一種具有偏置壓電振子的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓電精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有偏置壓電振子的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的高速發(fā)展與社會(huì)的不斷進(jìn)步，各類機(jī)械產(chǎn)品呈現(xiàn)出“巨型化”和“微型化”的兩極發(fā)展趨勢(shì)。在微型化發(fā)展方向上，由于各種產(chǎn)品的不斷研發(fā)和應(yīng)用，對(duì)微納米級(jí)的定位、測(cè)量和控制技術(shù)均提出了更高的要求，其中，壓電型精密驅(qū)動(dòng)器憑借其分辨率高、頻率響應(yīng)好、單位面積輸出能量高、無(wú)電磁干擾、可微小化、易于實(shí)現(xiàn)一體化閉環(huán)控制等特點(diǎn)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，并在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]慣性式壓電驅(qū)動(dòng)器作為眾多壓電驅(qū)動(dòng)器中的一類，主要采用非對(duì)稱的機(jī)械夾持結(jié)構(gòu)、非對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或非對(duì)稱的摩擦力為控制方式，通過(guò)慣性沖擊運(yùn)動(dòng)形成驅(qū)動(dòng)。
[0004]機(jī)械結(jié)構(gòu)控制式慣性壓電驅(qū)動(dòng)器，通常采用非對(duì)稱機(jī)械夾持結(jié)構(gòu)和對(duì)稱驅(qū)動(dòng)信號(hào)共同作用產(chǎn)生的非對(duì)稱驅(qū)動(dòng)力作為動(dòng)力源，匹配對(duì)稱摩擦力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，并且其壓電雙晶片的布置不存在偏置距離，以旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)器為例，其兩個(gè)壓電雙晶片關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸軸心線對(duì)稱布置，不存在所述的偏置距離，驅(qū)動(dòng)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1a?圖1e所示。在對(duì)稱信號(hào)(例如方波)的一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要分為四個(gè)階段:①驅(qū)動(dòng)器不受信號(hào)時(shí)保持原始狀態(tài)，無(wú)運(yùn)動(dòng);②驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ο-a上升階段，壓電雙晶片向長(zhǎng)夾持側(cè)變形，產(chǎn)生大于摩擦力的較小驅(qū)動(dòng)力，使驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)主體向逆時(shí)針后退一小步θι，驅(qū)動(dòng)信號(hào)a-b穩(wěn)定階段，壓電雙晶片不變形，不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng);③驅(qū)動(dòng)信號(hào)b-c下降階段，壓電雙晶片向短夾持側(cè)變形，產(chǎn)生大于摩擦力的較大驅(qū)動(dòng)力，使驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)主體向順時(shí)針前進(jìn)一大步θ2，驅(qū)動(dòng)信號(hào)c-d穩(wěn)定階段，壓電雙晶片不變形，不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng);④驅(qū)動(dòng)信號(hào)d-e上升階段，壓電雙晶片恢復(fù)未變形狀態(tài)。綜上，在一個(gè)激勵(lì)信號(hào)周期內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器前進(jìn)一步A Q = Q2-Q1。在周期性信號(hào)激勵(lì)下，驅(qū)動(dòng)器將不斷重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。該類壓電驅(qū)動(dòng)器從機(jī)械結(jié)構(gòu)控制理念出發(fā)，采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)夾持生成驅(qū)動(dòng)力，相較于信號(hào)控制式、摩擦控制式壓電精密驅(qū)動(dòng)器而言，不僅巧妙地簡(jiǎn)化了復(fù)雜的電路控制系統(tǒng)，而且降低了高精度摩擦控制方法的要求，從而使得此類驅(qū)動(dòng)器的研究擁有較為寬松和理想的設(shè)計(jì)環(huán)境。
[0005]信號(hào)控制式慣性壓電驅(qū)動(dòng)器，采用非對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為動(dòng)力源，并匹配前進(jìn)和后退方向上對(duì)稱(數(shù)值相等)的摩擦力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。該類驅(qū)動(dòng)器由于需要建立相對(duì)復(fù)雜和精密的信號(hào)控制系統(tǒng)，會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器整機(jī)的微小化和集成化帶來(lái)一定難度。
