[发明专利]一种超精密三轴旋转压电调姿机构及其激励方法

说明书

本发明公开了一种超精密三轴旋转压电调姿机构及其激励方法，属于压电驱动技术领域。解决了现有压电调姿机构自由度数不足、结构复杂、成本较高以及精度不足的技术问题。所述压电调姿机构由动子、驱动单元以及基座组成，其中驱动单元采用贴片式压电双晶梁结构或夹心式压电振子结构，并依靠其弯曲变形驱动动子的三轴旋转运动。基于本发明中的激励方法，所述动子可以实现大尺度超精密三轴旋转运动，通过调整激励信号的幅值和时间可以实现纳米级分辨力。本发明中的压电调姿机构结构紧凑、布置灵活，激励方法简单可靠，在超精密姿态调整等领域中具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于压电驱动技术领域，特别是涉及一种超精密三轴旋转压电调姿机构及其激励方法。

背景技术

在细胞科学、基因工程、表面物理以及超精密加工等领域对于观测和操作设备的巨大需求下，超精密定位以及姿态调整装置受到了广泛的关注和研究。鉴于相关领域中巨大的科学价值、经济价值和社会价值，基于诸多原理和结构的超精密姿态调整装置相继被提出，在这些研究成果中，压电驱动设备占有重要的地位。一般而言，压电驱动设备利用压电材料的逆压电效应进行工作，由于驱动原理的特殊性，压电驱动设备具备精度高、响应迅速、电磁兼容性好以及结构简单紧凑的优点，但是由于压电材料的变形量比较小，现有的压电驱动设备一般伴随着运动范围过小、激励方法单一的不足。因此发明一种可以实现大尺度超精密姿态调整的压电驱动设备无论是对压电驱动相关理论和实践还是上述相关技术领域的发展都具有十分重要的意义，也具有广阔的应用前景。

现有的压电调姿机构普遍采用压电叠堆作为驱动元件，但是压电叠堆尺寸较大，难以输出旋转运动，对于激励电源的功率要求也较为严格，由于在精密姿态调整中驱动力的大小往往不是主要指标，但是较高的定位精度和紧凑的结构却是必需的。因此，利用贴片式压电双晶梁结构以及夹心式压电振子结构作为压电驱动元件，本发明提供了一种结构简单紧凑，激励方法可靠易行的三轴旋转压电调姿机构，可以在一定程度上解决现有压电调姿机构的弊端，将会对微细操作、超精密加工以及压电驱动理论和实践产生有益的效果和影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有压电调姿机构结构复杂、行程过小、难以实现三轴旋转输出以及激励方法单一的技术问题，从而提出了一种超精密三轴旋转压电调姿机构及其激励方法。所采取的技术方案如下：

一种超精密三轴旋转压电调姿机构，所述压电调姿机构包括一个动子1、三个驱动单元2以及一个基座3；所述驱动单元2包括弹性基体2-1和压电陶瓷2-2，且所述弹性基体2-1和压电陶瓷2-2之间固定连接；所述基座3保持固定，所述动子1输出绕自身三个正交轴线的旋转运动，所述三个正交轴线包括纵深方向轴线、水平方向轴线和竖直方向轴线；所述三个驱动单元2的下端面固定在基座3上，所述三个驱动单元2上端面压紧在动子1的表面。

进一步地，所述三个驱动单元2在激励电压信号的作用下产生偏离自身轴线方向的弯曲变形，进而带动所述三个驱动单元2的上端面做往复摆动运动，通过摩擦力驱动动子1的运动；记驱动动子1绕纵深方向轴线旋转的驱动单元2为纵深驱动单元2，记驱动动子1绕水平方向轴线旋转的驱动单元2为水平驱动单元2，记驱动动子1绕竖直方向轴线旋转的驱动单元2为竖直驱动单元2。

进一步地，所述驱动单元2由压电陶瓷2-2固定粘贴于弹性基体2-1的侧面组成，所述压电陶瓷2-2的两个侧面分别为一个不分区极化电极，在激励电压信号的作用下发生变形带动弹性基体2-1的上端面运动。

进一步地，所述驱动单元2由压电陶瓷2-2固定夹持于弹性基体2-1的中间组成，所述压电陶瓷2-2的两个端面分别为一个二分区极化电极，在激励电压信号的作用下发生变形带动弹性基体2-1的上端面运动。

进一步地，增加所述驱动单元2的数量实现动子1负载能力的倍增。

一种超精密三轴旋转压电调姿机构的激励方法，包括以下步骤：

步骤一：动子1绕纵深方向轴线做双向旋转运动；