旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電精密致動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電作動(dòng)器是最近三十年才發(fā)展起來(lái)的一種全新概念的新型驅(qū)動(dòng)裝置。它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)化為彈性體的超聲振動(dòng)，并通過摩擦傳動(dòng)方式轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)。壓電作動(dòng)器發(fā)展至今，已經(jīng)取得了豐碩成果。部分壓電作動(dòng)器已經(jīng)在航空航天、武器、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用并商業(yè)化，特別值得一提的是旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器，由于其定位精度高，響應(yīng)時(shí)間短，已經(jīng)應(yīng)用在Canon公司照相機(jī)上AF鏡頭上的聚焦系統(tǒng)。
[0003]但是由于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、控制難度高，同時(shí)難以將結(jié)構(gòu)進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)。針對(duì)已提出的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器存在的問題，本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于微型化等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)【背景技術(shù)】中涉及到的缺陷，提供一種成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于微型化、響應(yīng)時(shí)間短、定位精度高的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器，并提供其控制方法。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器，包含定子和球形轉(zhuǎn)子，所述定子包含圓環(huán)結(jié)構(gòu)、兩根橫梁和4片壓電薄膜；
所述兩根橫梁的一端均與所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁固定相連，且兩根橫梁的軸線均指向所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心；
所述4片壓電薄膜分別對(duì)稱設(shè)置在所述兩根橫梁的上下表面；
所述球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)上；
所述兩根橫梁的軸線之間的夾角為KX90°/n，其中η為圓環(huán)結(jié)構(gòu)面外振動(dòng)的階數(shù)，K為預(yù)先設(shè)置的奇數(shù)；
所述的壓電薄膜沿厚度方向極化，并且兩根橫梁上下表面設(shè)置的壓電薄膜的極化方向相反。
[0006]作為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述的壓電薄膜通過鍍層的方式設(shè)置在橫梁上。
[0007]本發(fā)明還公開了基于該旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器的控制方法，包含以下具體步驟:
當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有η相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面壓電薄膜上的電信號(hào)具有V2相位差，將激勵(lì)定子產(chǎn)生A相模態(tài)(其中兩根橫梁呈現(xiàn)彎曲振動(dòng)，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)兩相具有V2相位差的η階面外彎曲振動(dòng))，并且在圓環(huán)結(jié)構(gòu)上耦合形成繞周向進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)的行波，通過摩擦作用驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子正向轉(zhuǎn)動(dòng)；
當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有JT相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面壓電薄膜上的電信號(hào)具有-V2相位差，將激勵(lì)定子產(chǎn)生B相模態(tài)(其中兩根橫梁呈現(xiàn)彎曲振動(dòng)，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)兩相具有-V2相位差的η階面外彎曲振動(dòng))，并且在圓環(huán)結(jié)構(gòu)上耦合形成繞周向進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)的行波，通過摩擦作用驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0008]本發(fā)明旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于微型化、制作成本低的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是定子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是橫梁結(jié)構(gòu)角度設(shè)計(jì)示意圖；
圖4是壓電薄膜的極化方式和激勵(lì)信號(hào)施加方式示意圖；
圖5是本發(fā)明工作模態(tài)A的振型圖；
圖6是本發(fā)明工作模態(tài)B的振型圖。
[0010]圖中，丨-球形轉(zhuǎn)子，2-橫梁，3-壓電薄膜，4-圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
本發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器，如圖1所示，包含定子和球形轉(zhuǎn)子。定子包含圓環(huán)結(jié)構(gòu)、兩根橫梁和4片壓電薄膜，兩根橫梁的一端均與所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁固定相連，且兩根橫梁的軸線均指向所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心。
[0012]如圖2所示，4片壓電薄膜分別對(duì)稱設(shè)置在所述兩根橫梁的上下表面;球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)上。
[0013]兩根橫梁的軸線之間的夾角為KX90°/n，其中η為圓環(huán)結(jié)構(gòu)面外振動(dòng)的階數(shù)，K為預(yù)先設(shè)置的奇數(shù)，如圖3所示。
[0014]壓電薄膜沿厚度方向極化，并且兩根橫梁上下表面設(shè)置的壓電薄膜的極化方向相反，如圖4所示。
[0015]壓電薄膜可通過鍍層的方式生長(zhǎng)在橫梁上，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)定子結(jié)構(gòu)的微型化。
[0016]對(duì)單根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加具有相位差的兩相電信號(hào)，可以激發(fā)出橫梁的彎曲振動(dòng)和圓環(huán)結(jié)構(gòu)的η階面外彎曲振動(dòng)模態(tài)。
