CN105634324B - 一种两自由度双定子球形压电作动器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两自由度双定子球形压电作动器及其控制方法，作动器包含定子和球形转子，定子包含平行且结构相同的上振子和下振子；上振子和下振子均包含圆环结构、两根横梁和四片压电薄膜，两根横梁的一端均与所述圆环结构的内侧壁固定相连、轴线均指向所述圆环结构的圆心，且两根横梁的轴线在同一直线上，四片压电薄膜分别对称设置在所述两根横梁的上下表面，沿厚度方向极化，且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反；上振子两根横梁所在的直线与下振子两根横梁所在的直线垂直；球形转子设置在四根横梁之间。通过调整上振子和下振子的模态，可以使得球形转子在两自由度上旋转。本发明结构简单、紧凑、机械集成度高并且易于微型化。
Description
技术领域
本发明涉及多自由度压电作动器技术领域，尤其涉及一种两自由度双定子球形压电作动器及其控制方法。
背景技术
多自由度压电作动器是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、转子（动子）之间的摩擦作用驱动转子（动子）在多个自由度上的回转（直线）运动的新型微特电机。多自由度压电作动器作为最近几年发展起来的一类新型超声电机，具有运动的多元化、结构简单、加工难度小等优点，颇受工程应用的欢迎，但是由于现有的多自由度压电作动器仍无法突破一些关键技术问题，存在结构冗余、尺寸过大和驱动控制不稳定等问题，无法较好地实现工程上的推广应用，特别是生物医学工程领域对于微型压电作动器的需求一直无法得到满足，因此设计可微型化的多自由度压电作动器是十分有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有多自由度压电作动器存在的技术缺陷，提供一种结构简单、易于加工、可微型化的两自由度双定子球形压电作动器及其控制方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种两自由度双定子球形压电作动器，包含定子和球形转子；
所述定子包含上振子和下振子；
所述上振子和下振子结构相同，均包含圆环结构、两根横梁和四片压电薄膜，其中，两根横梁的一端均与所述圆环结构的内侧壁固定相连、轴线均指向所述圆环结构的圆心，且两根横梁的轴线在同一直线上，四片压电薄膜分别对称设置在所述两根横梁的上下表面，沿厚度方向极化，且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反；
所述上振子和下振子平行，且上振子两根横梁所在的直线与下振子两根横梁所在的直线垂直；
所述上振子两根横梁接近圆环结构圆心的一端、以及下振子两根横梁接近圆环结构圆心的一端均与球形转子的表面相接，将球形转子固定在其包含的空间中。
作为本发明一种两自由度双定子球形压电作动器进一步的优化方案，所述上振子、下振子的圆环结构上均设有若干用于和外部固定相连的通孔。
作为本发明一种两自由度双定子球形压电作动器进一步的优化方案，所述四片压电薄膜分别设置在两根横梁上下表面振动时最大位移所在处。
作为本发明一种两自由度双定子球形压电作动器进一步的优化方案，所述上振子和下振子中的压电薄膜均通过镀层的方式设置在横梁上。
本发明还公开了一种基于该两自由度双定子球形压电作动器的控制方法，令下振子横梁所在的直线为X轴，上振子中横梁所在的直线为Y轴，控制球形转子绕X轴转动的具体方法如下：
当需要驱动球形转子绕X轴进行正向转动时：
步骤A.1）,对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有π相位差；
步骤A.2），对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号相同，同时使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差；
当需要驱动球形转子绕X轴进行反向转动时：
步骤B.1），对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有-π相位差；
步骤B.2），对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号相同，同时使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差。
作为基于该两自由度双定子球形压电作动器的控制方法进一步的优化方案，控制球形转子绕Y轴转动的具体方法如下：
当需要驱动球形转子绕Y轴进行正向转动时：
步骤C.1）,对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有π相位差；
步骤C.2），对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号相同，同时使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差；
当需要驱动球形转子绕Y轴进行反向转动时：
步骤D.1），对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有-π相位差；
步骤D.2），对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号相同，同时使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差。
本发明一种两自由度双定子球形超声电机具有结构简单、紧凑、机械集成度高并且易于微型化的优点。
附图说明
图1为本发明两自由度双定子球形压电作动器的结构示意图；
