11、优选的，所述弹性件由弹性金属片制成，其设置有对称的基座以及位于中心的弧架；所述基座与机架接触；所述弧架右端压紧压电块；所述弧架为半圆形，通过弧架的自身变形获得压电块的预紧力；弹性件由弹性金属片制成，更有利于驱动器的微型化和集成化，同时，弧架为半圆形，这可以将弹性件的弹性力更有效的施加到压电块上，减小了安装的要求。

12、本项目的特色及优势在于： 1.驱动器由压电超声驱动，具有功耗低、能量密度高、无电磁干扰的优势；2.压电块通过分割电极的方式将其分为两个协同振动的模块，系统集成度高；3.压电陶瓷层将激振部和驱动头一体化设计，系统集成度高且制作成本低。

技术特征：

1.一种一体式压电驱动器，其特征在于：依次连接设置有弹性件、压电块、滑块以及与滑块配合的导轨；所述导轨与机架固定连接；所述弹性件一端与机架相连、另一端被压缩并顶紧压电块；所述压电块由机架限位；所述压电块由依次相连的第一电极层、压电陶瓷层、第二电极层构成；所述压电陶瓷层设置有激振部和驱动头；所述驱动头与滑块接触；所述第一电极层和第二电极层平行且分别覆盖所述激振部的上下表面；所述第一电极层分割为对称且不相连的第一驱动电极和第二驱动电极；所述第二电极层为完整电极层并构成第三驱动电极；所述第一驱动电极、第二驱动电极、第三驱动电极施加交变电压信号，所述激振部产生不对称振动并带动所述驱动头产生不对称的扭摆，以此驱动头带动滑块在导轨上产生直线位移或转角。

2.如权利1所述的一体式压电驱动器，其特征在于：所述压电陶瓷层的极化方向为所述第一电极层与所述第二电极层的垂直方向。

3.如权利1所述的一体式压电驱动器，其特征在于：所述弹性件由弹性金属片制成；所述弹性件设置有基座和弧架；所述基座位于所述弧架两端，所述基座用于弧架的受力支撑；所述基座与机架接触；所述弧架压紧压电块；所述弧架为半圆形。

4.如权利1所述的一体式压电驱动器，其特征在于：所述驱动头为半圆状；所述驱动头的宽度从激振部至滑块逐步减小；所述驱动头位于激振部侧面中心处。

5.如权利1所述的一体式压电驱动器，其特征在于：所述驱动头为三角状，所述驱动头的宽度从激振部至滑块逐步减小；所述驱动头位于激振部侧面中心处。

6.如权利1所述的一体式压电驱动器，其特征在于：所述驱动头为梯形状，所述驱动头的宽度从激振部至滑块逐步减小；所述驱动头位于激振部侧面中心处。

7.如权利1所述的一体式压电驱动器，其特征在于：所述驱动头为多组，相邻两组所述驱动头的中心距离为所述激振部侧面振动波的波长。

8.一种控制装置，用于权利1所述的一体式压电驱动器，其特征在于：依次设置有输入模块、控制模块、第一驱动模块、第二驱动模块；所述输入模块获得驱动器的运动方向及位移量信息，所述输入模块将信息传递至控制模块；所述控制模块通过计算并发送控制信号至第一驱动模块和第二驱动模块；所述第一驱动模块输出端连接第一驱动电极和第二电极层；所述第二驱动模块输出端连接第二驱动电极和第二电极层。

9.一种控制方法，用于权利8所述的控制装置，其特征在于：所述第一驱动模块输出交变电压信号、所述第二驱动模块不工作，所述压电块产生向下趋势的扭摆振动，所述滑块向下运动；所述第二驱动模块输出交变电压信号、所述第一驱动模块不工作，所述压电块产生向上趋势的扭摆振动，所述滑块向上运动。

10.一种控制方法，用于权利8所述的控制装置，其特征在于：所述第一驱动模块与第二驱动模块同时输出交变电压信号且相互之间的相位差为90°。

技术总结
本发明属于驱动器领域，具体为一种一体式压电驱动器及其控制方法。从左到右依次设置有弹性件、压电块以及滑块；所述弹性件一端与机架相连、另一端顶紧压电块，所述弹性件为压缩状态且其给予压电块预紧力；所述压电块与滑块的侧面接触；所述滑块与导轨配套使用并获得运动副；所述导轨与机架固定连接。特色与优势：集成度高、控制简便、成本低。

技术研发人员：李建平,陈松
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15