CN105071692B - 多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器 - Google Patents

Abstract

多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，属于压电驱动技术领域，本发明为解决现有压电驱动器输出不稳定、预压***结构复杂、弹性支撑环节振动幅度大、预压力施加复杂、工作频率范围窄、机械输出特性调整不灵活的问题。包括基座和弯曲换能器，弯曲换能器包括两组压电陶瓷组、螺柱、前端盖和驱动足；两组压电陶瓷组均包括偶数个压电陶瓷片，相邻两个压电陶瓷片之间设置电极片；相邻两个压电陶瓷片极化方向相反；压电陶瓷片沿弯曲换能器轴线方向极化；第一压电陶瓷片均分为左区、第一中区和右区，第二压电陶瓷片均分为上区、第二中区和下区，左区和右区极化方向相反，上区和下区的极化方向相反，第一中区和第二中区不极化。本发明用于压电驱动。

Description

多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器

技术领域

本发明涉及一种多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，属于压电驱动技术领域。

背景技术

压电驱动是一种利用压电功能材料的逆压电效应实现致动输出的新型驱动方式，与传统电磁驱动相比，具有结构多样、定位精度高、分辨力高、断电自锁、无电磁干扰、响应速度快、低速大推力/力矩、易于实现直线和多自由度驱动等优点，是目前常用一种精密驱动方式。

目前成熟的压电驱动一般通过两个或者多个定子固有振动的组合实现驱动齿或驱动足处椭圆轨迹振动的激励，进而通过定子和动子之间的摩擦耦合实现动子致动。目前已经有很多新结构的足式压电驱动器被提出，但是他们普遍采用单足或者双足实现驱动，由于驱动足数量有限，存在输出不稳定、预压***结构复杂等问题；此外，目前压电驱动器采用的定子振动大多属于自由振动的范畴，多数采用薄壁环或者薄壁梁来实现弹性支撑和振动的隔离，实际工作过程中弹性环节存在高幅度振动，而且弹性环节的存在也不利于施加大的预压力；另外，压电驱动器一般工作在某一个共振模态，也就是只有一个最佳工作频率，其工作频率一般在共振频率附近，这使得其工作频率范围较窄，不利于机械输出特性的灵活调整。

发明内容

本发明目的是为了解决现有压电驱动器存在输出不稳定、预压***结构复杂、弹性支撑环节振动幅度大、预压力施加复杂、工作频率范围窄、机械输出特性调整不灵活的问题，提供了一种多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器。

本发明所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，包括基座和n个弯曲换能器，其中，n为大于等于4的偶数，n个弯曲换能器对称分布在基座的两侧；每个弯曲换能器包括第一压电陶瓷组、第二压电陶瓷组、螺柱、前端盖、驱动足和电极片；前端盖是截面逐渐变细的块体，驱动足设置在前端盖的窄端；第一压电陶瓷组和第二压电陶瓷组依次通过螺柱紧固在基座和前端盖的宽端之间；n个弯曲换能器通过n个螺柱对称固定在基座的两侧；第一压电陶瓷组包括m个第一压电陶瓷片，m为大于等于2的偶数，相邻的两个第一压电陶瓷片之间设置有电极片；相邻两个第一压电陶瓷片的极化方向相反；m个第一压电陶瓷片沿弯曲换能器轴线方向极化；每个第一压电陶瓷片均分为左区、第一中区和右区，左区和右区的极化方向相反，第一中区不极化；第二压电陶瓷组包括k个第二压电陶瓷片，k为大于等于2的偶数，相邻的两个第二压电陶瓷片之间均设置有电极片；相邻两个第二压电陶瓷片的极化方向相反；k个第二压电陶瓷片沿弯曲换能器轴线方向极化；每个第二压电陶瓷片均分为上区、第二中区和下区，上区和下区的极化方向相反，第二中区不极化。

本发明的优点：本发明所述的多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器结构简单、易于实现集成化和系列化；采用仿多足生物的多足驱动方式可实现稳定的输出，且预压***较简单；工作过程中安装座与外部结构固定连接，换能器工作在悬臂弯曲振动状态，克服了薄壁构件弹性支撑带来的振幅大、预压力提高受限等问题；此外，弯曲换能器可以基于一阶弯振模态工作，也可以工作在其他高阶弯振模态，这使得该驱动器具有多个工作频率，极大程度的提高了其工作频率范围，也使其可以获得更加丰富的机械输出特性。本发明的多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器具有结构简单、设计灵活、输出稳定、工作频率范围宽等突出优点。

附图说明

图1是当n＝4、m＝4、k＝4时多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中第一压电陶瓷组的极化方向示意图；

