CN108400722B - 一种两自由度压电驱动装置及其激励方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种两自由度压电驱动装置及其激励方法，属于压电驱动领域。本发明的两自由度压电驱动装置，结构包括四组完全相同的压电梁、一个基体、一个驱动足基座和一个驱动足，结构简单，易于制造。压电梁结构包括两片压电陶瓷片和一片金属基板。在电压激励信号施加在压电梁上时，压电梁可以实现沿其厚度方向的弯曲运动。通过设计四组压电梁的电压激励信号，控制它们弯曲运动的方向和时序，激励驱动足实现两自由度摆动，进一步利用摩擦力作为驱动力，驱动动子实现两自由度运动。本发明的两自由度压电驱动装置具有结构简单、成本低、位移分辨率高和行程大等优点，在超精密驱动、定位等领域有着广阔的应用前景。

Description

一种两自由度压电驱动装置及其激励方法
技术领域
本发明属于压电驱动技术领域，特别是涉及一种两自由度压电驱动装置及其激励方法。
背景技术
近年来，两自由度精密驱动装置在生物医疗、光学扫描、高精度智能加工等领域扮演着越来越重要的角色，它们被要求具有高位移分辨率、结构简单、大行程等特点。压电驱动技术利用逆压电效应将电能转换为机械能实现驱动目的，该技术具有精度高、不受电磁干扰、响应快等优点；利用压电驱动技术的两自由度压电驱动装置有输出位移分辨率高、结构简单、易于实现小型化等优点，已被众多学者广泛研究。
当前的两自由度压电驱动装置主要包括串联型和并联型两类。串联型两自由度压电驱动装置利用多个单自由度压电驱动器串联的方式实现两自由度驱动，具有输出行程大、易于实现多个功能等优点，已被广泛应用于两自由度平面驱动领域；但是其利用机械串联的方式将会使单个驱动器的输出误差相互叠加，影响其输出精度，这限制了其在超精密领域的应用。并联型两自由度压电驱动装置可以克服这个问题，其利用多个压电叠堆机械并联的方式直接驱动动子实现两自由度运动，精度可以达到纳米级，已被广泛应用于光学扫描，生物医疗等领域；但是压电叠堆的输出位移仅为其自身长度的千分之一，这导致了并联型两自由度压电驱动装置输出行程特别小；此外，商用压电叠堆单价十分昂贵，这在一定程度上限制了其应用范围。
发明内容
本发明为了解决现有的两自由度压电驱动装置成本高、行程小的技术问题，提出一种两自由度压电驱动装置及其激励方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种两自由度压电驱动装置，包括四组压电梁1、驱动足基座2、驱动足3和基体4；所述的四组压电梁1包括压电梁一1-6、压电梁二1-5、压电梁三1-4和压电梁四1-3；并且四组压电梁1结构相同，所述压电梁1结构包括两片压电陶瓷片1-1和一片金属基板1-2；所述两片压电陶瓷片1-1分别位于金属基板1-2的上下表面并且所述两片压电陶瓷片1-1不完全覆盖住金属基板1-2；所述的四组压电梁1的首端与基体4的四个侧面固定连接，末端与驱动足基座2的四个侧面固定连接，其中压电梁一1-6与压电梁三1-4同轴，压电梁二1-5与压电梁四1-3同轴，压电梁一1-6与压电梁二1-5轴向垂直；所述的压电梁1施加电压激励信号时，沿其厚度方向弯曲；所述的压电陶瓷片1-1沿其厚度方向极化；所述的驱动足3置于驱动足基座2的上端，其末端与动子5接触；所述动子5为平面型、球型或圆筒型动子；当动子5为平面型动子时，可实现两自由度直线驱动；当动子5为球型动子时，可实现两自由度旋转驱动；当动子5为圆筒型动子时，可实现直线和旋转的两自由度驱动。
进一步地，所述的金属基板1-2通过在其空余处挖孔或开槽以减小其法向和切向刚度，从而增大驱动足3的摆动幅度。
进一步地，所述的驱动足基座2和基体4上设置有固定压电梁1的孔。
本发明还提出一种两自由度压电驱动装置的激励方法，所述方法用于激励两自由度压电驱动装置的驱动足3实现两自由度摆动，驱动动子5实现两自由度运动，即，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动；
驱动动子5沿X轴正向运动输出的具体过程为：
步骤一、压电梁一1-6施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿X轴正向产生位移输出；
步骤二、压电梁一1-6施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴负向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；
步骤三、重复步骤一至步骤二，可实现驱动足3对动子5沿X轴正方向的连续驱动；
驱动动子5沿X轴负向运动输出的具体过程为：
步骤四、压电梁一1-6施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿X轴负向产生位移输出；
步骤五、压电梁一1-6施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴正向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；
步骤六、重复步骤四至步骤五，可实现驱动足3对动子5沿X轴负向的连续驱动；
驱动动子5沿Y轴正向运动输出的具体过程为：
步骤七、压电梁二1-5施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿Y轴正向产生位移输出；
步骤八、压电梁二1-5施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴负向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；
步骤九、重复步骤七至步骤八，可实现驱动足3对动子5沿Y轴正向的连续驱动；
驱动动子5沿Y轴负方向运动输出的具体过程为：
步骤十、压电梁二1-5施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿Y轴负向产生位移输出；
