CN105141174B - 一种贴片式驻波旋转型压电作动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式驻波旋转型压电作动器，包含圆柱滚轴、固定装置和两个相对位置错开的同形定子组件，所述定子组件包含压电陶瓷片和矩形板，所述压电陶瓷片设置在矩形板的表面，所述圆柱滚轴设置在两个定子组件之间；其中，所述压电陶瓷片用于接收电信号激励定子组件产生2n+1阶纵向振动模态，所述固定装置设置在上、下定子组件各自的上、下表面的振动节面处。当对上、下定子组件分别施加具有π/2相位差的电信号激励将工作在纵向振动模态下，并通过摩擦作用驱动圆柱滚轴旋转。如果两相电信号同时反向，圆柱滚轴将会反向旋转。该作动器具有结构简单、紧凑、易于加工、装配和微小型化等优点，并且解决了频率一致性问题。

Description

一种贴片式驻波旋转型压电作动器

技术领域

本发明涉及一种压电作动器，尤其涉及一种贴片式驻波旋转型压电作动器，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

压电作动器是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体产生微幅振动，并通过定、转子之间的摩擦将其转换为转子的回转运动，驱动负载，是一种全新概念的微型作动器。目前的压电作动器主要以压电超声电机、压电叠堆驱动器等为代表，而压电超声电机作为一种共振式压电作动器，已经在航空航天、武器、生物医学、光学、机器人等领域推广应用并产业化。大部分的压电超声电机都是采用两相模态耦合的原理进行工作，即定子***采用纵弯模态耦合或者纵扭模态耦合或者弯弯模态耦合或者弯扭模态耦合，而最为典型的是驻波直线/旋转型压电超声电机，在两相模态一致的情况下能输出较大的速度与推力，近年来受到了研究人员的青睐。尽管两相模态耦合型压电超声电机具有许多优点，但是这类作动器也存在致命缺点，就是两相模态频率一致性问题始终没法解决。即使通过仿真计算优化结构尺寸能够最大限度减少两相模态的频率差，但是无法完全使两相模态频率一致，并且由于加工装配误差，导致两相工作模态始终存在一定的差异，因此作动器的驱动控制部分变得复杂，同时性能也大打折扣。为了解决压电作动器频率一致性的问题，本发明提出了一种贴片式驻波旋转型压电作动器，采用了两个同形的定子组件，利用两相纵向振动模态在时间和空间上存在π/2相位差来驱动圆柱滚轴旋转，解决了两相模态频率不一致的问题，具有结构简单、紧凑、易于加工、装配和微型化的特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提出了一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其解决了传统压电作动器存在的两相模态频率不一致的问题，具有结构简单、紧凑、易于加工、装配和微小型化的特点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种贴片式驻波旋转型压电作动器，包含圆柱滚轴和两个相对位置错开的同形定子组件，所述定子组件包含压电陶瓷片和矩形板，所述压电陶瓷片设置在矩形板的表面，所述圆柱滚轴设置在两个定子组件之间；其中，所述压电陶瓷片用于接收电信号激励定子组件产生2n+1阶纵向振动模态，其中，n≥1且n为整数。

作为本发明一种贴片式驻波旋转型压电作动器的进一步优选方案，在所述定子组件上还设有多个固定装置，且均匀分布在定子组件纵向振动的节线位置上，所述固定装置用于固定和调节两个定子组件与圆柱滚轴之间的接触压力。

作为本发明一种贴片式驻波旋转型压电作动器的进一步优选方案，所述压电陶瓷片粘贴在矩形板与圆柱滚轴接触面相对的表面，并且位于矩形板的纵向振动模态的节面处。

作为本发明一种贴片式驻波旋转型压电作动器的进一步优选方案，在与圆柱滚轴接触位置的两个定子组件上还设有用于固定圆柱滚轴的V型凹槽。

作为本发明一种贴片式驻波旋转型压电作动器的进一步优选方案，所述压电陶瓷片为矩形压电陶瓷片，并且沿长度方向进行极化。

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：

本发明提出了一种贴片式驻波旋转型压电作动器，采用了两个同形的定子组件，利用其结构以及振动特性的一致性特点，解决了传统压电作动器单一定子组件存在的两相模态频率不一致的问题，具有结构简单、紧凑、易于加工、装配和微小型化的特点。

附图说明

图1是本发明贴片式旋转型压电作动器的结构示意图；

图2是本发明贴片式旋转型压电作动器的结构简图；

图3是本发明贴片式旋转型压电作动器圆柱滚轴的局部安装细节图；

图4是本发明贴片式旋转型压电作动器t＝0时的工作状态示意图；

图5是本发明贴片式旋转型压电作动器t＝1/4T时的工作状态示意图；

图6是本发明贴片式旋转型压电作动器t＝1/2T时的工作状态示意图；

图7是本发明贴片式旋转型压电作动器t＝3/4T时的工作状态示意图；

图8是本发明可变预压力的周期性变化曲线；

图9是本发明可变摩擦推力的周期性变化曲线。

其中：1-固定装置，2-压电陶瓷片，3-矩形块，4-圆柱滚轴，3.1-定子组件纵向振动的节线，3.2-定子组件纵向振动的波峰，3.3-定子组件纵向振动的波谷，3.4-V型凹槽。

