本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，壓電驅(qū)動技術(shù)作為一種新型驅(qū)動技術(shù)被廣泛應(yīng)用于超精密加工、定位等領(lǐng)域，得到了極大的發(fā)展。壓電驅(qū)動技術(shù)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能的一種驅(qū)動技術(shù)。壓電驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，功率密度大，輸出力大，無電磁干擾，易于實現(xiàn)小型化等優(yōu)點，在航天，機器人，納米制造等超精密領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用。兩自由度壓電驅(qū)動器，以單個驅(qū)動器實現(xiàn)多個驅(qū)動功能，可以有效的縮小驅(qū)動器的尺寸，得到了越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)有的兩自由度壓電驅(qū)動器主要是利用壓電疊堆驅(qū)動的單自由度壓電驅(qū)動器并聯(lián)或者串聯(lián)，來實現(xiàn)兩自由度驅(qū)動，但是，采用并聯(lián)方式的驅(qū)動器，由于疊堆的輸出位移有限，導(dǎo)致行程太小；采用串聯(lián)方式的驅(qū)動器，可以有效地擴大行程，但精度有所損失，同時，壓電疊堆的價格十分昂貴，這些都極大地影響了兩自由度壓電驅(qū)動器的應(yīng)用。

本發(fā)明的采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器的激勵方法，控制驅(qū)動器的兩自由度驅(qū)動，相比于壓電疊堆，成本得到了極大的降低，利用驅(qū)動足與動子間的摩擦力進行驅(qū)動，擴大了其行程。同時，所驅(qū)動的動子可以是平面，用于實現(xiàn)兩自由度移動；動子也可以是筒型，用于實現(xiàn)一個自由度的移動和一個自由度的轉(zhuǎn)動；動子還可以是球型，用于實現(xiàn)兩自由度的轉(zhuǎn)動。由于動子形狀的多樣性，極大的拓展了該兩自由度壓電驅(qū)動器的應(yīng)用范圍，有著良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的兩自由度壓電驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高和行程小的問題。本發(fā)明提供了一種彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器及采用該驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法。

彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器，它包括基座、壓電振子和動子；

所述壓電振子包括彎曲壓電陶瓷組、變幅桿和驅(qū)動足，彎曲壓電陶瓷組設(shè)置于基座和變幅桿之間，變幅桿細端設(shè)置驅(qū)動足，驅(qū)動足與動子接觸；

所述彎曲壓電陶瓷組劃分為兩部分，分別為第一組彎曲壓電陶瓷組和第二組彎曲壓電陶瓷組。

所述的第一組彎曲壓電陶瓷組和第二組彎曲壓電陶瓷組中相鄰的兩片壓電陶瓷片之間設(shè)有通電電極片。

采用所述的彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法，該兩自由度運動的激勵方法可驅(qū)動動子沿x軸和y軸兩個兩自由度運動，具體表現(xiàn)為：驅(qū)動動子沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動；

其中，x軸和y軸所指向的方向為彎曲壓電振子徑向平面內(nèi)兩個相互垂直的方向，且二者所指的方向均為正向；

(一)驅(qū)動動子沿x軸正向運動的具體過程為：

步驟一一、對第一組彎曲壓電陶瓷組施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t1，壓電振子沿x軸正向產(chǎn)生彎曲變形至極限位置，在靜摩擦力作用下，通過驅(qū)動足驅(qū)動動子沿x軸正向產(chǎn)生位移輸出；

步驟一二、對第一組彎曲壓電陶瓷組施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t2，且t2<<t1，壓電振子產(chǎn)生沿x軸負向的彎曲變形至初始位置，動子由于慣性保持靜止；

步驟一三、重復(fù)步驟一一至步驟一二，可實現(xiàn)動子沿x軸正向的連續(xù)運動輸出；

(二)驅(qū)動動子沿x軸負向運動的具體過程為：

步驟二一、對第一組彎曲壓電陶瓷組施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t1，壓電振子沿x軸負向產(chǎn)生彎曲變形至極限位置，在靜摩擦力作用下，通過驅(qū)動足驅(qū)動動子沿x軸負向產(chǎn)生位移輸出；

