CN105553329B - 一种具有偏置压电振子的惯性压电旋转驱动器 - Google Patents

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陈康
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Abstract

本发明涉及一种具有偏置压电振子的惯性压电旋转驱动器，属于压电精密驱动技术领域。质量块通过螺栓分别固定在压电双晶片一、压电双晶片二的自由端部，该压电双晶片一、压电双晶片二夹持端分别通过螺栓和夹持条固接在L型夹持块上，且夹持条和L型夹持块夹持部分尺寸一样，L型夹持块通过螺栓固连在驱动器旋转主体块上，主体块与旋转轴过盈配合，指针固结在轴顶部，轴承过盈配合连接在旋转轴下端，轴承外圈过盈连接在底板上。优点是结构新颖，采用偏置布置、无夹持差夹持的压电双晶片作为驱动源，配合对称电信号和对称的摩擦力，略去了复杂的电路系统，也优化了非对称夹持差结构不可控的夹持差调节方式。

Description

一种具有偏置压电振子的惯性压电旋转驱动器
技术领域
本发明属于压电精密驱动技术领域，涉及一种具有偏置压电振子的惯性压电旋转驱动器。
背景技术
随着科技的高速发展与社会的不断进步，各类机械产品呈现出“巨型化”和“微型化”的两极发展趋势。在微型化发展方向上，由于各种产品的不断研发和应用，对微纳米级的定位、测量和控制技术均提出了更高的要求，其中，压电型精密驱动器凭借其分辨率高、频率响应好、单位面积输出能量高、无电磁干扰、可微小化、易于实现一体化闭环控制等特点，逐渐成为国内外科研机构的研究热点，并在各领域得到了广泛应用。
惯性式压电驱动器作为众多压电驱动器中的一类，主要采用非对称的机械夹持结构、非对称的驱动信号或非对称的摩擦力为控制方式，通过惯性冲击运动形成驱动。
机械结构控制式惯性压电驱动器，通常采用非对称机械夹持结构和对称驱动信号共同作用产生的非对称驱动力作为动力源，匹配对称摩擦力实现驱动，并且其压电双晶片的布置不存在偏置距离，以旋转型驱动器为例，其两个压电双晶片关于旋转轴轴心线对称布置，不存在所述的偏置距离，驱动信号和运动实现过程如图1a～图le所示。在对称信号(例如方波)的一个激励周期内，驱动器的运动过程主要分为四个阶段：①驱动器不受信号时保持原始状态，无运动；②驱动信号0-a上升阶段，压电双晶片向长夹持侧变形，产生大于摩擦力的较小驱动力，使驱动器旋转主体向逆时针后退一小步θ1，驱动信号a-b稳定阶段，压电双晶片不变形，不产生驱动力和运动；③驱动信号b-c下降阶段，压电双晶片向短夹持侧变形，产生大于摩擦力的较大驱动力，使驱动器旋转主体向顺时针前进一大步θ2，驱动信号c-d稳定阶段，压电双晶片不变形，不产生驱动力和运动；④驱动信号d-e上升阶段，压电双晶片恢复未变形状态。综上，在一个激励信号周期内，驱动器前进一步Δθ＝θ2-θ1。在周期性信号激励下，驱动器将不断重复上述运动过程，最终实现连续的顺时针转动。该类压电驱动器从机械结构控制理念出发，采用非对称结构夹持生成驱动力，相较于信号控制式、摩擦控制式压电精密驱动器而言，不仅巧妙地简化了复杂的电路控制系统，而且降低了高精度摩擦控制方法的要求，从而使得此类驱动器的研究拥有较为宽松和理想的设计环境。
信号控制式惯性压电驱动器，采用非对称的驱动信号作为动力源，并匹配前进和后退方向上对称(数值相等)的摩擦力实现驱动。该类驱动器由于需要建立相对复杂和精密的信号控制系统，会对驱动器整机的微小化和集成化带来一定难度。
摩擦控制式惯性压电精密驱动器采用对称的驱动信号和机械夹持结构共同作用产生的驱动力作为动力源，通过前进与后退方向上非对称的摩擦力实现驱动，由于摩擦力是非线性的，与接触面情况和驱动器运动参数等相关，计算和建模复杂，因此，为保证较好的工作性能，该类驱动器对摩擦控制方法与摩擦接触表面精度提出了更高的要求。
发明内容
本发明提供一种具有偏置压电振子的惯性压电旋转驱动器，以解决存在的信号控制式驱动器电控系统复杂、摩擦控制式摩擦精度控制要求高的问题。
本发明采取的技术方案是：质量块通过螺栓分别固定在压电双晶片一、压电双晶片二的自由端部，该压电双晶片一、压电双晶片二夹持端分别通过螺栓和夹持条固接在L型夹持块上，且夹持条和L型夹持块夹持部分尺寸一样，L型夹持块通过螺栓固连在驱动器旋转主体块上，主体块与旋转轴过盈配合，指针固结在轴顶部，轴承过盈配合连接在旋转轴下端，轴承外圈过盈连接在底板上。
本发明所述压电双晶片一、压电双晶片二夹持端所在平面关于驱动器旋转轴轴心线存在偏置距离。
