CN118174590A - 一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器及其工作方法，其中，包括定子、第一转子和第二转子；定子包括压电复合梁和驱动圆环；压电复合梁包含变幅梁、前梁、后梁、第一连接梁、第二连接梁、扭振模块、弯振模块和预紧螺栓。压电作动器通过激励出驱动圆环两个同阶且有π/2空间相位差的面外弯曲振动，分别使驱动圆环上驱动齿进行两个方向的振动，再通过摩擦作用带动转子实现正反转动。本发明采用单相电压驱动，控制电路更为简单，同时具有较高的输出性能、简单的结构以及较低的成本等优点，可以在真空强磁场的环境下工作。

Description

一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器及其工作方法

技术领域

本发明涉及航天航空、生物医学、机器人等领域，尤其涉及一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器及其工作方法。

背景技术

压电作动器是利用逆压电效应和摩擦驱动原理而发展起来的智能器件，具有直接驱动、电磁兼容性好、真空/高低温环境适应性好、无需减速机构和制动装置、响应快、断电自锁、定位精度高、可实现结构功能一体化设计等特点，广泛应用于航空航天、生物医学、机器人和精密工程等领域，尤其在特种环境领域具有绝对的优势。根据压电片安装方法的不同，可以分为贴片式结构和夹心式结构。其中，通过螺栓施加预紧力将d ₁₅或d ₃₃振动模式的压电陶瓷片安装在两块弹性体的中间构成夹心式结构。由于压电常数d ₁₅和d ₃₃比d ₃₁高，所以在相同条件下，夹心式压电作动器比贴片式压电作动器的输出性能更高。根据驱动信号的数量不同，又可以分为多相驱动压电作动器和单相驱动压电作动器，其中单相驱动因其具有控制电路简单、制造成本低、不需要调节两个模态频率的一致、结构尺寸设计更灵活、结构更紧凑、更适合小型化的优点，因此具有更大的应用潜力。

由于旋转型压电作动器不易构建单相驱动模态，单相激励的压电作动器主要以直线作动器为主。大多数夹心式单相驱动的旋转型压电作动器均通过单个或多个兰杰文换能器组合进行驱动转子，而通过作动器自身模态直接产生旋转驱动的比较少，整体结构复杂，只能单一方向运动，难以实现结构功能一体化设计，阻碍了其应用。

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，提供一种夹心式单相驱动旋转型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：

一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器，包括定子、第一转子和第二转子；

所述定子包括压电复合梁和驱动圆环；

所述驱动圆环呈圆环状且两侧端面上均周向均匀设有k个驱动齿，且两侧端面上的驱动齿一一对称，k为大于等于3的自然数；

所述压电复合梁包含变幅梁、前梁、后梁、第一连接梁、第二连接梁、扭振模块、弯振模块和预紧螺栓；

所述扭振模块包含夹持片、以及第一至第四扭振压电陶瓷片；

所述第一至第四扭振压电陶瓷片结构相同，呈正方形，中心设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔，均包含两个扭振单元；所述两个扭振单元的分界线经过扭振压电陶瓷片的中心且平行于扭振压电陶瓷片的一边，沿分界线方向极化且极化方向相反；

所述夹持片和第一扭振压电陶瓷片形状相同，中心设有和所述预紧螺栓相配合的通孔，两侧对称设有用于和外界固连的耳片；

第一扭振压电陶瓷片、第二扭振压电陶瓷片、夹持片、第三扭振压电陶瓷片、第四扭振压电陶瓷片依次层叠，第一、第四扭振压电陶瓷片的分界线共面且极化方向相反，第二、第三扭振压电陶瓷片的分界线共面且极化方向相反，第一、第二扭振压电陶瓷片的分界线相互垂直；

所述弯振模块包含第一至第四弯振压电陶瓷片；

所述第一至第四弯振压电陶瓷片结构相同，呈正方形，面积小于等于第一扭振压电陶瓷片，中心设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔，均采用双分区压电陶瓷片；两个分区的分界线经过弯振压电陶瓷片的中心且平行于弯振压电陶瓷片的一边，沿厚度方向极化且极化方向相反；

第一弯振压电陶瓷片、第二弯振压电陶瓷片层叠形成第一弯振单元，第三弯振压电陶瓷片、第四弯振压电陶瓷片层叠形成第二弯振单元，第一至第四弯振压电陶瓷片分界线共面，第一、第二弯振压电陶瓷片极化方向相反，第三、第四弯振压电陶瓷片极化方向相反，第二、第三弯振压电陶瓷片极化方向相同；