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：

如图1所示，本发明提出了一种贴片式驻波旋转型压电作动器，一种贴片式驻波旋转型压电作动器，包含圆柱滚轴4和两个相对位置错开的同形定子组件，所述定子组件包含压电陶瓷片2和矩形板3，所述压电陶瓷片2设置在矩形板3的表面，所述圆柱滚轴(4)设置在两个定子组件之间；其中，所述压电陶瓷片2用于接收电信号激励定子组件产生2n+1阶纵向振动模态，n≥1，n为整数，在所述定子组件上还设有多个固定装置1，且均匀分布在定子组件纵向振动的节线位置上，所述固定装置1用于固定和调节两个定子组件与圆柱滚轴4之间的接触压力，所述压电陶瓷片2粘贴在矩形板3与圆柱滚轴4接触面相对的表面，并且位于矩形板3的纵向振动模态的节面处，在与圆柱滚轴4接触位置的两个定子组件上还设有用于固定圆柱滚轴4的V型凹槽3.4，所述压电陶瓷片2为矩形压电陶瓷片，并且沿长度方向进行极化。

本发明提出了一种贴片式驻波旋转型压电作动器，采用了两个同形的定子组件，利用其结构以及振动特性的一致性特点，解决了传统压电作动器单一定子组件存在的两相模态频率不一致的问题，具有结构简单、紧凑、易于加工、装配和微小型化的特点。

贴片式旋转型压电作动器的结构简图如图2所示，两个同形定子组件具有相同的结构以及振动特性，其中压电陶瓷片沿着长度方向上极化，并粘贴在矩形板与圆柱滚轴接触面相对的表面，其粘贴位置为定子组件纵向振动的节面处。

圆柱滚轴的局部安装细节图如图3所示，圆柱滚轴的具***置是位于上定子组件纵向振动的节面处和下定子组件纵向振动的波峰3.2或波谷处3.3；同时，为了使圆柱滚轴固定在上述位置，在上、下定子组件与圆柱滚轴接触的位置设置了V型凹槽。

定子组件由压电陶瓷片与矩形板组成，其中压电陶瓷片设置在矩形板的表面，圆柱滚轴设置在两个定子组件之间，矩形板可根据应用设计为矩形梁或者圆柱杆，同样压电陶瓷片根据矩形板的结构变化而重新设计，两个同形定子组件具有相同的结构以及振动特性。

当压电陶瓷片被施加电信号后会激发出定子组件的2n+1(n≥1，n为正整数)阶纵向振动模态。所述两个同形的定子组件分别设置在圆柱滚轴的上下区域，分别为上定子组件和下定子组件，其中上、下定子组件分别在正弦电压或余弦电压的激励下产生2n+1(n≥1，n为正整数)阶纵向振动模态。所述圆柱滚轴设置在两个定子组件的中间，并且两个定子组件的位置错开，具***置是位于上定子组件纵向振动的节面处和下定子组件纵向振动的波峰或波谷处，同时，为了使圆柱滚轴固定在上述位置，在两个定子组件与圆柱滚轴接触的位置设置了V型凹槽。所述固定装置放置在定子组件的节面位置，并且在节线位置上均匀分布，用于固定和调节上下定子组件与圆柱滚轴之间的接触压力。所述圆柱滚轴始终与上定子组件的纵向振动节面位置接触，而与下定子组件的纵向振动波峰或波谷位置交替接触，其中与上定子组件的纵向振动波峰或者波谷位置交替接触，其中与上定子组件的纵向振动节面位置接触，受到上定子组件施加在圆柱滚轴沿切向的可变摩擦推力，而与下定子组件的纵向振动波谷或波峰位置周期性接触时，受到下定子组件施加在圆柱滚轴上法向的可变预压力，并且可变摩擦推力随着可变预压力的变化而变化；随着可变预压力周期性的变化，圆柱滚轴受到可变摩擦推力驱动连续旋转。

通过对两个定子组件上的压电陶瓷片分别施加具有π/2相位差的电信号，激励定子组件产生2n+1阶纵向振动；所述圆柱滚轴设置在上定子组件振动的节面处和下定子组件振动的波峰或者波谷处，从而通过摩擦作用驱动圆柱滚轴旋转；所述固定装置设置在上、下定子组件各自的上、下表面的振动节面处。如果两相电信号同时反向，圆柱滚轴将会反向旋转。该电机具有结构简单、紧凑、易于加工、装配和微小型化等优点，并且解决了频率一致性问题。

