一种两自由度压电驱动装置及其激励方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种两自由度压电驱动装置及其激励方法，属于压电驱动领域。本发明专利技术的两自由度压电驱动装置，结构包括四组完全相同的压电梁、一个基体、一个驱动足基座和一个驱动足，结构简单，易于制造。压电梁结构包括两片压电陶瓷片和一片金属基板。在电压激励信号施加在压电梁上时，压电梁可以实现沿其厚度方向的弯曲运动。通过设计四组压电梁的电压激励信号，控制它们弯曲运动的方向和时序，激励驱动足实现两自由度摆动，进一步利用摩擦力作为驱动力，驱动动子实现两自由度运动。本发明专利技术的两自由度压电驱动装置具有结构简单、成本低、位移分辨率高和行程大等优点，在超精密驱动、定位等领域有着广阔的应用前景。

A piezoelectric actuator with two degrees of freedom and its excitation method

The invention provides a two-degree-of-freedom piezoelectric driving device and an excitation method thereof, belonging to the piezoelectric driving field. The two-degree-of-freedom piezoelectric driving device comprises four identical groups of piezoelectric beams, a base body, a driving foot base and a driving foot. The structure is simple and easy to manufacture. The piezoelectric beam structure consists of two piezoelectric ceramic plates and a metal substrate. When the voltage excitation signal is applied to the piezoelectric beam, the bending motion along the thickness direction of the piezoelectric beam can be realized. Four groups of piezoelectric beam voltage excitation signals are designed to control the direction and sequence of their bending motion. The two-degree-of-freedom oscillation is realized by exciting the driving foot, and the two-degree-of-freedom motion is driven by the friction force. The two-degree-of-freedom piezoelectric actuator has the advantages of simple structure, low cost, high displacement resolution and large range, and has wide application prospects in the fields of ultra-precision driving, positioning, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种两自由度压电驱动装置及其激励方法
本专利技术属于压电驱动
，特别是涉及一种两自由度压电驱动装置及其激励方法。
技术介绍
近年来，两自由度精密驱动装置在生物医疗、光学扫描、高精度智能加工等领域扮演着越来越重要的角色，它们被要求具有高位移分辨率、结构简单、大行程等特点。压电驱动技术利用逆压电效应将电能转换为机械能实现驱动目的，该技术具有精度高、不受电磁干扰、响应快等优点；利用压电驱动技术的两自由度压电驱动装置有输出位移分辨率高、结构简单、易于实现小型化等优点，已被众多学者广泛研究。当前的两自由度压电驱动装置主要包括串联型和并联型两类。串联型两自由度压电驱动装置利用多个单自由度压电驱动器串联的方式实现两自由度驱动，具有输出行程大、易于实现多个功能等优点，已被广泛应用于两自由度平面驱动领域；但是其利用机械串联的方式将会使单个驱动器的输出误差相互叠加，影响其输出精度，这限制了其在超精密领域的应用。并联型两自由度压电驱动装置可以克服这个问题，其利用多个压电叠堆机械并联的方式直接驱动动子实现两自由度运动，精度可以达到纳米级，已被广泛应用于光学扫描，生物医疗等领域；但是压电叠堆的输出位移仅为其自身长度的千分之一，这导致了并联型两自由度压电驱动装置输出行程特别小；此外，商用压电叠堆单价十分昂贵，这在一定程度上限制了其应用范围。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的两自由度压电驱动装置成本高、行程小的技术问题，提出一种两自由度压电驱动装置及其激励方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种两自由度压电驱动装置，包括四组压电梁1、驱动足基座2、驱动足3和基体4；所述的四组压电梁1包括压电梁一1-6、压电梁二1-5、压电梁三1-4和压电梁四1-3；并且四组压电梁1结构相同，所述压电梁1结构包括两片压电陶瓷片1-1和一片金属基板1-2；所述两片压电陶瓷片1-1分别位于金属基板1-2的上下表面并且所述两片压电陶瓷片1-1不完全覆盖住金属基板1-2；所述的四组压电梁1的首端与基体4的四个侧面固定连接，末端与驱动足基座2的四个侧面固定连接，其中压电梁一1-6与压电梁三1-4同轴，压电梁二1-5与压电梁四1-3同轴，压电梁一1-6与压电梁二1-5轴向垂直；所述的压电梁1施加电压激励信号时，沿其厚度方向弯曲；所述的压电陶瓷片1-1沿其厚度方向极化；所述的驱动足3置于驱动足基座2的上端，其末端与动子5接触；所述动子5为平面型、球型或圆筒型动子；当动子5为平面型动子时，可实现两自由度直线驱动；当动子5为球型动子时，可实现两自由度旋转驱动；当动子5为圆筒型动子时，可实现直线和旋转的两自由度驱动。