图2为本发明两自由度双定子球形压电作动器的单振子结构示意图；
图3为本发明两自由度双定子球形压电作动器的上振子上设置的压电薄膜的极化方向以及激励方式；
图4为本发明两自由度双定子球形压电作动器的下振子上设置的压电薄膜的极化方向以及激励方式；
图5为本发明两自由度双定子球形压电作动器的振子的A相振动模态；
图6为本发明两自由度双定子球形压电作动器的振子的B相振动模态。
图中，1-压电薄膜，2-上振子，3-球形转子，4-下振子，5-横梁，6-通孔，7-圆环结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了一种两自由度双定子球形压电作动器，其结构如图1所示，包含定子和球形转子，定子包含上振子和下振子。
上振子和下振子结构相同，如图2所示，上振子和下振子均包含圆环结构、两根横梁和四片压电薄膜，其中，两根横梁的一端均与所述圆环结构的内侧壁固定相连、轴线均指向所述圆环结构的圆心，且两根横梁的轴线在同一直线上，四片压电薄膜分别对称设置在所述两根横梁的上下表面，如图3和图4所示，四片压电薄膜沿厚度方向极化，且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反。
所述四片压电薄膜分别设置在两根横梁上下表面振动时最大位移所在处，通过镀层的方式设置在横梁上。
上振子和下振子平行，且上振子两根横梁所在的直线与下振子两根横梁所在的直线垂直；上振子两根横梁接近圆环结构圆心的一端、以及下振子两根横梁接近圆环结构圆心的一端均与球形转子的表面相接，将球形转子固定在其包含的空间中。
上振子、下振子的圆环结构上均设有若干用于和外部固定相连的通孔，该通孔设置在振子圆环结构的振动节点处，调节上振子、下振子之间的距离可以调整施加在球形转子与上下振子之间的预压力。
令下振子横梁所在的直线为X轴，上振子中横梁所在的直线为Y轴，控制球形转子绕X轴转动的具体方法如下：
1）,对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有π相位差；对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号相同，同时使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差。在这样的电压施加方式下，球形转子将在上、下振子的共同驱动下绕X轴旋转，并定义此旋转方向为绕X轴正向转动。
2），对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有-π相位差；对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号相同，同时使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差。在这样的电压施加方式下，球形转子将在上、下振子的共同驱动下绕X轴进行反向旋转。
控制球形转子绕Y轴转动的具体方法如下：
1）,对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有π相位差；对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号相同，同时使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差。在这样的电压施加方式下，球形转子将在上、下振子的共同驱动下绕Y轴旋转，并定义此旋转方向为绕Y轴正向转动。
2），对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有-π相位差；对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号相同，同时使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差。在这样的电压施加方式下，球形转子将在上、下振子的共同驱动下绕Y轴进行反向旋转。
本发明的压电作动器的可用工作模态有很多，不失一般性，现以上振子中两根横梁激发出一阶非对称弯振模态，在下振子中两根横梁上激发出一阶对称弯振模态为例对作动器的工作原理进行说明，压电薄膜的激励方式分别如图3和图4所示。
以sin(ωt)信号作为例子进行说明，当对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的sin(ωt)信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的sin(ωt)信号具有π相位差，即如图3所示的激励方式，因此上振子的A相工作模态被激发出，其中，两根横梁产生两相振动方向相反的一阶弯振模态，即一阶非对称弯振模态，而圆环结构呈现面内弯曲振动，如图5所示； 当对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的sin(ωt)信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的sin(ωt)信号相同，同时使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的sin(ωt)信号具有π/2相位差，即下振子两根横梁上下表面压电薄膜分别施加cos(ωt)和-cos(ωt)信号，如图4所示的激励方式，因此下振子的B相工作模态被激发出，其中，两根横梁产生两相振动方向相同的一阶弯振模态，即一阶对称弯振模态，而圆环结构呈现出面内弯曲振动，如图6所示。由于圆环结构的面内弯曲振动存在节点，因此在节点位置设置了通孔用于固定定子以及调整球形转子与定子之间的预压力。