当同时对设置在上、下定子组件表面的压电陶瓷片施加具有π/2的相位差电信号后，激发出定子组件的2n+1阶纵向振动模态，通过摩擦力驱动圆柱滚轴旋转。具体的工作过程如下，在t＝0时，作动器处于初始状态，定子组件处于平衡位置，圆柱滚轴保持静止，如图4所示。经过1/4个周期后，即当t＝1/4T时，上、下定子组件由于压电陶瓷片的激励产生相同的变形，此时定子组件产生2n+1纵向振动模态，并且处于振动模态的第一个1/4周期，如图5所示。由于圆柱滚轴设置在上定子组件的纵向振动节面处，因此上定子组件始终施加了一个可变切向摩擦推力FT在在圆柱滚轴上，而圆柱滚轴与下定子组件接触的区域位于下定子组件纵向振动的波峰处，因此圆柱滚轴受到了下定子组件施加的法向可变预压力F_Z，此时圆柱滚轴受到的切向摩擦推力F_T1和法向预压力F_Z1处于最大值，同时切向可变摩擦推力随着法向可变预压力的变化而变化，如图8或9所示，可变预压力和可变摩擦力的周期变化曲线如图：从0到1/4T时，法向可变预压力从0增加F_Z1，而切向可变摩擦推力随着法向预压力的增加而增加至F_T1。在这一过程中，由于切向可变摩擦推力的作用，圆柱滚轴开始旋转，转速从0增加至V₁。再经过1/4个周期后，即当t＝1/2T时，定子组件回复到原来的平衡位置，即上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都为0，而圆柱滚轴处于最大速度转速，由于惯性作用将继续旋转，如图6所示。在第二个1/4个周期中，上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都从最大值逐渐减至0，而圆柱滚轴的转速不断增加至最大V₂。当t＝3/4T时，定子组件的变形重新恢复，与t＝3/4T时刻的区别是波峰位置变为波谷位置，而波谷位置变为波峰位置，但是节面位置始终不改变，如图7所示。因此，圆柱滚轴处于上定子组件纵向振动的节面位置和下定子组件纵向振动的波谷位置，此时下定子组件施加给圆柱滚轴的法向预压力为F_Z2，是下半个周期内的最大法向预压力，但是小于上半个周期的最大法向预压力F_Z1，而上定子组件施加给圆柱滚轴的切向摩擦推力为F_T2，同样也是下半个周期内最大的切向摩擦推力，但是绝对值小于上半个周期的最大切向摩擦推力F_T1，同时F_Z1和F_Z2方向相同，F_T1和F_T2的方向相反。在第三个1/4个周期中，上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都从0逐渐增加至下半个周期内的最大，而圆柱滚轴的转速由于切向摩擦推力与转动方向相反，因此不断减小至V₃。当t＝T时，定子组件的振动又处于平衡位置，即上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都为0，而圆柱滚轴处于低速旋转过程，由于惯性作用将继续旋转。在第四个1/4个周期中，上、下定子组件施加在圆柱滚轴上的切向可变摩擦推力和法向可变预压力都从下半个周期的最大值逐渐减至0，同时切向摩擦推力对圆柱滚轴的阻碍作用逐渐降低至0，圆柱滚轴的转速也在不断减小。当下一个周期的激励继续，上、下定子组件将重复上一个周期的振动方式，而圆柱滚轴将按照上一个周期的运动方式继续旋转，因此在两相电信号的激励下，圆柱滚轴实现了连续旋转。若同时改变两相电信号的方向，圆柱滚轴的旋转方向将反向。

根据定子组件的工作方式和结构设计，以及圆柱滚轴的布局，可以看出上、下定子组件的振动模态一致，实现了驱动圆柱滚轴进行连续旋转运动。因此本发明在原理上就保证了定子组件部分的工作频率的一致性。在实际应用过程中，只要保证工艺的一致性，就可以完全解决传统压电作动器存在的两相频率一致性问题。对于本发明所提出的贴片式驻波旋转型压电作动器，其定子组件不仅可以工作在纵向振动模态，同时也可以工作在弯曲振动模态来实现圆柱滚轴的旋转运动，其机理与纵向振动模态一致。

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。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于：包含圆柱滚轴(4)和两个相对位置错开的同形定子组件，所述定子组件包含压电陶瓷片(2)和矩形板(3)，所述压电陶瓷片(2)设置在矩形板(3)的表面，所述圆柱滚轴(4)设置在两个定子组件之间；其中，所述压电陶瓷片(2)用于接收电信号激励定子组件产生2n+1阶纵向振动模态，其中，n≥1且n为整数，在所述定子组件上还设有多个固定装置(1)，且均匀分布在定子组件纵向振动的节线位置上，所述固定装置(1)用于固定和调节两个定子组件与圆柱滚轴之间的接触压力。

2.根据权利要求1所述的一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于：所述压电陶瓷片(2)粘贴在矩形板(3)与圆柱滚轴(4)接触面相对的表面，并且位于矩形板(3)的纵向振动模态的节面处。

3.根据权利要求1所述的一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于：在与圆柱滚轴(4)接触位置的两个定子组件上还设有用于固定圆柱滚轴(4)的V型凹槽(3.4)。

4.根据权利要求1所述的一种贴片式驻波旋转型压电作动器，其特征在于：所述压电陶瓷片(2)为矩形压电陶瓷片，并且沿长度方向进行极化。