CN105634328B - 旋转型行波压电作动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转型行波压电作动器及其控制方法，所述压电作动器包含定子和球形转子；定子包含圆环结构、两根横梁和4片压电薄膜；两根横梁的一端均与所述圆环结构的外侧壁固定相连，且轴线均指向所述圆环结构的圆心；4片压电薄膜分别对称设置在所述两根横梁的上下表面；球形转子设置在圆环结构的内圆环上；两根横梁的轴线之间的夹角为K×90°/n，其中n为圆环结构面外振动的阶数，K为预先设置的奇数；压电薄膜沿厚度方向极化，并且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反。本发明通过施加驱动信号在4片压电薄膜上来激励圆环结构产生行波来驱动球形转子进行双向转动，具有结构简单、紧凑、易于微型化等优点。

Description

旋转型行波压电作动器及其控制方法

技术领域

本发明涉及压电精密致动技术领域，尤其涉及一种旋转型行波压电作动器及其控制方法。

背景技术

压电作动器是最近三十年才发展起来的一种全新概念的新型驱动装置。它利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动方式转换成转子或动子的旋转或者直线运动。压电作动器发展至今，已经取得了丰硕成果。部分压电作动器已经在航空航天、武器、生物医学、光学、机器人等领域应用并商业化，特别值得一提的是旋转型行波压电作动器，由于其定位精度高，响应时间短，已经应用在Canon公司照相机上AF镜头上的聚焦系统。

但是由于传统的旋转型行波压电作动器的结构相对复杂、控制难度高，同时难以将结构进行微型化设计。针对已提出的旋转型行波压电作动器存在的问题，本发明提出的旋转型行波压电作动器具有结构简单、紧凑、易于微型化等特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中涉及到的缺陷，提供一种成本低、效率高、结构简单、紧凑、易于微型化、响应时间短、定位精度高的旋转型行波压电作动器，并提供其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

旋转型行波压电作动器，包含定子和球形转子，所述定子包含圆环结构、两根横梁和4片压电薄膜；

所述两根横梁的一端均与所述圆环结构的外侧壁固定相连，且两根横梁的轴线均指向所述圆环结构的圆心；

所述4片压电薄膜分别对称设置在所述两根横梁的上下表面；

所述球形转子设置在圆环结构的内圆环上；

所述两根横梁的轴线之间的夹角为K×90°/n，其中n为圆环结构面外振动的阶数，K为预先设置的奇数；

所述的压电薄膜沿厚度方向极化，并且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反。

作为本发明旋转型行波压电作动器进一步的优化方案，所述的压电薄膜通过镀层的方式设置在横梁上。

本发明还公开了基于该旋转型行波压电作动器的控制方法，包含以下具体步骤：

当需要驱动球形转子进行正向转动时，对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压电薄膜上的电信号具有π/2相位差，将激励定子产生A相模态（其中两根横梁呈现弯曲振动，圆环结构呈现两相具有π/2相位差的n阶面外弯曲振动），并且在圆环结构上耦合形成绕周向进行正向旋转的行波，通过摩擦作用驱动球形转子正向转动；

当需要驱动球形转子进行反向转动时，对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压电薄膜上的电信号具有-π/2相位差，将激励定子产生B相模态（其中两根横梁呈现弯曲振动，圆环结构呈现两相具有-π/2相位差的n阶面外弯曲振动），并且在圆环结构上耦合形成绕周向进行反向旋转的行波，通过摩擦作用驱动球形转子反向转动。

本发明旋转型行波压电作动器具有结构简单、紧凑、易于微型化、制作成本低的优点。

附图说明

图1是旋转型行波压电作动器整体结构示意图；

图2是定子结构示意图；

图3是横梁结构角度设计示意图；

图4是压电薄膜的极化方式和激励信号施加方式示意图；

图5是本发明工作模态A的振型图；

图6是本发明工作模态B的振型图。

图中，1-球形转子，2-横梁，3-压电薄膜，4-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：

本发明的一种旋转型行波压电作动器，如图1所示，包含定子和球形转子。定子包含圆环结构、两根横梁和4片压电薄膜，两根横梁的一端均与所述圆环结构的外侧壁固定相连，且两根横梁的轴线均指向所述圆环结构的圆心。