步骤十一、压电梁二1-5施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴正向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；
步骤十二、重复步骤十至步骤十一，可实现驱动足3对动子5沿Y轴方向的连续驱动。
进一步地，所述动子5为平面型动子、球型动子或圆筒型动子。
进一步地，当动子5为平面型动子时，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：在平面型动子所在平面内，驱动平面型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动。
进一步地，当动子5为球型动子时，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动球型动子绕X轴顺时针或逆时针旋转，以及绕Y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。
进一步地，当动子5为轴线沿X轴的圆筒型动子时，驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向移动，以及绕X轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动；当动子5为轴线沿Y轴的圆筒型动子时，驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动圆筒型动子沿Y轴正向或负向移动，以及绕Y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。
进一步地，所述激励电压信号的波形为非对称三角波或非对称梯形波。
本发明的有益效果在于：本发明提出的两自由度压电驱动装置，通过并联压电梁的方式实现两自由度输出；首先，该两自由度压电驱动装置继承了并联型压电驱动装置高精度的特点，具有纳米级的位移分辨率；其次，所使用的压电梁结构简单，成本低，易于加工装配；最后，提出了该驱动装置的一种激励方法，以周期性激励信号激励该两自由度压电驱动装置，使其驱动足周期性摆动，利用摩擦力驱动动子持续运动，从而实现大行程输出。总而言之，本发明的两自由度压电驱动装置具有一般并联型两自由度压电驱动装置精度高的优点的同时，克服了其行程小的缺点，并且结构简单、成本低，这些特点将极大地拓展其应用范围，使其在超精密驱动、定位等领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1是两自由度压电驱动装置的三维示意图；
图2是两自由度压电驱动装置驱动足沿X轴正向摆动示意图；
图3是两自由度压电驱动装置驱动足沿X轴负向摆动示意图；
图4是两自由度压电驱动装置驱动足沿Y轴正向摆动示意图；
图5是两自由度压电驱动装置驱动足沿Y轴负向摆动示意图；
图6是两自由度压电驱动装置激励信号示意图；其中，Vmax为正向电压幅值的极大值，-Vmax为负向电压幅值的极大值，T0为初始时间，T为周期，t1为所述激励方法步骤一、四、七和十对应的时段，t2为所述激励方法步骤二、五、八和十一对应的时段；
图7是两自由度压电驱动装置驱动平面动子示意图；
图8是两自由度压电驱动装置驱动球型动子示意图；
图9是两自由度压电驱动装置驱动轴线沿X轴的圆筒型动子示意图；
图10是两自由度压电驱动装置驱动轴线沿Y轴的圆筒型动子示意图；
其中,图中的Z轴所指的方向表示压电梁厚度方向，X、Y轴表示压电梁所在平面内两相互垂直的方向。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-图10，本发明提出一种两自由度压电驱动装置，包括四组压电梁1、驱动足基座2、驱动足3和基体4；所述的四组压电梁1包括压电梁一1-6、压电梁二1-5、压电梁三1-4和压电梁四1-3；并且四组压电梁1结构相同，所述压电梁1结构包括两片压电陶瓷片1-1和一片金属基板1-2；所述两片压电陶瓷片1-1分别位于金属基板1-2的上下表面并且所述两片压电陶瓷片1-1不完全覆盖住金属基板1-2；所述的四组压电梁1的首端与基体4的四个侧面固定连接，末端与驱动足基座2的四个侧面固定连接，其中压电梁一1-6与压电梁三1-4同轴，压电梁二1-5与压电梁四1-3同轴，压电梁一1-6与压电梁二1-5轴向垂直；所述的压电梁1施加电压激励信号时，沿其厚度方向弯曲；所述的压电陶瓷片1-1沿其厚度方向极化；所述的驱动足3置于驱动足基座2的上端，其末端与动子5接触；所述动子5为平面型、球型或圆筒型动子；当动子5为平面型动子时，可实现两自由度直线驱动；当动子5为球型动子时，可实现两自由度旋转驱动；当动子5为圆筒型动子时，可实现直线和旋转的两自由度驱动。
所述的金属基板1-2通过在其空余处挖孔或开槽以减小其法向和切向刚度，从而增大驱动足3的摆动幅度。
所述的压电陶瓷片1-1的极化方向相同，均沿其厚度方向极化。
所述的驱动足基座2和基体4上设置有固定压电梁1的孔。
所述压电梁1的组数还可以为大于4的偶数，它们的设置方向指向驱动足基座2安装孔平面的对称中心。
本发明还提出一种两自由度压电驱动装置的激励方法，所述方法用于激励两自由度压电驱动装置的驱动足3实现两自由度摆动，驱动动子5实现两自由度运动，即，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动；
驱动动子5沿X轴正向运动输出的具体过程为：
步骤一、压电梁一1-6施加幅值缓慢下降的激励电压信号，对应图6(b)中电压激励信号的t1段，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值缓慢上升的激励电压信号，对应图6(a)中电压激励信号的t1段，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿X轴正向产生位移输出；