进一步地，所述的金属基板1-2通过在其空余处挖孔或开槽以减小其法向和切向刚度，从而增大驱动足3的摆动幅度。进一步地，所述的驱动足基座2和基体4上设置有固定压电梁1的孔。本专利技术还提出一种两自由度压电驱动装置的激励方法，所述方法用于激励两自由度压电驱动装置的驱动足3实现两自由度摆动，驱动动子5实现两自由度运动，即，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动；驱动动子5沿X轴正向运动输出的具体过程为：步骤一、压电梁一1-6施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿X轴正向产生位移输出；步骤二、压电梁一1-6施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴负向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；步骤三、重复步骤一至步骤二，可实现驱动足3对动子5沿X轴正方向的连续驱动；驱动动子5沿X轴负向运动输出的具体过程为：步骤四、压电梁一1-6施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿X轴负向产生位移输出；步骤五、压电梁一1-6施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三1-4施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一1-6和压电梁三1-4的作用下，驱动足3沿X轴正向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；步骤六、重复步骤四至步骤五，可实现驱动足3对动子5沿X轴负向的连续驱动；驱动动子5沿Y轴正向运动输出的具体过程为：步骤七、压电梁二1-5施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿Y轴正向产生位移输出；步骤八、压电梁二1-5施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴负向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；步骤九、重复步骤七至步骤八，可实现驱动足3对动子5沿Y轴正向的连续驱动；驱动动子5沿Y轴负方向运动输出的具体过程为：步骤十、压电梁二1-5施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子5沿Y轴负向产生位移输出；步骤十一、压电梁二1-5施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁四1-3施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁二1-5和压电梁四1-3的作用下，驱动足3沿Y轴正向快速摆动，动子5由于惯性保持静止；步骤十二、重复步骤十至步骤十一，可实现驱动足3对动子5沿Y轴方向的连续驱动。进一步地，所述动子5为平面型动子、球型动子或圆筒型动子。进一步地，当动子5为平面型动子时，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：在平面型动子所在平面内，驱动平面型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动。进一步地，当动子5为球型动子时，驱动动子5沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动球型动子绕X轴顺时针或逆时针旋转，以及绕Y轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动。进一步地，当动子5为轴线沿X轴的圆筒型动子时，驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动，具体表现为：驱动圆筒型动子沿X轴正向或负向移动，以及绕X轴顺时针或逆时针旋转的两个自由度运动；当动子5为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两自由度压电驱动装置，其特征在于,包括四组压电梁(1)、驱动足基座(2)、驱动足(3)和基体(4)；所述的四组压电梁(1)包括压电梁一(1‑6)、压电梁二(1‑5)、压电梁三(1‑4)和压电梁四(1‑3),并且四组压电梁(1)结构相同，所述压电梁(1)结构包括两片压电陶瓷片(1‑1)和一片金属基板(1‑2)；所述两片压电陶瓷片(1‑1)分别位于金属基板(1‑2)的上下表面,并且所述两片压电陶瓷片(1‑1)不完全覆盖住金属基板(1‑2)；所述的四组压电梁(1)的首端与基体(4)的四个侧面固定连接，末端与驱动足基座(2)的四个侧面固定连接，其中压电梁一(1‑6)与压电梁三(1‑4)同轴，压电梁二(1‑5)与压电梁四(1‑3)同轴，压电梁一(1‑6)与压电梁二(1‑5)轴向垂直；所述的压电梁(1)施加电压激励信号时，沿其厚度方向弯曲；所述的压电陶瓷片(1‑1)沿其厚度方向极化；所述的驱动足(3)置于驱动足基座(2)的上端，其末端与动子(5)接触；所述动子(5)为平面型、球型或圆筒型动子；当动子(5)为平面型动子时，可实现两自由度直线驱动；当动子(5)为球型动子时，可实现两自由度旋转驱动；当动子(5)为圆筒型动子时，可实现直线和旋转的两自由度驱动。...

