CN112202359B - 单模态协同工作的中空压电作动器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单模态协同工作的中空压电作动器及其工作方法，中空压电作动器包括第一压电换能器、第二压电换能器和两个支架。第一压电换能器包含环形基体、和若干基体压电陶瓷片，环形基体外壁上设置作动头和两个转轴；第二压电换能器包含弧形梁和弧形梁压电陶瓷片。工作时，第一压电换能器在摩擦力的推动下能够绕第一转轴转动，具有一个转动自由度。本发明无需使第一压电换能器和第二压电换能器的工作振动模态调整一致，减少了设计工作量，且中空结构可充当光线、电线和管线的通道，在空间光学仪器的光路调整等方面有着广阔的应用前景。

Description

单模态协同工作的中空压电作动器及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电作动和超声电机领域，尤其涉及一种单模态协同工作的中空压电作动器及其工作方法。

背景技术

现有中空超声电机主要利用圆环形定子的两个面外同形正交弯曲振动模态的复合来驱动的，两个工作模态振动频率的接近程度影响中空超声电机的输出性能和工作效率，加工误差、工作磨损和非完全一致边界条件的存在不可避免地导致两个模态频率的分离。

一般，在充分掌握结构动力学特性的基础上，采用打孔或者开槽的补救方法，对样机的工作振动模态频率进行二次修正。由于不同样机的模态频率分离程度存在差异，开槽尺寸或打孔深度也会视具体情况而定，这在大规模生产中会严重影响成品制造效率。同时，为了满足苛刻的设计指标，很多中空超声电机在结构上并没有留出足够的“补救”余量，打孔或开槽的补救方法则无法实施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种单模态协同工作的中空压电作动器及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

单模态协同工作的中空压电作动器，包括环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一支架、第二支架、弧形梁、弧形梁压电陶瓷片、以及两个基体压电陶瓷片；

所述第一转轴、第二转轴分别设置在环形基体两侧，一端均和环形基体的外壁固连，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；

所述作动头设置在环形基体的外壁上，作动头的中心和环形基体圆心的连线垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述环形基体的内壁上还设有对称的第一矩形槽、第二矩形槽，且第一矩形槽的中心、第二矩形槽的中心、作动头的中心在同一直线上；

所述两个基体压电陶瓷片分别对应设置在第一矩形槽、第二矩形槽中，两个基体压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一支架、第二支架的一端分别设有用于安装第一轴承、第二轴承的安装孔，另一端均和外界固定；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别和第一支架、第二支架的安装孔固连，使得环形基体能够绕第一转轴、第二转轴自由转动；

所述弧形梁和外界固定，弧形梁所在平面垂直于第一、二转轴，弧形梁的圆心和环形基体的圆心重合，作动头和弧形梁的内壁相抵；

所述弧形梁外壁的中心设有第三矩形槽；所述弧形梁压电陶瓷片设置在第三矩形槽中，沿厚度方向极化。

本发明还公开了上述单模态协同工作的中空压电作动器的工作方法，包含以下步骤：

令环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一基体压电陶瓷片、第二基体压电陶瓷片组成第一压电换能器，弧形梁、弧形梁压电陶瓷片组成第二压电换能器；

对两个基体压电陶瓷片施加第一交流电信号，使得第一压电换能器的面内B_0m振动模态被激发出来，m为偶数，作动头表面质点沿着其中心和环形基体圆心所在直线的方向产生简谐运动；

对弧形梁压电陶瓷片施加第二交流电信号，使得第二压电换能器的纵向振动模态被激发出来，弧形梁内壁的质点在垂直于环形基体的方向上产生分解的简谐运动；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时作动头的表面质点相对弧形梁内壁做椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

本发明还公开了另一种单模态协同工作的中空压电作动器，包括环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一支架、第二支架、弧形梁、弧形梁压电陶瓷片和2i个基体压电陶瓷片，i为大于等于1的自然数；

所述第一转轴、第二转轴分别设置在环形基体两侧，一端均和环形基体的外壁固连，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；

