CN104038100B - 基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法 - Google Patents

Abstract

多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法，属于压电驱动技术领域。解决了现有压电驱动器的驱动方法在具备快速、大行程响应能力的同时，难于兼具高精度、纳米尺度定位功能这一突出问题。本方法基于多足旋转压电驱动器的两组弯振压电陶瓷实现的，并根据目标输出位移选择三种激励模式之一、两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出，所述激励模式包括交流连续激励模式、脉冲步进激励模式和直流微驱动模式，使得驱动器不仅具备快速、大行程响应能力，同时具备高精度、纳米尺度定位功能，最终实现真正的跨尺度、超精密驱动。它用于压电驱动领域中实现跨尺度、超精密驱动。

Description

基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法

技术领域

本发明属于压电驱动技术领域。

背景技术

压电超声驱动技术是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过定子、转子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动的技术。压电超声驱动器具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。

基于弯曲振动复合实现驱动的压电超声驱动器具有结构简单、无需模态简并、效率高、出力大的突出优点，例如专利号为ZL200910072702.X、发明名称为“弯振模态梁式直线超声电机振子”的授权发明专利，它提出了一种弯振模态梁式直线超声驱动器振子，解决了现有技术因陶瓷材料抗拉强度低和机电耦合效率低造成的超声驱动器的机械输出能力受到制约的问题，具有结构简单、设计灵活、机电耦合效率高、可实现大力矩输出、性能稳定、易于控制、可系列化生产的优点。但是，该压电驱动器实际工作时通过给两组弯振压电陶瓷片施加连续的交流电压来激励出驱动足处质点的连续的椭圆轨迹振动，进而通过摩擦耦合实现动子致动；由于采用连续交变电压进行驱动，其定位精度和分辨力一般为微米级，难于实现进一步提高，也无法满足超精密加工、微纳制造和生命科学等领域飞速发展的需要。此外，该压电驱动器采用夹心结构，难于实现微型化。

发明内容

本发明是为了解决现有压电驱动器的驱动方法在具备快速、大行程响应能力的同时，难于兼具高精度、纳米尺度定位功能这一突出问题，本发明提供了一种多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法。

多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法，该方法是基于多足旋转压电驱动器实现的，所述的多足旋转压电驱动器包括压电振子、转子、基座、蝶形弹簧推力轴承和预紧螺母；

压电振子包括n个基梁和4n片压电陶瓷，n个基梁沿圆周方向均匀分布，n为大于或等于2的正整数，

每个基梁的四个侧面分别固定有一片压电陶瓷，每个基梁末端均设置有一个变幅杆，且该变幅杆在远离基梁的方向上，为截面逐渐变细的块体，变幅杆的小端设置有驱动足；

每两个相邻的基梁之间均固定有法兰，且法兰和基梁侧面之间通过弹性梁固定连接；

转子上下两个表面中心位置均设置有输出轴，转子下表面输出轴通过轴承与基座转动连接，压电振子套在输出轴的外侧，并通过法兰与基座固定连接，转子的下端外圆周面与驱动足接触；转子下表面输出轴的末端套装有蝶形弹簧，并旋合有预紧螺母，在蝶形弹簧与预紧螺母之间设置有推力轴承，且蝶形弹簧位于基座的下方；

所述压电陶瓷均沿厚度方向极化，每个基梁前、后表面设置的压电陶瓷片的极化方向相同，每个基梁上、下表面设置的压电陶瓷片的极化方向相同，

4n片压电陶瓷分为两组进行激励，所有基梁前、后表面设置的压电陶瓷为第一组弯振压电陶瓷，所有基梁上、下表面设置的压电陶瓷为第二组弯振压电陶瓷，

所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法根据目标输出位移选择下述三种激励模式之一、两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出；三种激励模式分别为：

第一种为交流连续激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷分别施加在时间上具有90度相位差的两相连续交流激励电压，以实现基梁两个正交弯曲振动的复合激励，从而在驱动足处产生持续的椭圆轨迹的振动，该振动能够驱动转子实现大推力、大位移、快速、连续的运动输出，所述大位移指位移大小不受限制；

第二种为脉冲步进激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷分别施加在时间上具有90度相位差的两相脉冲激励电压，以实现基梁两个正交弯曲振动的脉冲式复合激励，从而在驱动足处产生间歇性的椭圆轨迹的振动，该振动能够驱动转子实现微米尺度分辨力、低速、断续的步进输出；

第三种为直流微驱动模式，该激励模式给一组弯振压电陶瓷施加直流电压，另一组弯振压电陶瓷为悬空状态，实现基梁单方向的弯曲变形，从而在驱动足处产生单一方向的位移输出，该位移输出能够驱动转子实现纳米尺度分辨力、微米尺度行程的输出，通过调整直流电压幅值实现转子输出位移的精确调整。