【技术特征摘要】
1.一种两自由度压电驱动装置，其特征在于,包括四组压电梁(1)、驱动足基座(2)、驱动足(3)和基体(4)；所述的四组压电梁(1)包括压电梁一(1-6)、压电梁二(1-5)、压电梁三(1-4)和压电梁四(1-3),并且四组压电梁(1)结构相同，所述压电梁(1)结构包括两片压电陶瓷片(1-1)和一片金属基板(1-2)；所述两片压电陶瓷片(1-1)分别位于金属基板(1-2)的上下表面,并且所述两片压电陶瓷片(1-1)不完全覆盖住金属基板(1-2)；所述的四组压电梁(1)的首端与基体(4)的四个侧面固定连接，末端与驱动足基座(2)的四个侧面固定连接，其中压电梁一(1-6)与压电梁三(1-4)同轴，压电梁二(1-5)与压电梁四(1-3)同轴，压电梁一(1-6)与压电梁二(1-5)轴向垂直；所述的压电梁(1)施加电压激励信号时，沿其厚度方向弯曲；所述的压电陶瓷片(1-1)沿其厚度方向极化；所述的驱动足(3)置于驱动足基座(2)的上端，其末端与动子(5)接触；所述动子(5)为平面型、球型或圆筒型动子；当动子(5)为平面型动子时，可实现两自由度直线驱动；当动子(5)为球型动子时，可实现两自由度旋转驱动；当动子(5)为圆筒型动子时，可实现直线和旋转的两自由度驱动。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的金属基板(1-2)通过在其空余处挖孔或开槽以减小其法向和切向刚度，从而增大驱动足(3)的摆动幅度。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的驱动足基座(2)和基体(4)上设置有固定压电梁(1)的孔。4.根据权利要求1-3任一项所述的两自由度压电驱动装置的激励方法，其特征在于，所述方法用于激励两自由度压电驱动装置的驱动足(3)实现两自由度摆动，驱动动子(5)实现两自由度运动，即，驱动动子(5)沿X轴正向或负向运动，以及沿Y轴正向或负向运动；驱动动子(5)沿X轴正向运动输出的具体过程为：步骤一、压电梁一(1-6)施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三(1-4)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一(1-6)和压电梁三(1-4)的作用下，驱动足(3)沿X轴正向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子(5)沿X轴正向产生位移输出；步骤二、压电梁一(1-6)施加幅值快速上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三(1-4)施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；在压电梁一(1-6)和压电梁三(1-4)的作用下，驱动足(3)沿X轴负向快速摆动，动子(5)由于惯性保持静止；步骤三、重复步骤一至步骤二，可实现驱动足(3)对动子(5)沿X轴正方向的连续驱动；驱动动子(5)沿X轴负向运动输出的具体过程为：步骤四、压电梁一(1-6)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其沿Z轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三(1-4)施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置；在压电梁一(1-6)和压电梁三(1-4)的作用下，驱动足(3)沿X轴负向缓慢摆动，通过静摩擦力驱动动子(5)沿X轴负向产生位移输出；步骤五、压电梁一(1-6)施加幅值快速下降的激励电压信号，其沿Z轴负向产生快速弯曲变形至极限位置；同时，压电梁三(1-4)施加幅值快速上升的激励电压信...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英想，邓杰，陈维山，刘军考，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23