所述作动头设置在环形基体的外壁上，作动头的中心和环形基体圆心的连线垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一支架、第二支架的一端分别设有用于安装第一轴承、第二轴承的安装孔，另一端均和外界固定；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别和第一支架、第二支架的安装孔固连，使得环形基体能够绕第一转轴、第二转轴自由转动；

所述弧形梁和外界固定，弧形梁所在平面垂直于第一、二转轴，弧形梁的圆心和环形基体的圆心重合，作动头和弧形梁的内壁相抵；

所述弧形梁外壁的中心设有第三矩形槽；所述弧形梁压电陶瓷片设置在第三矩形槽中，沿厚度方向极化；

所述2i个基体压电陶瓷片均呈弧形，周向均匀的设置在环形基体的上端面或下端面上，且2i个基体压电陶瓷片关于作动头中心和环形基体圆心所在直线对称；

所述2i个基体压电陶瓷片均沿厚度方向极化且相邻基体压电陶瓷片的极化方向相反。

本发明还公开了上述单模态协同工作的中空压电作动器的工作方法，包含以下步骤：

令环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、2i个基体压电陶瓷片组成第一压电换能器，弧形梁、弧形梁压电陶瓷片组成第二压电换能器；

对2i个基体压电陶瓷片施加第一交流电信号，使得第一压电换能器的面外B_0n振动模态被激发出来，n为奇数，作动头表面质点在垂直于环形基体的方向上产生简谐运动；

对弧形梁压电陶瓷片施加第二交流电信号，使得第二压电换能器的横向振动模态被激发出来，弧形梁内壁的质点在作动头中心和环形基体圆心所在直线的方向产生分解的简谐运动；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时作动头的表面质点相对弧形梁内壁做椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 本发明所提出的单模态协同工作的中空压电作动器能绕第一转轴、第二转轴转动，丰富了中空超声电机的输出形式，与现有中空超声电机绕着过圆环形定子圆心且垂直于圆环形定子的转轴转动的运动方式形成互补，拓展了中空超声电机的应用范围；

2. 空心结构允许光线、电线和管线穿过；

3. 采用单模态协同工作的方法，无需使第一压电换能器和第二压电换能器的工作振动模态调整一致，减少了设计工作量，避免了工作振动模态分离降低压电作动器[H1]输出性能的风险。

附图说明

图1是一种单模态协同工作的中空压电作动器的结构示意图；

图2是图1中第一压电换能器的结构示意图；

图3是图1中第一压电换能器面内B₀₂振动模态的三维图；

图4是图1中第一压电换能器面内B₀₂振动模态的平面图；

图5是图1中第二压电换能器的一阶纵振振型示意图；

图6是图1中中空压电作动器的工作原理图；

图7是另一种单模态协同工作的中空压电作动器的结构示意图；

图8是图7中第一压电换能器的结构示意图；

图9是图7中基体压电陶瓷片的布置与极化示意图；

图10是图7中第一压电换能器面外B₀₃振动模态的三维图；

图11是图7中第一压电换能器面外B₀₃振动模态的平面图；

图12是图7中第二压电换能器的一阶弯振示意图；

图13是图7中中空压电作动器的工作原理图。

图中，1-环形基体，2-第一转轴，3-第二转轴，4-第一支架，5-第二支架，6-弧形梁，7-基体压电陶瓷片，8-弧形梁压电陶瓷片，9-作动头，10-第一轴承。

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：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种单模态协同工作的中空压电作动器，包括环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一支架、第二支架、弧形梁、弧形梁压电陶瓷片、以及两个基体压电陶瓷片；

所述第一转轴、第二转轴分别设置在环形基体两侧，一端均和环形基体的外壁固连，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；

所述作动头设置在环形基体的外壁上，作动头的中心和环形基体圆心的连线垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述环形基体的内壁上还设有对称的第一矩形槽、第二矩形槽，且第一矩形槽的中心、第二矩形槽的中心、作动头的中心在同一直线上；