所述变幅梁为正四棱台，其面积较大的一端端面形状和第一扭振压电陶瓷片形状相同，面积较小的一端和所述驱动圆环的侧壁固连，变幅梁的轴线经过驱动圆环的中心，且驱动圆环的轴线平行于变幅梁面积较大的一端端面的一条边长；

所述前梁、后梁结构均为横截面和第一弯振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，其中，后梁沿轴线设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔；前梁一端设有用于和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔，另一端和所述变幅梁面积较大的一端对应同轴固连；

所述第一连接梁、第二连接梁结构相同，均包含第一连接部和第二连接部，其中，第一连接部为横截面和第一弯振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，第二连接部为横截面和第一扭振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，第一连接部、第二连接部同轴固连且沿轴线均设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔；

所述预紧螺栓依次穿过后梁、第一弯振单元、第一连接梁的第一连接部、第一连接梁的第二连接部、扭振模块、第二连接梁的第二连接部、第二连接梁的第一连接部、第二弯振单元后和前梁上的螺纹盲孔螺纹相连，将第一弯振单元、第一连接梁、扭振模块、第二连接梁、第二弯振单元、前梁夹紧在后梁和前梁之间，使得第一弯振单元、第二弯振单元位于压电复合梁的弯曲振动的波峰或波谷处，扭振模块位于压电复合梁的扭转振动的节点处；

所述压电复合梁用于输出弯曲振动或扭转振动激励出驱动圆环的面外弯曲振动，所述驱动圆环两侧端面上的驱动齿均不在面外弯曲振动的波峰、波谷或节点上；

所述第一转子、第二转子结构相同，呈圆环状，对称设置在驱动圆环两侧，分别和驱动圆环两侧端面上的驱动齿相抵，和外界相连且由外界施加预压力，用于输出扭矩。

作为本发明一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器进一步的优化方案，所述k取8。

本发明还公开了一种该夹心式单相驱动旋转型压电作动器的驱动方法，包含以下步骤：

步骤1），如果需要第一转子、第二转子正向转动，对扭振模块施加预设的第一简谐电压信号即可，此时，压电复合梁被激励出2n+1阶扭转振动，n为大于等于0的自然数，诱发驱动圆环的m阶面外弯曲振动A，m为大于等于3的自然数，进而通过驱动齿的摩擦驱动第一转子、第二转子正向转动；

步骤2），如果需要第一转子、第二转子反向转动，对第一弯振单元、第二弯振单元施加预设的第二简谐电压信号即可，此时，压电复合梁被激励出2n+2阶弯曲振动，诱发驱动圆环的m阶面外弯曲振动B，进而通过驱动齿的摩擦驱动第一转子、第二转子反向转动。

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）本发明采用d ₁₅或d ₃₃振动模式，其输出性能远高于贴片式压电作动器。

（2）本发明采用单相驱动，具有控制电路简单、制造成本低、不需要调节两个模态频率的一致、结构尺寸设计更灵活、结构更紧凑、更适合小型化的优点，因此具有更大的应用潜力。

（3）本发明中作动器的驱动采用压电转换和摩擦驱动原理实现了转子的直接驱动，无需复杂传动机构，实现了结构功能一体化设计，具有结构简单紧凑的优势。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中定子的结构示意图；

图3是本发明第一弯振单元、扭振模块、第二弯振单元中陶瓷片的极化方向示意图；

图4是本发明中第一连接梁的结构示意图；

图5是本发明中扭振模块工作的原理示意图；

图6是本发明中第一弯振单元、第二弯振单元工作的原理示意图；

图7是本发明中驱动圆环上驱动齿在面外弯曲振动A和面外弯曲振动B时一个波长内位置的对比示意图。

图中，1-第一转子，2-定子，3-驱动圆环，4-变幅梁，5-前梁，6-后梁，7-第一连接梁，8-第二连接梁，9-第一弯振单元，10-第二弯振单元，11-扭振模块，12-预紧螺栓。

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，本发明公开了一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器，包括定子、第一转子和第二转子；

如图2所示，所述定子包括压电复合梁和驱动圆环；

所述驱动圆环呈圆环状且两侧端面上均周向均匀设有k个驱动齿，且两侧端面上的驱动齿一一对称，k为大于等于3的自然数；

所述压电复合梁包含变幅梁、前梁、后梁、第一连接梁、第二连接梁、扭振模块、弯振模块和预紧螺栓；

所述扭振模块包含夹持片、以及第一至第四扭振压电陶瓷片；

所述第一至第四扭振压电陶瓷片结构相同，呈正方形，中心设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔，均包含两个扭振单元；所述两个扭振单元的分界线经过扭振压电陶瓷片的中心且平行于扭振压电陶瓷片的一边，沿分界线方向极化且极化方向相反；

