CN110048637B - 一种单模态旋转型压电作动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单模态旋转型压电作动器，属于压电精密驱动领域，易于实现微型化设计，能够解决磨损导致频率不一致带来的效率下降的问题。本发明包括定子组件、转子和夹持组件；利用所述夹持组件将所述定子组件中的驱动齿与转子预紧配合；通过对所述上、下压电定子上的压电陶瓷片施加具有π/2相位差的特定频率驱动信号，激励出所述定子组件的二阶弯振模态，使得所述驱动齿和转子的接触点产生相对的错动，进而产生摩擦力，并驱动所述转子转动；由于该压电作动器利用单一的二阶弯振模态作为工作模态，相对于多模态耦合型压电作动器，减少了对压电作动器尺寸的设计限制，更易于实现微型化设计。
Description
技术领域
本发明属于压电精密驱动技术领域，尤其涉及一种单模态压电作动器。
背景技术
现有的大部分压电作动器都采用两相模态耦合的原理进行工作，如纵弯模态耦合、纵扭模态耦合和弯扭模态耦合，这类压电作动器具有较大的输出速度和输出力，但是这类压电作动器需要调节两相模态频率一致，由此引入对压电作动器几何尺寸和拓扑形状的严格限制，难以实现微型化设计；另外这类压电作动器在工作过程出现的磨损情况会造成两相频率漂移，增大两相频率差，使得压电作动器的性能下降。本发明提出一种单模态旋转型压电作动器，采用两个同形的压电定子，利用两个压电定子单一的二阶弯振模态驱动转子转动。由于单一模态对几何尺寸和拓扑形状的限制较小，本发明的压电作动器易于实现微型化设计。
发明内容
本发明提供了一种单模态旋转型压电作动器，采用两个同形的压电定子，利用两个压电定子单一的二阶弯振模态驱动转子转动，易于实现微型化设计，能够解决磨损导致频率不一致带来的效率下降的问题。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种单模态旋转型压电作动器，包括：定子组件、转子3和夹持组件；所述的定子组件包括上压电定子1和下压电定子2；所述夹持组件包括夹持基板4、上夹持组件5、下夹持组件6；上压电定子1、下压电定子2、转子3、上夹持组件5和下夹持组件6都安装于夹持基板4上表面，上夹持组件5和下夹持组件6将转子3预紧在上压电定子1和下压电定子2之间。
以上所述结构中，上压电定子1包括金属基体1-1、压电陶瓷片1-2和驱动齿1-3；两片压电陶瓷片1-2粘贴在金属基体1-1的同一表面，两片压电陶瓷片1-2分别设置在上压电定子1的二阶弯振振型7的两个波峰7-1处，两片压电陶瓷片1-2都沿着厚度方向极化，且极化方向相反；驱动齿1-3设置在压电陶瓷片1-2对立面的金属基体1-1表面。
下压电定子2的结构与上压电定子1结构一致。
所述的夹持组件包括夹持基板4、上夹持组件5和下夹持组件6；夹持基板4上设置有定位凸台4-2和夹持螺纹孔4-3，定位凸台4-2分别设置在夹持基板4对立面，两个夹持螺纹孔4-3设置于夹持基板的另两个侧面；上夹持组件5包括夹持螺栓5-1和夹持弹簧5-2；夹持螺栓5-1穿过夹持螺纹孔4-3，夹持弹簧5-2与上压电定子1靠近驱动齿1-3的一端接触。
下夹持组件6的结构与上夹持组件5的结构一致。
本发明的有益效果：本发明提供了一种单模态旋转型压电作动器，通过对上压电定子和下压电定子上的压电陶瓷片施加具有π/2相位差的特定频率驱动信号，激励出所述的上、下压电定子的所述的二阶弯振模态，使得所述的驱动齿和所述的转子的接触点产生规律性的相对脱离和接触错动，进而产生摩擦力，并驱动所述的转子转动；利用两个同形压电定子单一的二阶弯振模态驱动转子转动。由于单一模态对几何尺寸和拓扑形状的限制较小，易于实现微型化设计，而且能够解决磨损导致频率不一致带来的效率下降的问题，在微型飞行器及微型潜航器的驱动设备等领域具有较高的应用潜力。