[0017]當(dāng)兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有π/2相位差時(shí)，分別激發(fā)出圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩相η階面外彎曲振動(dòng)模態(tài)，即在圓環(huán)上激勵(lì)出兩相在空間上具有V2相位差的兩個(gè)同頻同形的駐波，從而在圓環(huán)上耦合出沿周向行進(jìn)的行波，并通過摩擦作用驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，令此時(shí)球形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎颉?br>[0018]當(dāng)兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有-V2相位差時(shí)，分別激發(fā)出圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩相η階面外彎曲振動(dòng)模態(tài)，即在圓環(huán)上激勵(lì)出兩相在空間上具有-V2相位差的兩個(gè)同頻同形的駐波，球形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)將反向。
[0019]采用圖4所示的激勵(lì)方式，以圓環(huán)結(jié)構(gòu)的三階面外振動(dòng)模態(tài)為例說(shuō)明旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器的工作機(jī)理，其中兩根橫梁的夾角KX90°/n取150°為例。當(dāng)對(duì)左側(cè)橫梁的上下兩片壓電薄膜分別施加sin(cot)和-sin(cot)的電壓激勵(lì)信號(hào)時(shí)，將會(huì)激勵(lì)出定子的A相工作模態(tài)，其中橫梁呈現(xiàn)彎曲振動(dòng)，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)3階面外振動(dòng)，如圖5所示；當(dāng)對(duì)右側(cè)橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加COS(COt)和-COS(COt)的電壓激勵(lì)信號(hào)時(shí)，將會(huì)激勵(lì)出定子的B相工作模態(tài)，其中橫梁呈現(xiàn)彎曲振動(dòng)，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)另外一個(gè)3階面外振動(dòng)，在空間上與A相模態(tài)下的圓環(huán)結(jié)構(gòu)的振型存在V2的空間相位差，如圖6所示；由于兩根橫梁上表面的壓電薄膜施加的電信號(hào)在時(shí)間上相差V2，因此兩個(gè)3階面外振動(dòng)在圓環(huán)結(jié)構(gòu)上耦合出繞周向行進(jìn)的行波；由球形轉(zhuǎn)子的重力提供預(yù)壓力，因此通過摩擦作用驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。若兩根橫梁上表面的壓電薄膜施加的電信號(hào)在時(shí)間上相差-π/2，球形轉(zhuǎn)子將反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0020]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來(lái)解釋。
[0021]以上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器，包含定子和球形轉(zhuǎn)子(I)，其特征在于: 所述定子包含圓環(huán)結(jié)構(gòu)(4)、兩根橫梁(2)和4片壓電薄膜(3); 所述兩根橫梁(2)的一端均與所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)(4)的外側(cè)壁固定相連，且兩根橫梁(2)的軸線均指向所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)(4)的圓心； 所述4片壓電薄膜(3)分別對(duì)稱設(shè)置在所述兩根橫梁(2)的上下表面； 所述球形轉(zhuǎn)子(I)設(shè)置在圓環(huán)結(jié)構(gòu)(4)的內(nèi)圓環(huán)上； 所述兩根橫梁(2)的軸線之間的夾角為KX90°/n，其中η為圓環(huán)結(jié)構(gòu)(4)面外振動(dòng)的階數(shù)，K為預(yù)先設(shè)置的奇數(shù)； 所述壓電薄膜(3)沿厚度方向極化，并且兩根橫梁(2)上下表面設(shè)置的壓電薄膜(3)的極化方向相反。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器，其特征在于:所述壓電薄膜(3)通過鍍層的方式設(shè)置在橫梁(2)上。3.基于權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器的控制方法，其特征在于，包含以下具體步驟: 當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子(I)進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)兩根橫梁(2)上下表面的壓電薄膜(3)分別施加兩相具有η相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁(2)上表面壓電薄膜(3)上的電信號(hào)具有π/2相位差； 當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子(I)進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)兩根橫梁(2)上下表面的壓電薄膜(3)分別施加兩相具有η相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁(2)上表面壓電薄膜(3)上的電信號(hào)具有-π/2相位差。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動(dòng)器及其控制方法，所述壓電作動(dòng)器包含定子和球形轉(zhuǎn)子；定子包含圓環(huán)結(jié)構(gòu)、兩根橫梁和4片壓電薄膜；兩根橫梁的一端均與所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁固定相連，且軸線均指向所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心；4片壓電薄膜分別對(duì)稱設(shè)置在所述兩根橫梁的上下表面；球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)上；兩根橫梁的軸線之間的夾角為K×90°/n，其中n為圓環(huán)結(jié)構(gòu)面外振動(dòng)的階數(shù)，K為預(yù)先設(shè)置的奇數(shù)；壓電薄膜沿厚度方向極化，并且兩根橫梁上下表面設(shè)置的壓電薄膜的極化方向相反。本發(fā)明通過施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)在4片壓電薄膜上來(lái)激勵(lì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生行波來(lái)驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于微型化等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H02N2/16, H02N2/10, H02N2/14
【公開號(hào)】CN105634328
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610109993
【發(fā)明人】陳迪, 王亮, 金家楣, 章洪軒
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年2月26日