所述夹持片和第一扭振压电陶瓷片形状相同，中心设有和所述预紧螺栓相配合的通孔，两侧对称设有用于和外界固连的耳片；

第一扭振压电陶瓷片、第二扭振压电陶瓷片、夹持片、第三扭振压电陶瓷片、第四扭振压电陶瓷片依次层叠，第一、第四扭振压电陶瓷片的分界线共面且极化方向相反，第二、第三扭振压电陶瓷片的分界线共面且极化方向相反，第一、第二扭振压电陶瓷片的分界线相互垂直，如图3所示；

所述弯振模块包含第一至第四弯振压电陶瓷片；

所述第一至第四弯振压电陶瓷片结构相同，呈正方形，面积小于等于第一扭振压电陶瓷片，中心设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔，均采用双分区压电陶瓷片；两个分区的分界线经过弯振压电陶瓷片的中心且平行于弯振压电陶瓷片的一边，沿厚度方向极化且极化方向相反；

第一弯振压电陶瓷片、第二弯振压电陶瓷片层叠形成第一弯振单元，第三弯振压电陶瓷片、第四弯振压电陶瓷片层叠形成第二弯振单元，第一至第四弯振压电陶瓷片分界线共面，第一、第二弯振压电陶瓷片极化方向相反，第三、第四弯振压电陶瓷片极化方向相反，第二、第三弯振压电陶瓷片极化方向相同，如图3所示；

所述变幅梁为正四棱台，其面积较大的一端端面形状和第一扭振压电陶瓷片形状相同，面积较小的一端和所述驱动圆环的侧壁固连，变幅梁的轴线经过驱动圆环的中心，且驱动圆环的轴线平行于变幅梁面积较大的一端端面的一条边长；

所述前梁、后梁结构均为横截面和第一弯振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，其中，后梁沿轴线设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔；前梁一端设有用于和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔，另一端和所述变幅梁面积较大的一端对应同轴固连；

如图4所示，所述第一连接梁、第二连接梁结构相同，均包含第一连接部和第二连接部，其中，第一连接部为横截面和第一弯振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，第二连接部为横截面和第一扭振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，第一连接部、第二连接部同轴固连且沿轴线均设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔；

所述预紧螺栓依次穿过后梁、第一弯振单元、第一连接梁的第一连接部、第一连接梁的第二连接部、扭振模块、第二连接梁的第二连接部、第二连接梁的第一连接部、第二弯振单元后和前梁上的螺纹盲孔螺纹相连，将第一弯振单元、第一连接梁、扭振模块、第二连接梁、第二弯振单元、前梁夹紧在后梁和前梁之间，使得第一弯振单元、第二弯振单元位于压电复合梁的弯曲振动的波峰或波谷处，扭振模块位于压电复合梁的扭转振动的节点处；

所述压电复合梁用于输出弯曲振动或扭转振动激励出驱动圆环的面外弯曲振动，所述驱动圆环两侧端面上的驱动齿均不在面外弯曲振动的波峰、波谷或节点上；

所述第一转子、第二转子结构相同，呈圆环状，对称设置在驱动圆环两侧，分别和驱动圆环两侧端面上的驱动齿相抵，和外界相连且由外界施加预压力，用于输出扭矩。

作为本发明一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器进一步的优化方案，所述k取8。

本发明还公开了一种该夹心式单相驱动旋转型压电作动器的驱动方法，包含以下步骤：

步骤1），如果需要第一转子、第二转子正向转动，对扭振模块施加预设的第一简谐电压信号即可，此时，压电复合梁被激励出2n+1阶扭转振动，n为大于等于0的自然数，诱发驱动圆环的m阶面外弯曲振动A，m为大于等于3的自然数，进而通过驱动齿的摩擦驱动第一转子、第二转子正向转动，如图5所示；

步骤2），如果需要第一转子、第二转子反向转动，对第一弯振单元、第二弯振单元施加预设的第二简谐电压信号即可，此时，压电复合梁被激励出2n+2阶弯曲振动，诱发驱动圆环的m阶面外弯曲振动B，进而通过驱动齿的摩擦驱动第一转子、第二转子反向转动，如图6所示。

面外弯曲振动A和面外弯曲振动B空间上相差90度，其对比如图7所示。

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)