步驟二二、對第一組彎曲壓電陶瓷組施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t2，且t2<<t1，壓電振子產(chǎn)生沿x軸正向的彎曲變形至初始位置，動子由于慣性保持靜止；

步驟二三、重復(fù)步驟二一至步驟二二，可實現(xiàn)動子沿x軸負向的連續(xù)運動輸出；

(三)驅(qū)動動子沿y軸正向運動的具體過程為：

步驟三一、對第二組彎曲壓電陶瓷組施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t1，壓電振子沿y軸正向產(chǎn)生彎曲變形至極限位置，在靜摩擦力作用下，通過驅(qū)動足驅(qū)動動子沿y軸正向產(chǎn)生位移輸出；

步驟三二、對第二組彎曲壓電陶瓷組施加幅值逐漸下降的電壓激勵信號，下降時間為t2，且t2<<t1，壓電振子產(chǎn)生沿y軸負向的彎曲變形至初始位置，動子由于慣性保持靜止；

步驟三三、重復(fù)步驟三一至步驟三二，可實現(xiàn)動子沿y軸正向的連續(xù)運動輸出；

(四)驅(qū)動動子沿y軸負向運動的具體過程為：

步驟四一、對第二組彎曲壓電陶瓷組施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t1，壓電振子沿y軸負向產(chǎn)生彎曲變形至極限位置，在靜摩擦力作用下，通過驅(qū)動足驅(qū)動動子沿y軸負向產(chǎn)生位移輸出；

步驟四二、對第二組彎曲壓電陶瓷組施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，下降時間為t2，且t2<<t1，壓電振子產(chǎn)生沿y軸正向的彎曲變形至初始位置，動子由于慣性保持靜止；

步驟四三、重復(fù)步驟四一至步驟四二，可實現(xiàn)動子沿y軸負向的連續(xù)運動輸出。

采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法，該方法中所施加的電壓激勵信號的波形為非對稱三角波或非對稱梯形波。

所述的動子為筒型動子、球型動子或平面型動子。

當動子為平面型動子時，驅(qū)動動子沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動，具體表現(xiàn)為：在平面型動子所在平面內(nèi)，驅(qū)動平面型動子沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動。

當動子為筒型動子時，驅(qū)動動子沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動，具體表現(xiàn)為：驅(qū)動筒型動子沿x軸正向或負向移動，以及繞x軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的兩個自由度運動。

當動子為球型動子時，驅(qū)動動子沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動，具體表現(xiàn)為：驅(qū)動球型動子繞x軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，以及繞y軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的兩個自由度運動。

本發(fā)明帶來的有益效果是，本發(fā)明提供了一種彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器及采用該驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法，工作中，可以實現(xiàn)兩個方向的驅(qū)動，配合起來可以實現(xiàn)多種功能。本發(fā)明的采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器，成本低，驅(qū)動行程大。同時，動子結(jié)構(gòu)可為平面、圓筒、球等形狀，驅(qū)動對象多樣化，應(yīng)用范圍廣。

具體工作過程中，通過控制施加激勵電壓的幅值，可以實現(xiàn)動子單次步進步距的精確調(diào)整；通過控制施加激勵電壓的頻率，可以實現(xiàn)動子運動速度的精確控制。在超精密驅(qū)動、定位、加工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為當動子為平面型動子時，彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器的主剖視圖；

圖2為彎曲壓電振子的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為當動子為平面型動子時，彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為當動子為筒型動子時，彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為當動子為球型動子時，彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為平面型動子沿x軸正向移動時，所施加的激勵電壓信號的波形圖；其中，vmax為正向電壓幅值的極大值，-vmax為負向電壓幅值的極大值，t0為初始時間，t為周期；

圖7和圖8均為在圖6所施加的激勵電壓信號的條件下，平面型動子沿x軸正向移動的狀態(tài)圖；

圖9為平面型動子沿x軸負向移動時，所施加的激勵電壓信號的波形圖；其中，vmax為正向電壓幅值的極大值，-vmax為負向電壓幅值的極大值，t0為初始時間，t為周期；圖10和圖11均為在圖9所施加的激勵電壓信號的條件下，平面型動子沿x軸負向移動的狀態(tài)圖；