所述n个基梁、n个变幅杆、n个驱动足、n个法兰和n个弹性梁为一体件。

多足旋转压电驱动器，它还包括保护罩，所述保护罩的下端面固定在基座上。

所述的直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移高于脉冲步进激励模式下获得的驱动足最佳分辨力。

当目标输出位移小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，该最大位移为微米量级，驱动器直接进入直流微驱动模式，实现精确定位。

当目标输出位移高于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移且不高于毫米量级时，则驱动器首先进入脉冲步进激励模式，直至该激励模式输出位移与目标位移之间差值低于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。

当驱动器目标输出位移为数十毫米量级以上时，则驱动器首先采用交流连续激励模式；在实际输出位移未达到目标输出位移时，每一个设定采样周期采集一次当前实际输出位移；再计算当前实际输出位移与目标输出位移的差值，并采用下述方法之一实现最终精确定位：

方法一：若交流连续激励模式下实际输出位移与目标位移之间的差值小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，则驱动器直接转换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位；

方法二：若交流连续激励模式下实际输出位移与目标位移差值大于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，则驱动器首先切换至脉冲步进激励模式，实现步进调整，直至脉冲步进激励模式下实际输出位移与目标位移之间差值小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足最大输出位移时，再切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。

所述交流连续激励模式和脉冲步进激励模式下所施加的电压波形为正弦波、方波、三角波或者梯形波。

本发明所述多足旋转压电驱动器在交流连续激励模式下两组弯振压电陶瓷所施加的两相连续交流激励电压的示意图，具体参见图3；本发明所述多足旋转压电驱动器在脉冲步进激励模式下两组弯振压电陶瓷所施加的两相脉冲激励电压的示意图，具体参见图4；本发明所述多足旋转压电驱动器在直流微驱动模式下两组弯振压电陶瓷所施加的直流电压的示意图，具体参见图5。

本发明的多足旋转压电驱动器通过交流连续激励模式、脉冲步进激励模式、直流微驱动模式的组合应用，使得压电驱动器不仅具备快速、大行程响应能力，同时具备高精度、纳米尺度定位功能，最终实现真正的跨尺度、超精密驱动，该方法广泛适用于驱动各种利用弯曲振动模态复合实现致动的压电驱动器。

附图说明

图1为本发明所述的多足旋转压电驱动器剖视图；

图2是当n的取值为2时，本发明所述多足旋转压电驱动器中压电振子的立体结构示意图；

图3是本发明所述多足旋转压电驱动器在交流连续激励模式下两组弯振压电陶瓷所施加的两相连续交流激励电压的示意图；

图4是本发明所述多足旋转压电驱动器在脉冲步进激励模式下两组弯振压电陶瓷所施加的两相脉冲激励电压的示意图；

图5是本发明所述多足旋转压电驱动器在直流微驱动模式下两组弯振压电陶瓷所施加的直流电压的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法，该方法是基于多足旋转压电驱动器实现的，所述的多足旋转压电驱动器包括压电振子1、转子2、基座3、蝶形弹簧5、推力轴承6和预紧螺母7；

压电振子1包括n个基梁1-1和4n片压电陶瓷1-2，n个基梁1-1沿圆周方向均匀分布，n为大于或等于2的正整数，

每个基梁1-1的四个侧面分别固定有一片压电陶瓷1-2，每个基梁1-1末端均设置有一个变幅杆1-3，且该变幅杆1-3在远离基梁1-1的方向上，为截面逐渐变细的块体，变幅杆1-3的小端设置有驱动足1-4；

每两个相邻的基梁1-1之间均固定有法兰1-5，且法兰1-5和基梁1-1侧面之间通过弹性梁1-6固定连接；

转子2上下两个表面中心位置均设置有输出轴2-1，转子2下表面输出轴2-1通过轴承4与基座3转动连接，压电振子1套在输出轴2-1的外侧，并通过法兰1-5与基座3固定连接，转子2的下端外圆周面与驱动足1-4接触；转子2下表面输出轴2-1的末端套装有蝶形弹簧5，并旋合有预紧螺母7，在蝶形弹簧5与预紧螺母7之间设置有推力轴承6，且蝶形弹簧5位于基座3的下方；

所述压电陶瓷1-2均沿厚度方向极化，每个基梁1-1前、后表面设置的压电陶瓷1-2片的极化方向相同，每个基梁1-1上、下表面设置的压电陶瓷1-2片的极化方向相同，

4n片压电陶瓷1-2分为两组进行激励，所有基梁1-1前、后表面设置的压电陶瓷1-2为第一组弯振压电陶瓷，所有基梁1-1上、下表面设置的压电陶瓷1-2为第二组弯振压电陶瓷，