如图2所示，4片压电薄膜分别对称设置在所述两根横梁的上下表面；球形转子设置在圆环结构的内圆环上。

两根横梁的轴线之间的夹角为K×90°/n，其中n为圆环结构面外振动的阶数，K为预先设置的奇数，如图3所示。

压电薄膜沿厚度方向极化，并且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反，如图4所示。

压电薄膜可通过镀层的方式生长在横梁上，可实现整个定子结构的微型化。

对单根横梁上下表面的压电薄膜分别施加具有π相位差的两相电信号，可以激发出横梁的弯曲振动和圆环结构的n阶面外弯曲振动模态。

当两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差时，分别激发出圆环结构产生两相n阶面外弯曲振动模态，即在圆环上激励出两相在空间上具有π/2相位差的两个同频同形的驻波，从而在圆环上耦合出沿周向行进的行波，并通过摩擦作用驱动球形转子转动，令此时球形转子的转动方向为正向。

当两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差时，分别激发出圆环结构产生两相n阶面外弯曲振动模态，即在圆环上激励出两相在空间上具有-π/2相位差的两个同频同形的驻波，球形转子的转动将反向。

采用图4所示的激励方式，以圆环结构的三阶面外振动模态为例说明旋转型行波压电作动器的工作机理，其中两根横梁的夹角K×90°/n取150°为例。当对左侧横梁的上下两片压电薄膜分别施加sin(ωt)和-sin(ωt)的电压激励信号时，将会激励出定子的A相工作模态，其中横梁呈现弯曲振动，圆环结构呈现3阶面外振动，如图5所示；当对右侧横梁上下表面的压电薄膜分别施加cos(ωt) 和 -cos(ωt)的电压激励信号时，将会激励出定子的B相工作模态，其中横梁呈现弯曲振动，圆环结构呈现另外一个3阶面外振动，在空间上与A相模态下的圆环结构的振型存在π/2的空间相位差，如图6所示；由于两根横梁上表面的压电薄膜施加的电信号在时间上相差π/2，因此两个3阶面外振动在圆环结构上耦合出绕周向行进的行波；由球形转子的重力提供预压力，因此通过摩擦作用驱动球形转子转动。若两根横梁上表面的压电薄膜施加的电信号在时间上相差-π/2，球形转子将反向转动。

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 (3)

1.旋转型行波压电作动器，包含定子和球形转子（1），其特征在于：

所述定子包含圆环结构（4）、两根横梁（2）和4片压电薄膜（3）；

所述两根横梁（2）的一端均与所述圆环结构（4）的外侧壁固定相连，且两根横梁（2）的轴线均指向所述圆环结构（4）的圆心；

所述4片压电薄膜（3）分别对称设置在所述两根横梁（2）的上下表面；

所述球形转子（1）设置在圆环结构（4）的内圆环上；

所述两根横梁（2）的轴线之间的夹角为K×90°/n，其中n为圆环结构（4）面外振动的阶数，K为预先设置的奇数；

所述压电薄膜（3）沿厚度方向极化，并且两根横梁（2）上下表面设置的压电薄膜（3）的极化方向相反。

2.根据权利要求1所述的旋转型行波压电作动器，其特征在于：所述压电薄膜（3）通过镀层的方式设置在横梁（2）上。

3.基于权利要求1所述的旋转型行波压电作动器的控制方法，其特征在于，包含以下具体步骤：

当需要驱动球形转子（1）进行正向转动时，对两根横梁（2）上下表面的压电薄膜（3）分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁（2）上表面压电薄膜（3）上的电信号具有π/2相位差；

当需要驱动球形转子（1）进行反向转动时，对两根横梁（2）上下表面的压电薄膜（3）分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁（2）上表面压电薄膜（3）上的电信号具有-π/2相位差。