圖12為平面型動子沿y軸正向移動時，所施加的激勵電壓信號的波形圖；其中，vmax為正向電壓幅值的極大值，-vmax為負向電壓幅值的極大值，t0為初始時間，t為周期；

圖13和圖14均為在圖12所施加的激勵電壓信號的條件下，平面型動子沿y軸正向移動的狀態(tài)圖；

圖15為平面型動子沿y軸負向移動時，所施加的激勵電壓信號的波形圖；其中，vmax為正向電壓幅值的極大值，-vmax為負向電壓幅值的極大值，t0為初始時間，t為周期；

圖16和圖17均為在圖15所施加的激勵電壓信號的條件下，平面型動子沿y軸負向移動的狀態(tài)圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式所述的彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器，它包括基座1、壓電振子2和動子3；

所述壓電振子2包括彎曲壓電陶瓷組2-1、變幅桿2-2和驅(qū)動足2-3，彎曲壓電陶瓷組2-1設(shè)置于基座1和變幅桿2-2之間，變幅桿2-2細端設(shè)置驅(qū)動足2-3，驅(qū)動足2-3與動子3接觸；

所述彎曲壓電陶瓷組2-1劃分為兩部分，分別為第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1和第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2。

本實施方式中，本發(fā)明的采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器，成本低，驅(qū)動行程大。具體工作過程中，通過控制施加到彎曲壓電陶瓷組2-1激勵電壓的幅值，可以實現(xiàn)動子單次步進步距的精確調(diào)整；通過控制施加到彎曲壓電陶瓷組2-1激勵電壓的頻率，可以實現(xiàn)動子運動速度的精確控制。

具體實施方式二：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器的區(qū)別在于，所述的動子3為筒型動子、球型動子或平面型動子。

具體實施方式三：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器的區(qū)別在于，所述的第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1和第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2中相鄰的兩片壓電陶瓷片之間設(shè)有通電電極片2-4。

具體實施方式四：參見圖1至圖5說明本實施方式，采用具體實施方式一所述的彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法，該兩自由度運動的激勵方法可驅(qū)動動子3沿x軸和y軸兩個兩自由度運動，具體表現(xiàn)為：驅(qū)動動子3沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動；

其中，x軸和y軸所指向的方向為彎曲壓電振子徑向平面內(nèi)兩個相互垂直的方向，且二者所指的方向均為正向；

(一)驅(qū)動動子3沿x軸正向運動的具體過程為：

步驟一一、對第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t1，壓電振子2沿x軸正向產(chǎn)生彎曲變形至極限位置，在靜摩擦力作用下，通過驅(qū)動足2-3驅(qū)動動子3沿x軸正向產(chǎn)生位移輸出；

步驟一二、對第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t2，且t2<<t1，壓電振子2產(chǎn)生沿x軸負向的彎曲變形至初始位置，動子3由于慣性保持靜止；

步驟一三、重復(fù)步驟一一至步驟一二，可實現(xiàn)動子3沿x軸正向的連續(xù)運動輸出；

(二)驅(qū)動動子3沿x軸負向運動的具體過程為：

步驟二一、對第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t1，壓電振子2沿x軸負向產(chǎn)生彎曲變形至極限位置，在靜摩擦力作用下，通過驅(qū)動足2-3驅(qū)動動子3沿x軸負向產(chǎn)生位移輸出；

步驟二二、對第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t2，且t2<<t1，壓電振子2產(chǎn)生沿x軸正向的彎曲變形至初始位置，動子3由于慣性保持靜止；

步驟二三、重復(fù)步驟二一至步驟二二，可實現(xiàn)動子3沿x軸負向的連續(xù)運動輸出；

(三)驅(qū)動動子3沿y軸正向運動的具體過程為：

步驟三一、對第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t1，壓電振子2沿y軸正向產(chǎn)生彎曲變形至極限位置，在靜摩擦力作用下，通過驅(qū)動足2-3驅(qū)動動子3沿y軸正向產(chǎn)生位移輸出；

步驟三二、對第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2施加幅值逐漸下降的電壓激勵信號，下降時間為t2，且t2<<t1，壓電振子2產(chǎn)生沿y軸負向的彎曲變形至初始位置，動子3由于慣性保持靜止；