步骤二、压电梁一1-6施加幅值快速上升的激励电压信号，对应图6(b)中电压激励信号的t2段，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值快速下降的激励电压信号，对应图6(a)中电压激励信号的t2段，且t2<<t1，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴负向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；
步骤三、重复步骤一至步骤二，可实现驱动足3对动子5沿X轴正方向的连续驱动；
驱动动子5沿X轴负向运动输出的具体过程为：
步骤四、压电梁一1-6施加幅值缓慢上升的激励电压信号，对应图6(a)中电压激励信号的t1段，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值缓慢下降的激励电压信号，对应图6(b)中电压激励信号的t1段，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿X轴负向产生位移输出；
步骤五、压电梁一1-6施加幅值快速下降的激励电压信号，对应图6(a)中电压激励信号的t2段，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值快速上升的激励电压信号，对应图6(b)中电压激励信号的t2段，且t2<<t1，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴正向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；
步骤六、重复步骤四至步骤五，可实现驱动足3对动子5沿X轴负向的连续驱动；
驱动动子5沿Y轴正向运动输出的具体过程为：
步骤七、压电梁二1-5施加幅值缓慢下降的激励电压信号，对应图6(b)中电压激励信号的t1段，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值缓慢上升的激励电压信号，对应图6(a)中电压激励信号的t1段，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿Y轴正向产生位移输出；
步骤八、压电梁二1-5施加幅值快速上升的激励电压信号，对应图6(b)中电压激励信号的t2段，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值快速下降的激励电压信号，对应图6(a)中电压激励信号的t2段，且t2<<t1，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴负向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；
步骤九、重复步骤七至步骤八，可实现驱动足3对动子5沿Y轴正向的连续驱动；
驱动动子5沿Y轴负方向运动输出的具体过程为：
步骤十、压电梁二1-5施加幅值缓慢上升的激励电压信号，对应图6(a)中电压激励信号的t1段，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值缓慢下降的激励电压信号，对应图6(b)中电压激励信号的t1段，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿Y轴负向产生位移输出；
步骤十一、压电梁二1-5施加幅值快速下降的激励电压信号，对应图6(a)中电压激励信号的t2段，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值快速上升的激励电压信号，对应图6(b)中电压激励信号的t2段，且t2<<t1，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴正向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；
步骤十二、重复步骤十至步骤十一，可实现驱动足3对动子5沿Y轴方向的连续驱动。
所述动子5为平面型动子、球型动子或圆筒型动子。
当动子5为平面型动子时，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：在平面型动子所在平面内，驱动平面型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动。
当动子5为球型动子时，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动球型动子绕X轴顺时针或逆时针旋转，以及绕Y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。
当动子5为轴线沿X轴的圆筒型动子时，驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向移动，以及绕X轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动；当动子5为轴线沿Y轴的圆筒型动子时，驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动圆筒型动子沿Y轴正向或负向移动，以及绕Y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。
所述激励电压信号的波形为非对称三角波或非对称梯形波。
本发明提供了一种两自由度压电驱动装置，工作中，可以驱动动子实现两自由度运动，实现多种运动轨迹输出，以此完成不同的工作任务，拓宽了压电驱动装置的应用范围。其次，本发明提供的两自由度压电驱动装置激励方法可以激励动子实现大行程的输出，克服了已有的并联型两自由度压电驱动装置行程小的缺点，大大的拓展了两自由度压电驱动装置的应用范围，使其在超精密驱动、定位等领域有着广阔的应用前景。