所述两个基体压电陶瓷片分别对应设置在第一矩形槽、第二矩形槽中，两个基体压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一支架、第二支架的一端分别设有用于安装第一轴承、第二轴承的安装孔，另一端均和外界固定；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别和第一支架、第二支架的安装孔固连，使得环形基体能够绕第一转轴、第二转轴自由转动；

所述弧形梁和外界固定，弧形梁所在平面垂直于第一、二转轴，弧形梁的圆心和环形基体的圆心重合，作动头和弧形梁的内壁相抵；

所述弧形梁外壁的中心设有第三矩形槽；所述弧形梁压电陶瓷片设置在第三矩形槽中，沿厚度方向极化。

本发明还公开了上述单模态协同工作的中空压电作动器的工作方法，包含以下步骤：

令环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一基体压电陶瓷片、第二基体压电陶瓷片组成第一压电换能器，如图2所示，令弧形梁、弧形梁压电陶瓷片组成第二压电换能器；

对两个基体压电陶瓷片施加第一交流电信号，使得第一压电换能器的面内B_0m振动模态被激发出来，m为偶数，作动头表面质点沿着其中心和环形基体圆心所在直线的方向产生简谐运动，如图3、图4所示；环形基板的面内振动模态用B_ab表示，其中下标a和b分别表示轴向节圆数和径向节径数；

对弧形梁压电陶瓷片施加第二交流电信号，使得第二压电换能器的纵向振动模态被激发出来，弧形梁内壁的质点在垂直于环形基体的方向上产生分解的简谐运动，如图5所示；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时作动头的表面质点相对弧形梁内壁做椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动，如图6所示；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

如图7所示，本发明还公开了另一种单模态协同工作的中空压电作动器，包括环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一支架、第二支架、弧形梁、弧形梁压电陶瓷片和2i个基体压电陶瓷片，i为大于等于1的自然数；

所述第一转轴、第二转轴分别设置在环形基体两侧，一端均和环形基体的外壁固连，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；

所述作动头设置在环形基体的外壁上，作动头的中心和环形基体圆心的连线垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一支架、第二支架的一端分别设有用于安装第一轴承、第二轴承的安装孔，另一端均和外界固定；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别和第一支架、第二支架的安装孔固连，使得环形基体能够绕第一转轴、第二转轴自由转动；

所述弧形梁和外界固定，弧形梁所在平面垂直于第一、二转轴，弧形梁的圆心和环形基体的圆心重合，作动头和弧形梁的内壁相抵；

所述弧形梁外壁的中心设有第三矩形槽；所述弧形梁压电陶瓷片设置在第三矩形槽中，沿厚度方向极化；

所述2i个基体压电陶瓷片均呈弧形，周向均匀的设置在环形基体的上端面或下端面上，且2i个基体压电陶瓷片关于作动头中心和环形基体圆心所在直线对称； 2i个基体压电陶瓷片均沿厚度方向极化且相邻基体压电陶瓷片的极化方向相反，如图9所示。

本发明还公开了上述单模态协同工作的中空压电作动器的工作方法，包含以下步骤：

令环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、2i个基体压电陶瓷片组成第一压电换能器，如图8所示，令弧形梁、弧形梁压电陶瓷片组成第二压电换能器；

对2i个基体压电陶瓷片施加第一交流电信号，使得第一压电换能器的面外B_0n振动模态被激发出来，n为奇数，作动头表面质点在垂直于环形基体的方向上产生简谐运动，如图10、图11所示；环形基板的面外振动模态的节型由节圆和节径组成，用B_cd表示，其中下标c和d分别表示节圆数和节径数；

对弧形梁压电陶瓷片施加第二交流电信号，使得第二压电换能器的横向振动模态被激发出来，弧形梁内壁的质点在作动头中心和环形基体圆心所在直线的方向产生分解的简谐运动，如图12所示；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时作动头的表面质点相对弧形梁内壁做椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动，如图13所示；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

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 (4)