本发明所述压电双晶片一、压电双晶片二平行分布在驱动器主体块两侧，压电双晶片一、压电双晶片二各自夹持端所在平面相平行，且两者平面不经过驱动器旋转轴轴心线。
本发明的优点是结构新颖，采用偏置布置、无夹持差夹持的压电双晶片作为驱动源，配合对称电信号和对称的摩擦力，略去了复杂的电路系统，也优化了非对称夹持差结构不可控的夹持差调节方式。
附图说明
图1a是现有技术中一种利用非对称夹持差机械结构的惯性压电驱动器的不受信号时保持原始状态，无运动示意图；
图1b是现有技术中一种利用非对称夹持差机械结构的惯性压电驱动器的驱动信号0-a上升阶段运动示意图；
图1c是现有技术中一种利用非对称夹持差机械结构的惯性压电驱动器的驱动信号b-c下降阶段运动示意图；
图1d是现有技术中一种利用非对称夹持差机械结构的惯性压电驱动器的驱动信号d-e上升阶段运动示意图；
图1e是现有技术中一种利用非对称夹持差机械结构的惯性压电驱动器对称信号以方波为例的波形图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的旋转主体的结构示意图；
图4是本发明的单个压电振子受力分析图；
图5a是本发明初始状态图；
图5b是本发明当其驱动电信号由0-a的驱动示意图；
图5c是本发明当其驱动电信号由c-d的驱动示意图；
图5d是本发明在一个周期性电信号激励下，逆时针方向旋转一小步Δβ时的示意图。
具体实施方式
质量块5通过螺栓6分别固定在压电双晶片一11、压电双晶片二13的自由端部，该压电双晶片一11、压电双晶片二13夹持端分别通过螺栓4和夹持条12固接在L型夹持块10上，且夹持条12和L型夹持块10夹持部分尺寸一样，即不存在夹持差，L型夹持块10通过螺栓3固连在驱动器旋转主体块9上，主体块9与旋转轴8过盈配合，指针7固结在轴8顶部，用于观测驱动器的运动，轴承1过盈配合连接在旋转轴8下端，轴承外圈过盈连接在底板2上。
本发明所述压电双晶片一11、压电双晶片二13夹持端所在平面关于驱动器旋转轴8轴心线存在偏置距离。
本发明所述压电双晶片一11、压电双晶片二13平行分布在驱动器主体块9两侧，压电双晶片一11、压电双晶片二13各自夹持端所在平面相平行，且两者平面不经过驱动器旋转轴8轴心线。
如图3所示，本驱动器在装配时，需保持竖直方向固定的L形夹持块10上表面所在平面与主体块8上表面所在平面重合，以保证压电振子竖直方向布置。
如图4所示，当驱动器在对称电信号作用而压电振子朝下端运动时，振子所受合力标记为F1，方向垂直于端部往上，将合力平移至C点，得到M1和F’1，做出F’1距旋转轴轴心的力臂，记为l1，则驱动器所受总的驱动力矩为M1与F’1对O点力矩之和；当压电振子朝上端运动时，振子所受合力标记为F2，方向垂直于振子端部往下，将合力平移至C点，得到M2和F’2，做出F’2的力臂，记为l2，则驱动器所受总的驱动力矩为M2与F’2对O点力矩之和。由于不存在夹持差，上下端运动的驱动力F1和F2可认为是大小相同的，显然l1>l2，则驱动器在下端产生的总驱动力矩将大于上端的驱动力矩，因而，驱动器将实现逆时针方向定向旋转运动。
工作方式：
如图5所示，在图1e中的对称方波信号作用下，当其驱动电压由0-a变化时，压电双晶片逆时针方向快速变形，由于此时驱动力臂较小，产生较小的驱动力，如果其驱动力大于所受摩擦力，则驱动器将顺时针方向旋转一步β1；当电信号在a-b稳定阶段时，驱动器将保持变形无额外运动；当驱动信号c-d变化时，压电双晶片顺时针方向快速变形，由于此时驱动力臂较大，将产生较大的驱动力，促使驱动器产生更大的角度β2；当电信号由d-e时，双晶片恢复至不变形状态。最终，在一个周期性电信号激励下，驱动器将逆时针方向旋转一小步Δβ。若驱动器在周期性方波信号激励下，将产生逆时针的定向旋转运动。

Claims (1)

1.一种具有偏置压电振子的惯性压电旋转驱动器，其特征在于：质量块通过螺栓分别固定在压电双晶片一、压电双晶片二的自由端部，所述压电双晶片一、压电双晶片二各自夹持端上的压电双晶片夹持面平面与驱动器旋转轴轴心线平行，两夹持面平面关于驱动器旋转轴轴心线存在偏置距离，所述压电双晶片一、压电双晶片二平行分布在驱动器主体块两侧，压电双晶片一、压电双晶片二各自夹持端上的压电双晶片夹持面平面相平行，且两夹持面平面不经过驱动器旋转轴轴心线，该压电双晶片一、压电双晶片二夹持端分别通过螺栓和夹持条固接在L型夹持块上，且夹持条和L型夹持块夹持部分尺寸一样，L型夹持块通过螺栓固连在驱动器旋转主体块上，主体块与旋转轴过盈配合，指针固结在轴顶部，轴承过盈配合连接在旋转轴下端，轴承外圈过盈连接在底板上。
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