所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法根据目标输出位移选择下述三种激励模式之一、两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出；三种激励模式分别为：

第一种为交流连续激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷分别施加在时间上具有90度相位差的两相连续交流激励电压，以实现基梁1-1两个正交弯曲振动的复合激励，从而在驱动足1-4处产生持续的椭圆轨迹的振动，该振动能够驱动转子2实现大推力、大位移、快速、连续的运动输出，所述大位移指位移大小不受限制；

第二种为脉冲步进激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷分别施加在时间上具有90度相位差的两相脉冲激励电压，以实现基梁1-1两个正交弯曲振动的脉冲式复合激励，从而在驱动足1-4处产生间歇性的椭圆轨迹的振动，该振动能够驱动转子2实现微米尺度分辨力、低速、断续的步进输出；

第三种为直流微驱动模式，该激励模式给一组弯振压电陶瓷施加直流电压，另一组弯振压电陶瓷为悬空状态，实现基梁1-1单方向的弯曲变形，从而在驱动足1-4处产生单一方向的位移输出，该位移输出能够驱动转子实现纳米尺度分辨力、微米尺度行程的输出，通过调整直流电压幅值实现转子2输出位移的精确调整。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法的区别在于，所述n个基梁1-1、n个变幅杆1-3、n个驱动足1-4、n个法兰1-5和n个弹性梁1-6为一体件，这样可以简化加工与装配工艺。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法的区别在于，所述的多足旋转压电驱动器还包括保护罩8，所述保护罩8的下端面固定在基座3上。

本实施方式中，所述保护罩8的下端面固定在基座3上，用于对驱动器的封装与保护。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法的区别在于，所述的直流微驱动模式下获得的驱动足1-4最大输出位移高于脉冲步进激励模式下获得的驱动足1-4最佳分辨力，这样可以保证两种激励模式可以实现有效的衔接与互补。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法的区别在于，当目标输出位移小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足1-4最大输出位移时，该最大位移为微米量级，驱动器直接进入直流微驱动模式，实现精确定位。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法的区别在于，当目标输出位移高于直流微驱动模式下获得的驱动足1-4最大输出位移且不高于毫米量级时，则驱动器首先进入脉冲步进激励模式，直至该激励模式输出位移与目标位移之间差值低于直流微驱动模式下获得的驱动足1-4最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法的区别在于，当驱动器目标输出位移为数十毫米量级以上时，则驱动器首先采用交流连续激励模式；在实际输出位移未达到目标输出位移时，每一个设定采样周期采集一次当前实际输出位移；再计算当前实际输出位移与目标输出位移的差值，并采用下述方法之一实现最终精确定位：

方法一：若交流连续激励模式下实际输出位移与目标位移之间的差值小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足1-4最大输出位移时，则驱动器直接转换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位；

方法二：若交流连续激励模式下实际输出位移与目标位移差值大于直流微驱动模式下获得的驱动足1-4最大输出位移时，则驱动器首先切换至脉冲步进激励模式，实现步进调整，直至脉冲步进激励模式下实际输出位移与目标位移之间差值小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足1-4最大输出位移时，再切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法的区别在于，所述交流连续激励模式和脉冲步进激励模式下所施加的电压波形为正弦波、方波、三角波或者梯形波。

Claims (8)

1.基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法，其特征在于，该方法是基于多足旋转压电驱动器实现的，所述的多足旋转压电驱动器包括压电振子(1)、转子(2)、基座(3)、蝶形弹簧(5)、推力轴承(6)和预紧螺母(7)；

压电振子(1)包括n个基梁(1-1)和4n片压电陶瓷(1-2)，n个基梁(1-1)沿圆周方向均匀分布，n为大于或等于2的正整数，

每个基梁(1-1)的四个侧面分别固定有一片压电陶瓷(1-2)，每个基梁(1-1)末端均设置有一个变幅杆(1-3)，且该变幅杆(1-3)在远离基梁(1-1)的方向上，为截面逐渐变细的块体，变幅杆(1-3)的小端设置有驱动足(1-4)；

每两个相邻的基梁(1-1)之间均固定有法兰(1-5)，且法兰(1-5)和基梁(1-1)侧面之间通过弹性梁(1-6)固定连接；

转子(2)上下两个表面中心位置均设置有输出轴(2-1)，转子(2)下表面输出轴(2-1)通过轴承(4)与基座(3)转动连接，压电振子(1)套在输出轴(2-1)的外侧，并通过法兰(1-5)与基座(3)固定连接，转子(2)的下端外圆周面与驱动足(1-4)接触；转子(2)下表面输出轴(2-1)的末端套装有蝶形弹簧(5)，并旋合有预紧螺母(7)，在蝶形弹簧(5)与预紧螺母(7)之间设置有推力轴承(6)，且蝶形弹簧(5)位于基座(3)的下方；