以上对本发明所提供的一种两自由度压电驱动装置及其激励方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种两自由度压电驱动装置的激励方法，其特征在于，所述驱动装置包括四组压电梁(1)、驱动足基座(2)、驱动足(3)和基体(4)；所述的四组压电梁(1)包括压电梁一(1-6)、压电梁二(1-5)、压电梁三(1-4)和压电梁四(1-3),并且四组压电梁(1)结构相同，所述压电梁(1)结构包括两片压电陶瓷片(1-1)和一片金属基板(1-2)；所述两片压电陶瓷片(1-1)分别位于金属基板(1-2)的上下表面,并且所述两片压电陶瓷片(1-1)不完全覆盖住金属基板(1-2)；所述的四组压电梁(1)的首端与基体(4)的四个侧面固定连接，末端与驱动足基座(2)的四个侧面固定连接，其中压电梁一(1-6)与压电梁三(1-4)同轴，压电梁二(1-5)与压电梁四(1-3)同轴，压电梁一(1-6)与压电梁二(1-5)轴向垂直；所述的压电梁(1)施加电压激励信号时，沿其厚度方向弯曲；所述的压电陶瓷片(1-1)沿其厚度方向极化；所述的驱动足(3)置于驱动足基座(2)的上端，其末端与动子(5)接触；所述动子(5)为平面型、球型或圆筒型动子；当动子(5)为平面型动子时，可实现两自由度直线驱动；当动子(5)为球型动子时，可实现两自由度旋转驱动；当动子(5)为圆筒型动子时，可实现直线和旋转的两自由度驱动；
所述方法用于激励两自由度压电驱动装置的驱动足(3)实现两自由度摆动，驱动动子(5)实现两自由度运动，即，驱动动子(5)沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动；
驱动动子(5)沿X轴正向运动输出的具体过程为：
步骤一、压电梁一(1-6)施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三(1-4)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一(1-6)和压电梁三(1-4)的作用下，驱动足(3)沿X轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子(5)沿X轴正向产生位移输出；
步骤二、压电梁一(1-6)施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三(1-4)施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一(1-6)和压电梁三(1-4)的作用下，驱动足(3)沿X轴负向快速摆动，动子(5)由于惯性保持静止；
步骤三、重复步骤一至步骤二，可实现驱动足(3)对动子(5)沿X轴正方向的连续驱动；
驱动动子(5)沿X轴负向运动输出的具体过程为：
步骤四、压电梁一(1-6)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三(1-4)施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一(1-6)和压电梁三(1-4)的作用下，驱动足(3)沿X轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子(5)沿X轴负向产生位移输出；
步骤五、压电梁一(1-6)施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三(1-4)施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一(1-6)和压电梁三(1-4)的作用下，驱动足(3)沿X轴正向快速摆动，动子(5)由于惯性保持静止；
步骤六、重复步骤四至步骤五，可实现驱动足(3)对动子(5)沿X轴负向的连续驱动；
驱动动子(5)沿Y轴正向运动输出的具体过程为：
步骤七、压电梁二(1-5)施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四(1-3)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁二(1-5)和压电梁四(1-3)的作用下，驱动足(3)沿Y轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子(5)沿Y轴正向产生位移输出；
步骤八、压电梁二(1-5)施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四(1-3)施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁二(1-5)和压电梁四(1-3)的作用下，驱动足(3)沿Y轴负向快速摆动，动子(5)由于惯性保持静止；
步骤九、重复步骤七至步骤八，可实现驱动足(3)对动子(5)沿Y轴正向的连续驱动；
驱动动子(5)沿Y轴负方向运动输出的具体过程为：
步骤十、压电梁二(1-5)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四(1-3)施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁二(1-5)和压电梁四(1-3)的作用下，驱动足(3)沿Y轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子(5)沿Y轴负向产生位移输出；
步骤十一、压电梁二(1-5)施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四(1-3)施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁二(1-5)和压电梁四(1-3)的作用下，驱动足(3)沿Y轴正向快速摆动，动子(5)由于惯性保持静止；