附图说明
图1是本发明单模态旋转型压电作动器整体结构示意图；
图2是本发明上压电定子结构示意图；
图3是本发明夹持基板结构示意图；
图4是本发明上夹持组件结构示意图；
图5是本发明上压电定子的二阶弯振模态；
图6是本发明压电陶瓷片的极化方向；
图7是本发明施加在是上、下压电定子上的激励信号示意图；
图8是本发明单模态旋转型压电作动器工作原理示意图。
其中，1为上压电定子，1-1为金属基体，1-2为压电陶瓷片，1-3为驱动齿，2为下压电定子，3为转子，4为夹持基板，4-1为夹持基板底，4-2为定位凸台，4-3为夹持螺纹孔，5为上夹持组件，5-1为夹持螺栓、5-2为夹持弹簧，6为下夹持组件， 7为上压电定子的二阶弯振振型，7-1为波峰，8-1为初始位置参考点，8-2为转动角度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
一种单模态旋转型压电作动器，如图1所示包括：定子组件、转子3和夹持组件；所述的定子组件包括上压电定子1和下压电定子2；所述夹持组件包括夹持基板4、上夹持组件5、下夹持组件6；上压电定子1、下压电定子2、转子3、上夹持组件5和下夹持组件6都安装于夹持基板4上表面，上夹持组件5和下夹持组件6将转子3预紧在上压电定子1和下压电定子2之间。
如图2所示，上压电定子1包括金属基体1-1、压电陶瓷片1-2和驱动齿1-3；两片压电陶瓷片1-2粘贴在金属基体1-1的同一表面，如图5所示两片压电陶瓷片1-2分别设置在上压电定子1的二阶弯振振型7的两个波峰7-1处，如图6所示两片压电陶瓷片1-2都沿着厚度方向极化，且极化方向相反；驱动齿1-3设置在压电陶瓷片1-2对立面的金属基体1-1表面，驱动齿1-3设置在上压电定子1的二阶弯振振型的波峰处。
下压电定子2的结构与上压电定子1结构一致。
所述的夹持组件包括夹持基板4、上夹持组件5和下夹持组件6；如图3所示夹持基板4上设置有定位凸台4-2和夹持螺纹孔4-3，定位凸台4-2分别设置在夹持基板4对立侧，定位凸台4-2用于限制所述的定子组件的垂直位移，两个夹持螺纹孔4-3设置于夹持基板的另两个侧面；如图4所示上夹持组件5包括夹持螺栓5-1和夹持弹簧5-2；夹持螺栓5-1穿过夹持螺纹孔4-3，夹持弹簧5-2与上压电定子1靠近驱动齿1-3的一端接触，调节夹持螺栓5-1可改变夹持弹簧5-2的压缩量，进而调节驱动齿1-3与所述的转子3之间的预压力。通过对所述的上压电定子1和下压电定子2上的压电陶瓷片1-2施加具有π/2相位差的特定频率驱动信号，如图7所示，激励出所述的上、下压电定子的所述的二阶弯振模态，使得所述的驱动齿和所述的转子的接触点产生规律性的相对脱离和接触错动，进而产生摩擦力，并驱动所述的转子转动。
下面以一个驱动周期内所述的上、下压电定子的变形以及所述的驱动齿与所述的转子的接触情况，具体说明驱动原理。