图4是图1中第二压电陶瓷组的极化方向示意图；

图5是有两个对称弯曲换能器的一阶水平弯曲振动的振型图；

图6是有两个对称弯曲换能器的一阶竖直弯曲振动的振型图；

图7是有两个对称弯曲换能器的二阶水平弯曲振动的振型图；

图8是有两个对称弯曲换能器的二阶竖直弯曲振动的振型图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1-图8说明本实施方式，本实施方式所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，包括基座1和n个弯曲换能器2，其中，n为大于等于4的偶数，n个弯曲换能器2对称分布在基座1的两侧；

每个弯曲换能器2包括第一压电陶瓷组2-1、第二压电陶瓷组2-2、螺柱2-3、前端盖2-4、驱动足2-5和电极片2-6；前端盖2-4是截面逐渐变细的块体，驱动足2-5设置在前端盖2-4的窄端；第一压电陶瓷组2-1和第二压电陶瓷组2-2依次通过螺柱紧固在基座1和前端盖2-4的宽端之间；n个弯曲换能器2通过n个螺柱2-3对称固定在基座1的两侧；

第一压电陶瓷组2-1包括m个第一压电陶瓷片2-1-1，m为大于等于2的偶数，相邻的两个第一压电陶瓷片2-1-1之间设置有电极片2-6；相邻两个第一压电陶瓷片2-1-1的极化方向相反；m个第一压电陶瓷片2-1-1沿弯曲换能器2轴线方向极化；每个第一压电陶瓷片2-1-1均分为左区2-1-1-1、第一中区2-1-1-2和右区2-1-1-3，左区2-1-1-1和右区2-1-1-3的极化方向相反，第一中区2-1-1-2不极化；

第二压电陶瓷组2-2包括k个第二压电陶瓷片2-2-1，k为大于等于2的偶数，相邻的两个第二压电陶瓷片2-2-1之间均设置有电极片2-6；相邻两个第二压电陶瓷片2-2-1的极化方向相反；k个二压电陶瓷片2-2-1沿弯曲换能器2轴线方向极化；每个第二压电陶瓷片2-2-1均分为上区2-2-1-1、第二中区2-2-1-2和下区2-2-1-3，上区2-2-1-1和下区2-2-1-3的极化方向相反，第二中区2-2-1-2不极化。

本发明的工作原理为：本发明所述的多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器在应用时，共需要2n相激励信号，基座1、前端盖2-4、第一压电陶瓷组2-1中从一侧数所有偶数电极片2-6以及第二压电陶瓷组2-2中从一侧数所有偶数电极片2-6均与驱动电源的公共端(即为激励信号公共端)连接，第一压电陶瓷组2-1中从一侧数所有奇数电极片2-6与一相驱动信号连接，第二压电陶瓷组2-2中从一侧数所有奇数电极片2-6，与另一相驱动信号连接。

本发明的压电驱动器可以基于以下两种模式进行工作：

第一种模式：直流开关激励微驱动模式，在该模式下，通过给第一压电陶瓷组2-1施加正向或者负向直流激励电压，可以引起驱动足2-5水平方向弯曲，从而获得驱动足2-5左右的水平方向位移；通过给第二压电陶瓷组2-2施加正向或者负向直流激励电压，可以引起驱动足2-5竖直方向弯曲，从而获得驱动足2-5上下的竖直方向位移；驱动足2-5水平方向的位移实现对动子的推动，竖直方向的位移则用于控制驱动足与动子的接触状态；每个驱动足2-5对动子的状态均是一个“压-推-离-退”的周期性过程，通过控制各个换能器上压电陶瓷激励信号之间的相位差，可以实现多***替蠕动驱动；通过调整激励电压幅值，可以实现单次蠕动步距的精确调整，通过调整各压电元件施加激励信号的开关频率可以实现输出速度的调整；

第二种模式：高频交流激励共振模态，在该模式下，2n相激励信号为同频率的高频交变信号，其频率可以是换能器任意一个固有弯振模态的特征频率(比如一阶弯振模态特征频率、二阶弯振模态特征频率、三阶弯振模态特征频率……)，从而保证所有换能器均工作在同频的共振状态；对于单个换能器而言，其所施加的两相激励信号在时间上具有90度相位差，从而保证其竖直弯振和水平弯振在时间上也具有90度相位差，通过两个弯振的复合，在驱动足2-5处形成了高频的椭圆轨迹振动；驱动足2-5水平方向的振动可实现对动子的推动，竖直方向的振动则用于克服动子驱动足2-5之间的预压力；每个驱动足2-5的运动状态均为同频的椭圆轨迹振动，通过控制各个弯曲换能器2上压电陶瓷激励信号之间的相位差，可以实现多足同步或者交替致动；这种工作模式通过弯曲换能器2共振状态，可以在驱动足2-5处获得很高的振幅和振速，从而可以实现快速驱动。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一压电陶瓷组2-1和第二压电陶瓷组2-2的位置能够互换。