当上、下振子的工作模态同时被激励出来时，横梁驱动球形转子的工作方式如下：在上述激励信号的0→π/2相位内，上振子的左侧横梁从平衡位置向下运动，右侧横梁从平衡位置向上运动，而下振子的两根横梁均从平衡位置向上弯曲，因此下振子施加在球形转子上的预压力不断的增加导致球形转子在上振子的两根横梁施加的不断增加的推动力的驱动下绕X轴逆时针旋转，其旋转量为Ω1；在π/2→π相位内，上振子的左侧横梁从由下向上运动至平衡位置，右侧横梁由上向下运动至平衡位置，而下振子的两根横梁均从向上向下运动至平衡位置，因此下振子施加给球形转子的预压力不断的减小导致球形转子在上振子的两根横梁施加的不断减小的推动力的驱动下绕X轴顺时针旋转，其旋转量为Ω2；在π→3π/2相位内，其运动情况与π/2→π相位内相同，旋转运动量也为Ω2；在3π/2→2π相位内，其运动情况与0→π/2相位内相同，旋转运动量也为Ω1，因此在一个激励周期内，球形转子的运动量为（2Ω2-2Ω1）；当给振子施加连续的电压信号时，球形转子将实现绕X轴的顺时针运动，结合运动原理的分析可知，当上振子左右横梁的激励信号互换时，球形转子将实现绕X轴的逆时针转动，而当上振子与下振子的激励信号互换时，球形转子将实现绕Y轴的双向转动。
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。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种两自由度双定子球形压电作动器，包含定子和球形转子（3），其特征在于：
所述定子包含上振子（2）和下振子（4）；
所述上振子（2）和下振子（4）结构相同，均包含圆环结构（7）、两根横梁（5）和四片压电薄膜（1），其中，两根横梁（5）的一端均与所述圆环结构的内侧壁固定相连、轴线均指向所述圆环结构（7）的圆心，且两根横梁（5）的轴线在同一直线上，四片压电薄膜（1）分别对称设置在所述两根横梁（5）的上下表面，沿厚度方向极化，且两根横梁（5）上下表面设置的压电薄膜（1）的极化方向相反；
所述上振子（2）和下振子（4）平行，且上振子（2）两根横梁（5）所在的直线与下振子（4）两根横梁（5）所在的直线垂直；
所述上振子（2）两根横梁（5）接近圆环结构（7）圆心的一端、以及下振子（4）两根横梁（5）接近圆环结构（7）圆心的一端均与球形转子（3）的表面相接，将球形转子（3）固定在其包含的空间中。
2.根据权利要求1所述的两自由度双定子球形压电作动器，其特征在于，所述上振子（2）、下振子（4）的圆环结构（7）上均设有若干用于和外部固定相连的通孔。
3.根据权利要求1所述的两自由度双定子球形压电作动器，其特征在于，所述四片压电薄膜（1）分别设置在两根横梁（5）上下表面振动时最大位移所在处。
4.根据权利要求1所述的两自由度双定子球形压电作动器，其特征在于，所述上振子（2）和下振子（4）中的压电薄膜（1）均通过镀层的方式设置在横梁（5）上。
5.基于权利要求1所述的两自由度双定子球形压电作动器的控制方法，令下振子（4）横梁所在的直线为X轴，上振子（2）中横梁所在的直线为Y轴，其特征在于，控制球形转子（2）绕X轴转动的具体方法如下：
当需要驱动球形转子（3）绕X轴进行正向转动时：
步骤A.1）,对上振子（2）两根横梁（5）上下表面的压电薄膜（1）分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁（5）上表面的压电薄膜（1）上的电信号具有π相位差；
步骤A.2），对下振子（4）两根横梁（5）上下表面的压电薄膜（1）分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜（1）上的电信号相同，同时使得该电信号与上振子两根横梁（5）上表面压电薄膜（1）上施加的电信号具有π/2相位差；
当需要驱动球形转子（3）绕X轴进行反向转动时：
步骤B.1），对上振子（2）两根横梁（5）上下表面的压电薄膜（1）分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁（5）上表面的压电薄膜（1）上的电信号具有-π相位差；
步骤B.2），对下振子（4）两根横梁（5）上下表面的压电薄膜（1）分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜（1）上的电信号相同，同时使得该电信号与上振子两根横梁（5）上表面压电薄膜（1）上施加的电信号具有-π/2相位差。
6.基于权利要求5所述的两自由度双定子球形压电作动器的控制方法，其特征在于，控制球形转子（2）绕Y轴转动的具体方法如下：
当需要驱动球形转子（3）绕Y轴进行正向转动时：
步骤C.1）,对下振子（4）两根横梁（5）上下表面的压电薄膜（1）分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁（5）上表面的压电薄膜（1）上的电信号具有π相位差；
步骤C.2），对上振子（2）两根横梁（5）上下表面的压电薄膜（1）分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜（1）上的电信号相同，同时使得该电信号与下振子两根横梁（5）上表面压电薄膜（1）上施加的电信号具有π/2相位差；
当需要驱动球形转子（3）绕Y轴进行反向转动时：
步骤D.1），对下振子（4）两根横梁（5）上下表面的压电薄膜（1）分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁（5）上表面的压电薄膜（1）上的电信号具有-π相位差；
步骤D.2），对上振子（2）两根横梁（5）上下表面的压电薄膜（1）分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜（1）上的电信号相同，同时使得该电信号与下振子两根横梁（5）上表面压电薄膜（1）上施加的电信号具有-π/2相位差。
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