[发明专利]椭圆振动压电驱动器及其驱动方法

说明书

本发明涉及一种椭圆振动压电驱动器及其驱动方法，属于压电精密驱动技术领域。装置包括基座、驱动单元、动子、间隙调节单元；驱动单元由柔顺机构、两组压电叠堆和楔块组成，其中柔顺机构具有对称结构，左右各分布有呈相互垂直的两组柔性铰链结构，并交叉于正前端，实现对左右压电叠堆产生的运动的合成输出；间隙调节单元和动子均通过沉头螺钉与基座连接。优点在于：从驱动原理上抑制了回退运动的产生，改善了压电驱动器的输出性能，增强了其在精密光学、显微操作、微观力学性能测试等领域的应用前景。

技术领域

本发明涉及压电精密驱动技术领域，特别涉及一种椭圆振动压电驱动器及其驱动方法。本发明提供的驱动器与驱动方法，相比现有的粘滑、惯性、寄生等驱动原理和驱动器，从驱动原理上抑制了回退运动的产生，改善了压电驱动器的输出性能，增强了其在精密光学、显微操作、微观力学性能测试等领域的应用前景。

背景技术

随着机械、装备、仪器的微小型化与精密化，精密定位装置在微/纳米操作、精密光学、精密仪器等领域的需求日益增长。压电精密驱动技术作为一种新型驱动技术，因其输出精度与分辨率高、响应速度快、结构紧凑等显著优势，被广泛应用于研制各类精密驱动装置中。在这其中，采用压电叠堆直接驱动的装置最为简单且控制方便，但压电叠堆本身输出位移非常有限，通常仅有几微米至几十微米，不能满足众多实际应用中的运动行程需求，因此精密大行程压电驱动器的研究与应用在近年来得到广泛关注。目前，比较常见的大行程压电驱动器主要有尺蠖式、惯性式和粘滑式三种。尺蠖式压电驱动器模仿自然界的尺蠖运动过程，通常采用3组压电叠堆实现钳位与驱动运动的时序控制，其输出力较大，理论上可以实现步进运动。但是，尺蠖式压电驱动器由于结构复杂、使用压电叠堆数量较多，导致其加工、装配、控制复杂，而且钳位与驱动运动切换过程易产生冲击，影响运动的平稳性，以上问题大大限制了其实际应用。惯性式和粘滑式驱动器相比尺蠖式，结构与控制更为简单，但是其驱动原理导致承载能力低，而且输出曲线存在较为显著的回退运动，降低了其位移输出效率，增加了控制的复杂性。通过以上分析可以看出，现有的驱动原理和驱动器，虽然可以实现大行程，但是亦存在一些技术难题。为此，需要进一步提出新的压电驱动原理，并研制相应的驱动器，以实现结构、控制简单同时无回退的大行程步进运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种椭圆振动压电驱动器及其驱动方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明的椭圆振动压电驱动器结构简单，调控方式灵活多样，为实现压电驱动器产生无回退步进运动提供了一种可行方案。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

椭圆振动压电驱动器，包括基座2、驱动单元、动子1、间隙调节单元4，所述驱动单元通过螺钉与间隙调节单元4连接，间隙调节单元4通过沉头螺钉与基座2连接，所述动子1位于驱动单元的前端，通过沉头螺钉与基座2连接。

所述的驱动单元包括压电叠堆3、柔顺机构5、楔块6，所述压电叠堆3通过楔块6预紧安装在柔顺机构5凹槽内；所述柔顺机构5具有对称结构，左右各分布有呈相互垂直的两组柔性铰链结构，并交叉于正前端，实现对左右两组压电叠堆3产生的运动的合成输出。

本发明的另一目的在于提供一种椭圆振动压电驱动器的驱动方法，包括以下步骤：

a)调整间隙调节单元4的旋钮，实现柔顺机构5的正前端与动子1之间间隙的调节；

b)同时给驱动单元中两个正交的压电叠堆3施加具有45°相位差的两个连续简谐波，所述两个简谐波具有等频率的特性，并经电压平移变换处理，使其电压值始终为非负状态；两路正交的压电叠堆3在逆压电效应的作用下，分别完成各自的伸长与回复，在此过程中，柔顺机构5实现对两路正交运动的合成，并于其正前端输出椭圆运动；在周期椭圆运动的作用下，柔顺机构5的正前端与动子1侧壁周期性地接触与脱离，进而实现动子1沿x轴方向的步进运动；在上述过程中，控制参与驱动的椭圆轨迹长度小于等于椭圆轨迹全长的一半，即从原理上抑制回退运动的产生，从而，在椭圆振动的一个周期内，使动子1仅有单向运动；同理，控制两个输入简谐波相位差的正负实现反向驱动；