步骤十二、重复步骤十至步骤十一，可实现驱动足(3)对动子(5)沿Y轴方向的连续驱动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的金属基板(1-2)通过在其空余处挖孔或开槽以减小其法向和切向刚度，从而增大驱动足(3)的摆动幅度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的驱动足基座(2)和基体(4)上设置有固定压电梁(1)的孔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当动子(5)为平面型动子时，驱动动子(5)沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：在平面型动子所在平面内，驱动平面型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当动子(5)为球型动子时，驱动动子(5)沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动球型动子绕X轴顺时针或逆时针旋转，以及绕Y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当动子(5)为轴线沿X轴的圆筒型动子时，驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向移动，以及绕X轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动；当动子(5)为轴线沿Y轴的圆筒型动子时，驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动圆筒型动子沿Y轴正向或负向移动，以及绕Y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述激励电压信号的波形为非对称三角波或非对称梯形波。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108705329B (zh) * 2018-08-22 2023-08-22 金陵科技学院 基于二自由度压电作动器的精密工作台及对应压电作动器
CN109787508B (zh) * 2019-02-28 2020-02-11 福建工程学院 一种两自由度压电电机及其控制方法
CN109951101B (zh) * 2019-04-09 2020-03-06 哈尔滨工业大学 压电驱动的超精密四自由度定位调姿机构及其激励方法
CN109831115B (zh) * 2019-04-09 2020-01-07 哈尔滨工业大学 五自由度压电运动平台及其激励方法
CN109861580B (zh) * 2019-04-09 2020-01-07 哈尔滨工业大学 一种六自由度压电运动平台及其激励方法
CN110492785A (zh) * 2019-08-09 2019-11-22 南京航空航天大学 一种十字梁旋转型超声电机及其控制方法
CN111993390A (zh) * 2020-08-25 2020-11-27 东北电力大学 一种软体模态驱动的仿生机器人
CN112346238B (zh) * 2020-11-02 2021-10-22 西安交通大学 无轴向位移的压电二维快反镜及驱动和偏转角度测量方法
CN112817161B (zh) * 2021-01-07 2022-04-22 南京航空航天大学 一种基于压电叠堆的光学稳像装置及其控制系统
CN116106646B (zh) * 2022-11-18 2024-01-19 南方电网数字电网研究院有限公司 电场传感器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002354847A (ja) * 2001-05-29 2002-12-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 圧電アクチュエータおよびこれを用いた電子機器
CN101090243A (zh) * 2007-04-30 2007-12-19 哈尔滨工业大学 单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机
JP2012120370A (ja) * 2010-12-02 2012-06-21 Olympus Corp 超音波振動子及び超音波モータ
CN102931875A (zh) * 2012-11-22 2013-02-13 哈尔滨工业大学 贴片式方形超声波电机振子及其驱动方法
CN102962683A (zh) * 2012-11-22 2013-03-13 上海交通大学 二自由度平动并联高带宽微动平台
CN103934144A (zh) * 2014-04-28 2014-07-23 吉林大学 一种压电驱动式喷射方向柔性调整装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002354847A (ja) * 2001-05-29 2002-12-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 圧電アクチュエータおよびこれを用いた電子機器
CN101090243A (zh) * 2007-04-30 2007-12-19 哈尔滨工业大学 单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机
JP2012120370A (ja) * 2010-12-02 2012-06-21 Olympus Corp 超音波振動子及び超音波モータ
CN102931875A (zh) * 2012-11-22 2013-02-13 哈尔滨工业大学 贴片式方形超声波电机振子及其驱动方法
CN102962683A (zh) * 2012-11-22 2013-03-13 上海交通大学 二自由度平动并联高带宽微动平台
CN103934144A (zh) * 2014-04-28 2014-07-23 吉林大学 一种压电驱动式喷射方向柔性调整装置

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