[0006]摩擦控制式慣性壓電精密驅(qū)動(dòng)器采用對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和機(jī)械夾持結(jié)構(gòu)共同作用產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力作為動(dòng)力源，通過(guò)前進(jìn)與后退方向上非對(duì)稱的摩擦力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，由于摩擦力是非線性的，與接觸面情況和驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)參數(shù)等相關(guān)，計(jì)算和建模復(fù)雜，因此，為保證較好的工作性能，該類驅(qū)動(dòng)器對(duì)摩擦控制方法與摩擦接觸表面精度提出了更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種具有偏置壓電振子的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，以解決存在的信號(hào)控制式驅(qū)動(dòng)器電控系統(tǒng)復(fù)雜、摩擦控制式摩擦精度控制要求高的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:質(zhì)量塊通過(guò)螺栓分別固定在壓電雙晶片一、壓電雙晶片二的自由端部，該壓電雙晶片一、壓電雙晶片二夾持端分別通過(guò)螺栓和夾持條固接在L型夾持塊上，且夾持條和L型夾持塊夾持部分尺寸一樣，L型夾持塊通過(guò)螺栓固連在驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)主體塊上，主體塊與旋轉(zhuǎn)軸過(guò)盈配合，指針固結(jié)在軸頂部，軸承過(guò)盈配合連接在旋轉(zhuǎn)軸下端，軸承外圈過(guò)盈連接在底板上。
[0009]本發(fā)明所述壓電雙晶片一、壓電雙晶片二夾持端所在平面關(guān)于驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)軸軸心線存在偏置距離。
[0010]本發(fā)明所述壓電雙晶片一、壓電雙晶片二平行分布在驅(qū)動(dòng)器主體塊兩側(cè)，壓電雙晶片一、壓電雙晶片二各自?shī)A持端所在平面相平行，且兩者平面不經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)軸軸心線。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎，采用偏置布置、無(wú)夾持差?yuàn)A持的壓電雙晶片作為驅(qū)動(dòng)源，配合對(duì)稱電信號(hào)和對(duì)稱的摩擦力，略去了復(fù)雜的電路系統(tǒng)，也優(yōu)化了非對(duì)稱夾持差結(jié)構(gòu)不可控的夾持差調(diào)節(jié)方式。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1a是現(xiàn)有技術(shù)中一種利用非對(duì)稱夾持差機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣性壓電驅(qū)動(dòng)器的不受信號(hào)時(shí)保持原始狀態(tài)，無(wú)運(yùn)動(dòng)示意圖；
[0013]圖1b是現(xiàn)有技術(shù)中一種利用非對(duì)稱夾持差機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣性壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ο-a上升階段運(yùn)動(dòng)示意圖；
[0014]圖1c是現(xiàn)有技術(shù)中一種利用非對(duì)稱夾持差機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣性壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)b-c下降階段運(yùn)動(dòng)示意圖；
[0015]圖1d是現(xiàn)有技術(shù)中一種利用非對(duì)稱夾持差機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣性壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)d-e上升階段運(yùn)動(dòng)示意圖；
[0016]圖1e是現(xiàn)有技術(shù)中一種利用非對(duì)稱夾持差機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣性壓電驅(qū)動(dòng)器對(duì)稱信號(hào)以方波為例的波形圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)主體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明的單個(gè)壓電振子受力分析圖；
[0020]圖5a是本發(fā)明初始狀態(tài)圖；
[0021]圖5b是本發(fā)明當(dāng)其驅(qū)動(dòng)電信號(hào)由Ο-a的驅(qū)動(dòng)示意圖；
[0022]圖5c是本發(fā)明當(dāng)其驅(qū)動(dòng)電信號(hào)由c-d的驅(qū)動(dòng)示意圖；
[0023]圖5d是本發(fā)明在一個(gè)周期性電信號(hào)激勵(lì)下，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一小步Δβ時(shí)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]質(zhì)量塊5通過(guò)螺栓6分別固定在壓電雙晶片一11、壓電雙晶片二 13的自由端部，該壓電雙晶片一 U、壓電雙晶片二 13夾持端分別通過(guò)螺栓4和夾持條12固接在L型夾持塊1上，且夾持條12和L型夾持塊10夾持部分尺寸一樣，即不存在夾持差，L型夾持塊10通過(guò)螺栓3固連在驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)主體塊9上，主體塊9與旋轉(zhuǎn)軸8過(guò)盈配合，指針7固結(jié)在軸8頂部，用于觀測(cè)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，軸承I過(guò)盈配合連接在旋轉(zhuǎn)軸8下端，軸承外圈過(guò)盈連接在底板2上。
[0025]本發(fā)明所述壓電雙晶片一11、壓電雙晶片二 13夾持端所在平面關(guān)于驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)軸8軸心線存在偏置距離。
[0026]本發(fā)明所述壓電雙晶片一11、壓電雙晶片二 13平行分布在驅(qū)動(dòng)器主體塊9兩側(cè)，壓電雙晶片一 11、壓電雙晶片二 13各自?shī)A持端所在平面相平行，且兩者平面不經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)軸8軸心線。
[0027]如圖3所示，本驅(qū)動(dòng)器在裝配時(shí)，需保持豎直方向固定的L形夾持塊10上表面所在平面與主體塊8上表面所在平面重合，以保證壓電振子豎直方向布置。