本实施方式中，第一压电陶瓷组2-1和第二压电陶瓷组2-2的位置互换只是调整了弯曲换能器2水平弯振和竖直弯振激励元件的设置位置，不会影响其正常工作。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一压电陶瓷片2-1-1的第一中区2-1-1-2的宽度大于等于第一压电陶瓷片2-1-1的厚度。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，第二压电陶瓷片2-2-1的第二中区2-2-1-2的宽度大于等于第二压电陶瓷片2-2-1的厚度。

本实施方式中，第二中区2-2-1-2的宽度大于等于第二压电陶瓷片2-2-1的厚度可以简化压电陶瓷的极化工艺。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，前端盖2-4的截面是对称结构，包括圆形、方形和正多边形。

本实施方式中，前端盖2-4的截面是对称结构可以简化压电驱动的制作工艺。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，第二压电陶瓷组2-2和前端盖2-4之间设置有电极片2-6。

本实施方式中，电极片2-6的设置可以简化驱动器与激励信号公共端的连接方式。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，第一压电陶瓷组2-1和基座1之间设置有电极片2-6。

本实施方式中，电极片2-6的设置可以简化驱动器与激励信号公共端的连接方式。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式一作进一步说明，基座1和螺柱2-3为一体件结构。

本实施方式中，一体件结构可以简化压电驱动的制作工艺。

具体实施方式九：本实施方式对实施方式一作进一步说明，n个弯曲换能器2的结构参数均相同。

本实施方式中，n个弯曲换能器2的结构相同可以保证各个驱动足振动特性的一致。

Claims (9)

1.多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，包括基座(1)和n个弯曲换能器(2)，其中，n为大于等于4的偶数，n个弯曲换能器(2)对称分布在基座(1)的两侧；

每个弯曲换能器(2)包括第一压电陶瓷组(2-1)、第二压电陶瓷组(2-2)、螺柱(2-3)、前端盖(2-4)、驱动足(2-5)和电极片(2-6)；前端盖(2-4)是截面逐渐变细的块体，驱动足(2-5)设置在前端盖(2-4)的窄端；第一压电陶瓷组(2-1)和第二压电陶瓷组(2-2)依次通过螺柱紧固在基座(1)和前端盖(2-4)的宽端之间；n个弯曲换能器(2)通过n个螺柱(2-3)对称固定在基座(1)的两侧；

第一压电陶瓷组(2-1)包括m个第一压电陶瓷片(2-1-1)，m为大于等于2的偶数，相邻的两个第一压电陶瓷片(2-1-1)之间设置有电极片(2-6)；相邻两个第一压电陶瓷片(2-1-1)的极化方向相反；m个第一压电陶瓷片(2-1-1)沿弯曲换能器(2)轴线方向极化；每个第一压电陶瓷片(2-1-1)均分为左区(2-1-1-1)、第一中区(2-1-1-2)和右区(2-1-1-3)，左区(2-1-1-1)和右区(2-1-1-3)的极化方向相反，第一中区(2-1-1-2)不极化；

第二压电陶瓷组(2-2)包括k个第二压电陶瓷片(2-2-1)，k为大于等于2的偶数，相邻的两个第二压电陶瓷片(2-2-1)之间均设置有电极片(2-6)；相邻两个第二压电陶瓷片(2-2-1)的极化方向相反；k个第二压电陶瓷片(2-2-1)沿弯曲换能器(2)轴线方向极化；每个第二压电陶瓷片(2-2-1)均分为上区(2-2-1-1)、第二中区(2-2-1-2)和下区(2-2-1-3)，上区(2-2-1-1)和下区(2-2-1-3)的极化方向相反，第二中区(2-2-1-2)不极化。

2.根据权利要求1所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，第一压电陶瓷组(2-1)和第二压电陶瓷组(2-2)的位置能够互换。

3.根据权利要求1所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，第一压电陶瓷片(2-1-1)的第一中区(2-1-1-2)的宽度大于等于第一压电陶瓷片(2-1-1)的厚度。

4.根据权利要求1所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，第二压电陶瓷片(2-2-1)的第二中区(2-2-1-2)的宽度大于等于第二压电陶瓷片(2-2-1)的厚度。

5.根据权利要求1所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，前端盖(2-4)的截面是对称结构，包括圆形、方形或正多边形。

6.根据权利要求1所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，第二压电陶瓷组(2-2)和前端盖(2-4)之间设置有电极片(2-6)。

7.根据权利要求1所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，第一压电陶瓷组(2-1)和基座(1)之间设置有电极片(2-6)。

8.根据权利要求1所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，基座(1)和螺柱(2-3)为一体件结构。

9.根据权利要求1所述多工作模式复合型悬臂多足压电驱动器，其特征在于，n个弯曲换能器(2)的结构参数均相同。