所述压电陶瓷(1-2)均沿厚度方向极化，每个基梁(1-1)前、后表面设置的压电陶瓷(1-2)片的极化方向相同，每个基梁(1-1)上、下表面设置的压电陶瓷(1-2)片的极化方向相同，

4n片压电陶瓷(1-2)分为两组进行激励，所有基梁(1-1)前、后表面设置的压电陶瓷(1-2)为第一组弯振压电陶瓷，所有基梁(1-1)上、下表面设置的压电陶瓷(1-2)为第二组弯振压电陶瓷，

所述的多足旋转压电驱动器及其实现跨尺度驱动的激励方法根据目标输出位移选择下述三种激励模式之一、两种激励模式的组合或者三种激励模式的组合来实现不同位移尺度的输出；三种激励模式分别为：

第一种为交流连续激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷分别施加在时间上具有90度相位差的两相连续交流激励电压，以实现基梁(1-1)两个正交弯曲振动的复合激励，从而在驱动足(1-4)处产生持续的椭圆轨迹的振动，该振动能够驱动转子(2)实现大推力、大位移、快速、连续的运动输出，所述大位移指位移大小不受限制；

第二种为脉冲步进激励模式，该激励模式给两组弯振压电陶瓷分别施加在时间上具有90度相位差的两相脉冲激励电压，以实现基梁(1-1)两个正交弯曲振动的脉冲式复合激励，从而在驱动足(1-4)处产生间歇性的椭圆轨迹的振动，该振动能够驱动转子(2)实现微米尺度分辨力、低速、断续的步进输出；

第三种为直流微驱动模式，该激励模式给一组弯振压电陶瓷施加直流电压，另一组弯振压电陶瓷为悬空状态，实现基梁(1-1)单方向的弯曲变形，从而在驱动足(1-4)处产生单一方向的位移输出，该位移输出能够驱动转子实现纳米尺度分辨力、微米尺度行程的输出，通过调整直流电压幅值实现转子(2)输出位移的精确调整。

2.根据权利要求1所述的基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法，其特征在于，所述n个基梁(1-1)、n个变幅杆(1-3)、n个驱动足(1-4)、n个法兰(1-5)和n个弹性梁(1-6)为一体件。

3.根据权利要求2所述的基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法，其特征在于，所述的多足旋转压电驱动器还包括保护罩(8)，所述保护罩(8)的下端面固定在基座(3)上。

4.根据权利要求1所述的基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法，其特征在于，所述的直流微驱动模式下获得的驱动足(1-4)最大输出位移高于脉冲步进激励模式下获得的驱动足(1-4)最佳分辨力。

5.根据权利要求1所述的基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法，其特征在于，当目标输出位移小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足(1-4)最大输出位移时，该最大位移为微米量级，驱动器直接进入直流微驱动模式，实现精确定位。

6.根据权利要求1所述的基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法，其特征在于，当目标输出位移高于直流微驱动模式下获得的驱动足(1-4)最大输出位移且不高于毫米量级时，则驱动器首先进入脉冲步进激励模式，直至该激励模式输出位移与目标位移之间差值低于直流微驱动模式下获得的驱动足(1-4)最大输出位移时，驱动器切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。

7.根据权利要求1所述的基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法，其特征在于，当驱动器目标输出位移为数十毫米量级以上时，则驱动器首先采用交流连续激励模式；在实际输出位移未达到目标输出位移时，每一个设定采样周期采集一次当前实际输出位移；再计算当前实际输出位移与目标输出位移的差值，并采用下述方法之一实现最终精确定位：

方法一：若交流连续激励模式下实际输出位移与目标位移之间的差值小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足(1-4)最大输出位移时，则驱动器直接转换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位；

方法二：若交流连续激励模式下实际输出位移与目标位移差值大于直流微驱动模式下获得的驱动足(1-4)最大输出位移时，则驱动器首先切换至脉冲步进激励模式，实现步进调整，直至脉冲步进激励模式下实际输出位移与目标位移之间差值小于或等于直流微驱动模式下获得的驱动足(1-4)最大输出位移时，再切换至直流微驱动模式，实现最终的精确定位。

8.根据权利要求1到7中任意一项所述的基于多足旋转压电驱动器实现的跨尺度驱动激励方法，其特征在于，所述交流连续激励模式和脉冲步进激励模式下所施加的电压波形为正弦波、方波、三角波或者梯形波。