1.一种夹心式单相驱动旋转型压电作动器，其特征在于，包括定子、第一转子和第二转子；

所述定子包括压电复合梁和驱动圆环；

所述驱动圆环呈圆环状且两侧端面上均周向均匀设有k个驱动齿，且两侧端面上的驱动齿一一对称，k为大于等于3的自然数；

所述压电复合梁包含变幅梁、前梁、后梁、第一连接梁、第二连接梁、扭振模块、弯振模块和预紧螺栓；

所述扭振模块包含夹持片、以及第一至第四扭振压电陶瓷片；

所述第一至第四扭振压电陶瓷片结构相同，呈正方形，中心设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔，均包含两个扭振单元；所述两个扭振单元的分界线经过扭振压电陶瓷片的中心且平行于扭振压电陶瓷片的一边，沿分界线方向极化且极化方向相反；

所述夹持片和第一扭振压电陶瓷片形状相同，中心设有和所述预紧螺栓相配合的通孔，两侧对称设有用于和外界固连的耳片；

第一扭振压电陶瓷片、第二扭振压电陶瓷片、夹持片、第三扭振压电陶瓷片、第四扭振压电陶瓷片依次层叠，第一、第四扭振压电陶瓷片的分界线共面且极化方向相反，第二、第三扭振压电陶瓷片的分界线共面且极化方向相反，第一、第二扭振压电陶瓷片的分界线相互垂直；

所述弯振模块包含第一至第四弯振压电陶瓷片；

所述第一至第四弯振压电陶瓷片结构相同，呈正方形，面积小于等于第一扭振压电陶瓷片，中心设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔，均采用双分区压电陶瓷片；两个分区的分界线经过弯振压电陶瓷片的中心且平行于弯振压电陶瓷片的一边，沿厚度方向极化且极化方向相反；

第一弯振压电陶瓷片、第二弯振压电陶瓷片层叠形成第一弯振单元，第三弯振压电陶瓷片、第四弯振压电陶瓷片层叠形成第二弯振单元，第一至第四弯振压电陶瓷片分界线共面，第一、第二弯振压电陶瓷片极化方向相反，第三、第四弯振压电陶瓷片极化方向相反，第二、第三弯振压电陶瓷片极化方向相同；

所述变幅梁为正四棱台，其面积较大的一端端面形状和第一扭振压电陶瓷片形状相同，面积较小的一端和所述驱动圆环的侧壁固连，变幅梁的轴线经过驱动圆环的中心，且驱动圆环的轴线平行于变幅梁面积较大的一端端面的一条边长；

所述前梁、后梁结构均为横截面和第一弯振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，其中，后梁沿轴线设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔；前梁一端设有用于和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔，另一端和所述变幅梁面积较大的一端对应同轴固连；

所述第一连接梁、第二连接梁结构相同，均包含第一连接部和第二连接部，其中，第一连接部为横截面和第一弯振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，第二连接部为横截面和第一扭振压电陶瓷片形状相同的正四棱柱，第一连接部、第二连接部同轴固连且沿轴线均设有用于和所述预紧螺栓相配合的通孔；

所述预紧螺栓依次穿过后梁、第一弯振单元、第一连接梁的第一连接部、第一连接梁的第二连接部、扭振模块、第二连接梁的第二连接部、第二连接梁的第一连接部、第二弯振单元后和前梁上的螺纹盲孔螺纹相连，将第一弯振单元、第一连接梁、扭振模块、第二连接梁、第二弯振单元、前梁夹紧在后梁和前梁之间，使得第一弯振单元、第二弯振单元位于压电复合梁的弯曲振动的波峰或波谷处，扭振模块位于压电复合梁的扭转振动的节点处；

所述压电复合梁用于输出弯曲振动或扭转振动激励出驱动圆环的面外弯曲振动，所述驱动圆环两侧端面上的驱动齿均不在面外弯曲振动的波峰、波谷或节点上；

所述第一转子、第二转子结构相同，呈圆环状，对称设置在驱动圆环两侧，分别和驱动圆环两侧端面上的驱动齿相抵，和外界相连且由外界施加预压力，用于输出扭矩。

2.根据权利要求1所述的夹心式单相驱动旋转型压电作动器，其特征在于，所述k取8。

3.基于权利要求1所述的夹心式单相驱动旋转型压电作动器的驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），如果需要第一转子、第二转子正向转动，对扭振模块施加预设的第一简谐电压信号即可，此时，压电复合梁被激励出2n+1阶扭转振动，n为大于等于0的自然数，诱发驱动圆环的m阶面外弯曲振动A，m为大于等于3的自然数，进而通过驱动齿的摩擦驱动第一转子、第二转子正向转动；

步骤2），如果需要第一转子、第二转子反向转动，对第一弯振单元、第二弯振单元施加预设的第二简谐电压信号即可，此时，压电复合梁被激励出2n+2阶弯曲振动，诱发驱动圆环的m阶面外弯曲振动B，进而通过驱动齿的摩擦驱动第一转子、第二转子反向转动。