1.单模态协同工作的中空压电作动器，其特征在于，包括环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一支架、第二支架、弧形梁、弧形梁压电陶瓷片、以及两个基体压电陶瓷片；

所述第一转轴、第二转轴分别设置在环形基体两侧，一端均和环形基体的外壁固连，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；

所述作动头设置在环形基体的外壁上，作动头的中心和环形基体圆心的连线垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述环形基体的内壁上还设有对称的第一矩形槽、第二矩形槽，且第一矩形槽的中心、第二矩形槽的中心、作动头的中心在同一直线上；

所述两个基体压电陶瓷片分别对应设置在第一矩形槽、第二矩形槽中，两个基体压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一支架、第二支架的一端分别设有用于安装第一轴承、第二轴承的安装孔，另一端均和外界固定；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别和第一支架、第二支架的安装孔固连，使得环形基体能够绕第一转轴、第二转轴自由转动；

所述弧形梁和外界固定，弧形梁所在平面垂直于第一、二转轴，弧形梁的圆心和环形基体的圆心重合，作动头和弧形梁的内壁相抵；

所述弧形梁外壁的中心设有第三矩形槽；所述弧形梁压电陶瓷片设置在第三矩形槽中，沿厚度方向极化。

2.基于权利要求1所述的单模态协同工作的中空压电作动器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

令环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一基体压电陶瓷片、第二基体压电陶瓷片组成第一压电换能器，弧形梁、弧形梁压电陶瓷片组成第二压电换能器；

对两个基体压电陶瓷片施加第一交流电信号，使得第一压电换能器的面内B_0m振动模态被激发出来，m为偶数，作动头表面质点沿着其中心和环形基体圆心所在直线的方向产生简谐运动；

对弧形梁压电陶瓷片施加第二交流电信号，使得第二压电换能器的纵向振动模态被激发出来，弧形梁内壁的质点在垂直于环形基体的方向上产生分解的简谐运动；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时作动头的表面质点相对弧形梁内壁做椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

3.单模态协同工作的中空压电作动器，其特征在于，包括环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一支架、第二支架、弧形梁、弧形梁压电陶瓷片和2i个基体压电陶瓷片，i为大于等于1的自然数；

所述第一转轴、第二转轴分别设置在环形基体两侧，一端均和环形基体的外壁固连，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；

所述作动头设置在环形基体的外壁上，作动头的中心和环形基体圆心的连线垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一支架、第二支架的一端分别设有用于安装第一轴承、第二轴承的安装孔，另一端均和外界固定；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别和第一支架、第二支架的安装孔固连，使得环形基体能够绕第一转轴、第二转轴自由转动；

所述弧形梁和外界固定，弧形梁所在平面垂直于第一、二转轴，弧形梁的圆心和环形基体的圆心重合，作动头和弧形梁的内壁相抵；

所述弧形梁外壁的中心设有第三矩形槽；所述弧形梁压电陶瓷片设置在第三矩形槽中，沿厚度方向极化；

所述2i个基体压电陶瓷片均呈弧形，周向均匀的设置在环形基体的上端面或下端面上，且2i个基体压电陶瓷片关于作动头中心和环形基体圆心所在直线对称；

所述2i个基体压电陶瓷片均沿厚度方向极化且相邻基体压电陶瓷片的极化方向相反。

4.基于权利要求3所述的单模态协同工作的中空压电作动器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

令环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、2i个基体压电陶瓷片组成第一压电换能器，弧形梁、弧形梁压电陶瓷片组成第二压电换能器；

对2i个基体压电陶瓷片施加第一交流电信号，使得第一压电换能器的面外B_0n振动模态被激发出来，n为奇数，作动头表面质点在垂直于环形基体的方向上产生简谐运动；

对弧形梁压电陶瓷片施加第二交流电信号，使得第二压电换能器的横向振动模态被激发出来，弧形梁内壁的质点在作动头中心和环形基体圆心所在直线的方向产生分解的简谐运动；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时作动头的表面质点相对弧形梁内壁做椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

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