旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器，所述壓電作動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)面外振動的階數(shù)，K為預先設(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。本實用新型通過施加驅(qū)動信號在4片壓電薄膜上來激勵圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生行波來驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子進行雙向轉(zhuǎn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易于微型化等優(yōu)點。
【專利說明】
旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及壓電精密致動技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電作動器是最近三十年才發(fā)展起來的一種全新概念的新型驅(qū)動裝置。它利用壓電材料的逆壓電效應，把電能轉(zhuǎn)化為彈性體的超聲振動，并通過摩擦傳動方式轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或動子的旋轉(zhuǎn)或者直線運動。壓電作動器發(fā)展至今，已經(jīng)取得了豐碩成果。部分壓電作動器已經(jīng)在航空航天、武器、生物醫(yī)學、光學、機器人等領(lǐng)域應用并商業(yè)化，特別值得一提的是旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器，由于其定位精度高，響應時間短，已經(jīng)應用在Canon公司照相機上AF鏡頭上的聚焦系統(tǒng)。
[0003]但是由于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器的結(jié)構(gòu)相對復雜、控制難度高，同時難以將結(jié)構(gòu)進行微型化設(shè)計。針對已提出的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器存在的問題，本實用新型提出的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易于微型化等特點。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對【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)簡單、緊湊、易于微型化、響應時間短、定位精度高的旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器，并提供其控制方法。
[0005]本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0006]旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器，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；
[0007]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；
[0008]所述4片壓電薄膜分別對稱設(shè)置在所述兩根橫梁的上下表面；
[0009]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；
[0010]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)面外振動的階數(shù)，K為預先設(shè)置的奇數(shù)；
[0011]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。
[0012]作為本實用新型旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器進一步的優(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。
[0013]本實用新型還公開了基于該旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器的控制方法，包含以下具體步驟:
[0014]當需要驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子進行正向轉(zhuǎn)動時，對兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面壓電薄膜上的電信號具有π/2相位差，將激勵定子產(chǎn)生A相模態(tài)(其中兩根橫梁呈現(xiàn)彎曲振動，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)，并且在圓環(huán)結(jié)構(gòu)上耦合形成繞周向進行正向旋轉(zhuǎn)的行波，通過摩擦作用驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子正向轉(zhuǎn)動；
[0015]當需要驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子進行反向轉(zhuǎn)動時，對兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有π相位差的電信號，并且使得兩根橫梁上表面壓電薄膜上的電信號具有-π/2相位差，將激勵定子產(chǎn)生B相模態(tài)(其中兩根橫梁呈現(xiàn)彎曲振動，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)，并且在圓環(huán)結(jié)構(gòu)上耦合形成繞周向進行反向旋轉(zhuǎn)的行波，通過摩擦作用驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動。
[0016]本實用新型旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易于微型化、制作成本低的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0017]圖1是旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是定子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3是橫梁結(jié)構(gòu)角度設(shè)計示意圖；
[0020]圖4是壓電薄膜的極化方式和激勵信號施加方式示意圖；
[0021 ]圖5是本實用新型工作模態(tài)A的振型圖；
[0022]圖6是本實用新型工作模態(tài)B的振型圖。
[0023]圖中，1-球形轉(zhuǎn)子，2-橫梁，3-壓電薄膜，4-圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
[0025]本實用新型的一種旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器，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。
[0026]如圖2所示，4片壓電薄膜分別對稱設(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。
[0027]兩根橫梁的軸線之間的夾角為ΚΧ90°/η，其中η為圓環(huán)結(jié)構(gòu)面外振動的階數(shù)，K為預先設(shè)置的奇數(shù)，如圖3所示。
[0028]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。
[0029]壓電薄膜可通過鍍層的方式生長在橫梁上，可實現(xiàn)整個定子結(jié)構(gòu)的微型化。
[0030]對單根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加具有π相位差的兩相電信號，可以激發(fā)出橫梁的彎曲振動和圓環(huán)結(jié)構(gòu)的η階面外彎曲振動模態(tài)。
[0031]當兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號具有π/2相位差時，分別激發(fā)出圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩相η階面外彎曲振動模態(tài)，即在圓環(huán)上激勵出兩相在空間上具有V2相位差的兩個同頻同形的駐波，從而在圓環(huán)上耦合出沿周向行進的行波，并通過摩擦作用驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，令此時球形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向為正向。
[0032]當兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號具有-V2相位差時，分別激發(fā)出圓環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩相η階面外彎曲振動模態(tài)，即在圓環(huán)上激勵出兩相在空間上具有-V2相位差的兩個同頻同形的駐波，球形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動將反向。
[0033]采用圖4所示的激勵方式，以圓環(huán)結(jié)構(gòu)的三階面外振動模態(tài)為例說明旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器的工作機理，其中兩根橫梁的夾角KX90°/n取150°為例。當對左側(cè)橫梁的上下兩片壓電薄膜分別施加sin(cot)和-sin(cot)的電壓激勵信號時，將會激勵出定子的A相工作模態(tài)，其中橫梁呈現(xiàn)彎曲振動，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)3階面外振動，如圖5所示；當對右側(cè)橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加COS(COt)和-COS(COt)的電壓激勵信號時，將會激勵出定子的B相工作模態(tài)，其中橫梁呈現(xiàn)彎曲振動，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)另外一個3階面外振動，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在時間上相差V2，因此兩個3階面外振動在圓環(huán)結(jié)構(gòu)上耦合出繞周向行進的行波；由球形轉(zhuǎn)子的重力提供預壓力，因此通過摩擦作用驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。若兩根橫梁上表面的壓電薄膜施加的電信號在時間上相差-π/2，球形轉(zhuǎn)子將反向轉(zhuǎn)動。
[0034]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(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本實用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應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，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0035]以上所述的【具體實施方式】，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.旋轉(zhuǎn)型行波壓電作動器，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)面外振動的階數(shù)，K為預先設(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。
【文檔編號】H02N2/14GK205453552SQ201620147416
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月26日
【發(fā)明人】陳迪, 王亮, 金家楣, 章洪軒
【申請人】南京航空航天大學