步驟三三、重復(fù)步驟三一至步驟三二，可實現(xiàn)動子3沿y軸正向的連續(xù)運動輸出；

(四)驅(qū)動動子3沿y軸負向運動的具體過程為：

步驟四一、對第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t1，壓電振子2沿y軸負向產(chǎn)生彎曲變形至極限位置，在靜摩擦力作用下，通過驅(qū)動足2-3驅(qū)動動子3沿y軸負向產(chǎn)生位移輸出；

步驟四二、對第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，下降時間為t2，且t2<<t1，壓電振子2產(chǎn)生沿y軸正向的彎曲變形至初始位置，動子3由于慣性保持靜止；

步驟四三、重復(fù)步驟四一至步驟四二，可實現(xiàn)動子3沿y軸負向的連續(xù)運動輸出。

本實施方式中，步驟一一、步驟二一、步驟三一和步驟四一中動子3產(chǎn)生的位移十分微小。

具體實施方式五：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式四所述的采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法的區(qū)別在于，所述的動子3為筒型動子、球型動子或平面型動子。

具體實施方式六：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式四所述的采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法的區(qū)別在于，該方法中所施加的電壓激勵信號的波形為非對稱三角波或非對稱梯形波。

具體實施方式七：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式五所述的采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法的區(qū)別在于，當動子3為平面型動子時，驅(qū)動動子3沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動，具體表現(xiàn)為：在平面型動子所在平面內(nèi)，驅(qū)動平面型動子沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動。

本實施方式中，平面型動子實現(xiàn)沿x軸正向運動的具體過程結(jié)合圖6至圖8加以說明，其中，附圖7和附圖8分別對應(yīng)步驟一一和步驟一二；步驟一一中，第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1施加幅值緩慢上升的激勵電壓信號，對應(yīng)圖7中電壓激勵信號的t1段，步驟一二中，第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1所施加的激勵電壓信號幅值快速下降，對應(yīng)圖8中電壓激勵信號的t2段。

平面型動子實現(xiàn)沿x軸負向運動的具體過程結(jié)合圖9至圖11加以說明，其中，附圖10和附圖11分別對應(yīng)步驟二一和步驟二二；步驟二一中，第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1施加幅值緩慢下降的激勵電壓信號，對應(yīng)圖10中電壓激勵信號的t1段；步驟二二中，第一組彎曲壓電陶瓷組2-1-1所施加的激勵電壓信號幅值快速上升，對應(yīng)圖11中電壓激勵信號的t2段。

平面型動子實現(xiàn)沿y軸正向運動的具體過程結(jié)合圖12至圖14加以說明，其中，附圖13和附圖14分別對應(yīng)步驟三一和步驟三二；步驟三一中，第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2施加幅值緩慢上升的激勵電壓信號，對應(yīng)圖13中電壓激勵信號的t1段；步驟三二中，第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2所施加的激勵電壓信號幅值快速下降，對應(yīng)圖14中電壓激勵信號的t2段。

平面型動子實現(xiàn)沿y軸負向運動的具體過程結(jié)合圖15至圖17加以說明，其中，附圖16和附圖17分別對應(yīng)步驟四一和步驟四二；步驟四一中，第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2施加幅值緩慢下降的激勵電壓信號，對應(yīng)圖16中電壓激勵信號的t1段；步驟四二中，第二組彎曲壓電陶瓷組2-1-2所施加的激勵電壓信號幅值快速下降，對應(yīng)圖17中電壓激勵信號的t2段。

具體實施方式八：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式五所述的采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法的區(qū)別在于，當動子3為筒型動子時，驅(qū)動動子3沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動，具體表現(xiàn)為：驅(qū)動筒型動子沿x軸正向或負向移動，以及繞x軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的兩個自由度運動。

具體實施方式九：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式五所述的采用彎曲壓電振子的兩自由度壓電驅(qū)動器實現(xiàn)的兩自由度運動的激勵方法的區(qū)別在于，當動子3為球型動子時，驅(qū)動動子3沿x軸正向或負向運動，以及沿y軸正向或負向運動，具體表現(xiàn)為：驅(qū)動球型動子繞x軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，以及繞y軸順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的兩個自由度運動。