每个驱动周期可细分为四个驱动阶段，如图8所示；第一驱动阶段，上压电定子1上的驱动齿1-3从平衡位置垂直向下变形到最大，即达到y轴负方向的最大位置，下压电定子2上的所述驱动齿从y轴负方向的最大位置垂直向上变形到平衡位置，在此阶段，只有上压电定子1的驱动齿1-3与转子3接触，并驱动转子3顺时针转动，初始位置参考点沿着顺时针转动一定的角度，如图8所示；第二驱动阶段，上压电定子1上的驱动齿1-3从y轴负方向的最大位置垂直向上变形，回复到平衡位置，下压电定子2上的所述的驱动齿从平衡位置垂直向上变形到y轴正方向的最大位置，在此阶段，由于所述的转子对上压电定子1上的驱动齿1-3的切向作用，即沿着x方向的作用，使得上压电定子1上驱动齿1-3沿着x方向具有切向的变形，该切向变形使得上压电定子1上的驱动齿1-3与转子3脱离，转子3只在下压电定子2上的所述的驱动齿的作用下，顺时针转动，如图8所述；第三驱动阶段，上压电定子1上的驱动齿1-3继续向上y轴方向变形至最大，并与转子3在空间上脱离，下压电定子2上所述的驱动齿沿着y轴负方向回复至平衡位置，同样地，由于转子3的切向作用，该阶段下压电定子2上所述的驱动齿，也与转子3处于分离状态，在此阶段，转子3只依靠惯性顺时针旋转；第四驱动阶段，上压电定子1由y方向的最大变形回复至平衡状态，下压电定子2向y轴负方向变形至最大，该阶段，所述的驱动齿与转子3脱离，转子3只依靠惯性转动；在整个驱动周期内，转子3将沿顺时针旋转。
以上内容是结合实施案例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定为本发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种单模态旋转型压电作动器，其特征在于，包括：定子组件、转子(3)和夹持组件；所述的定子组件包括上压电定子(1)和下压电定子(2)；所述夹持组件包括夹持基板(4)、上夹持组件(5)、下夹持组件(6)；上压电定子(1)、下压电定子(2)、转子(3)、上夹持组件(5)和下夹持组件(6)都位于夹持基板(4)上表面，上夹持组件(5)和下夹持组件(6)将转子(3)预紧在上压电定子(1)和下压电定子(2)之间；上压电定子(1)包括金属基体(1-1)、压电陶瓷片(1-2)和驱动齿(1-3)；两片压电陶瓷片(1-2)粘贴在金属基体(1-1)的同一表面；驱动齿(1-3)设置在压电陶瓷片(1-2)对立面的金属基体(1-1)表面；两片压电陶瓷片(1-2)分别设置在上压电定子(1)的二阶弯振振型(7)的两个波峰(7-1)处；两片压电陶瓷片(1-2)都沿着厚度方向极化，且极化方向相反；通过对上压电定子(1)和下压电定子(2)上的压电陶瓷片施加具有π/2相位差的特定频率驱动信号，激励出上压电定子(1)和下压电定子(2)的二阶弯振模态，使得驱动齿(1-3)和转子(3)的接触点产生规律性的相对脱离和接触错动，进而产生摩擦力，并驱动转子(3)转动。
2.根据权利要求1所述的单模态旋转型压电作动器，其特征在于，下压电定子(2)的结构与上压电定子(1)结构一致。
3.根据权利要求1所述的单模态旋转型压电作动器，其特征在于，上夹持组件(5)和下夹持组件(6)分别穿过夹持基板(4)的两侧。
4.根据权利要求1或3所述的单模态旋转型压电作动器，其特征在于，夹持基板(4)上设置有定位凸台(4-2)和夹持螺纹孔(4-3)，定位凸台(4-2)分别设置在夹持基板(4)对立面，两个夹持螺纹孔(4-3)设置于夹持基板(4)的另两个侧面。
5.根据权利要求1或3所述的单模态旋转型压电作动器，其特征在于，上夹持组件(5)包括夹持螺栓(5-1)和夹持弹簧(5-2)；夹持螺栓(5-1)穿过夹持螺纹孔(4-3)，夹持弹簧(5-2)与上压电定子(1)靠近驱动齿(1-3)的一端接触。
6.根据权利要求1或3所述的单模态旋转型压电作动器，其特征在于，下夹持组件(6)的结构与上夹持组件(5)的结构一致。
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