[0028]如圖4所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器在對(duì)稱電信號(hào)作用而壓電振子朝下端運(yùn)動(dòng)時(shí)，振子所受合力標(biāo)記為F1，方向垂直于端部往上，將合力平移至C點(diǎn)，得到，做出F’jg旋轉(zhuǎn)軸軸心的力臂，記為1:，則驅(qū)動(dòng)器所受總的驅(qū)動(dòng)力矩為見與？’“#。點(diǎn)力矩之和；當(dāng)壓電振子朝上端運(yùn)動(dòng)時(shí)，振子所受合力標(biāo)記為F2,方向垂直于振子端部往下，將合力平移至C點(diǎn)，得到MdPF’2，做出F’2的力臂，記為12，貝麵動(dòng)器所受總的驅(qū)動(dòng)力矩為MAF’2對(duì)O點(diǎn)力矩之和。由于不存在夾持差，上下端運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力^和內(nèi)可認(rèn)為是大小相同的，顯然I1M2,則驅(qū)動(dòng)器在下端產(chǎn)生的總驅(qū)動(dòng)力矩將大于上端的驅(qū)動(dòng)力矩，因而，驅(qū)動(dòng)器將實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針方向定向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0029]工作方式:
[0030]如圖5所示，在圖1e中的對(duì)稱方波信號(hào)作用下，當(dāng)其驅(qū)動(dòng)電壓由Ο-a變化時(shí)，壓電雙晶片逆時(shí)針方向快速變形，由于此時(shí)驅(qū)動(dòng)力臂較小，產(chǎn)生較小的驅(qū)動(dòng)力，如果其驅(qū)動(dòng)力大于所受摩擦力，則驅(qū)動(dòng)器將順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一步β1;當(dāng)電信號(hào)在a-b穩(wěn)定階段時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將保持變形無(wú)額外運(yùn)動(dòng)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)c-d變化時(shí)，壓電雙晶片順時(shí)針方向快速變形，由于此時(shí)驅(qū)動(dòng)力臂較大，將產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力，促使驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生更大的角度扮；當(dāng)電信號(hào)由d-e時(shí)，雙晶片恢復(fù)至不變形狀態(tài)。最終，在一個(gè)周期性電信號(hào)激勵(lì)下，驅(qū)動(dòng)器將逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一小步Αβ。若驅(qū)動(dòng)器在周期性方波信號(hào)激勵(lì)下，將產(chǎn)生逆時(shí)針的定向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有偏置壓電振子的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:質(zhì)量塊通過(guò)螺栓分別固定在壓電雙晶片一、壓電雙晶片二的自由端部，該壓電雙晶片一、壓電雙晶片二夾持端分別通過(guò)螺栓和夾持條固接在L型夾持塊上，且夾持條和L型夾持塊夾持部分尺寸一樣，L型夾持塊通過(guò)螺栓固連在驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)主體塊上，主體塊與旋轉(zhuǎn)軸過(guò)盈配合，指針固結(jié)在軸頂部，軸承過(guò)盈配合連接在旋轉(zhuǎn)軸下端，軸承外圈過(guò)盈連接在底板上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有偏置壓電振子的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述壓電雙晶片一、壓電雙晶片二夾持端所在平面關(guān)于驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)軸軸心線存在偏置距離。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有偏置壓電振子的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述壓電雙晶片一、壓電雙晶片二平行分布在驅(qū)動(dòng)器主體塊兩側(cè)，壓電雙晶片一、壓電雙晶片二各自?shī)A持端所在平面相平行，且兩者平面不經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)軸軸心線。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有偏置壓電振子的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，屬于壓電精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。質(zhì)量塊通過(guò)螺栓分別固定在壓電雙晶片一、壓電雙晶片二的自由端部，該壓電雙晶片一、壓電雙晶片二夾持端分別通過(guò)螺栓和夾持條固接在L型夾持塊上，且夾持條和L型夾持塊夾持部分尺寸一樣，L型夾持塊通過(guò)螺栓固連在驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)主體塊上，主體塊與旋轉(zhuǎn)軸過(guò)盈配合，指針固結(jié)在軸頂部，軸承過(guò)盈配合連接在旋轉(zhuǎn)軸下端，軸承外圈過(guò)盈連接在底板上。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)新穎，采用偏置布置、無(wú)夾持差?yuàn)A持的壓電雙晶片作為驅(qū)動(dòng)源，配合對(duì)稱電信號(hào)和對(duì)稱的摩擦力，略去了復(fù)雜的電路系統(tǒng)，也優(yōu)化了非對(duì)稱夾持差結(jié)構(gòu)不可控的夾持差調(diào)節(jié)方式。
【IPC分類】H02N2/14
【公開號(hào)】CN105553329
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610076794
【發(fā)明人】程光明, 李新輝, 陳康, 溫建明, 闞君武, 張忠華, 曾平
【申請(qǐng)人】浙江師范大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年2月3日