[发明专利]基于压电叠堆的多自由度压电作动器及工作方法

说明书

本发明公开了基于压电叠堆的多自由度压电作动器及工作方法，涉及压电作动器技术领域，能够能够在单定子的基础上实现三个自由度的旋转运动，并且结构简单、紧凑。本发明包括：定子、压电叠堆、球形转子。定子内部中空，顶部和球形转子紧密连接。压电堆叠共有四个，极化方向沿竖直方向向上，两两并列放置在定子的内腔中，形成压电堆叠方阵，压电堆叠方阵和定子紧密连接。压电堆叠方阵的对称中心与球形转子的球心在竖直方向上的投影重合。本发明可以用于替代现有方案中结构较为复杂、且体积较大的多自由度压电作动器方案，在微机械、光学仪器、航空航天、医学等高精密领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及压电作动器技术领域，尤其涉及基于压电叠堆的多自由度压电作动器及工作方法。

背景技术

压电作动器被广泛应用于航空航天、工业、医学等领域，尤其在最近几年，伴随着压电叠堆的兴起，叠堆型压电作动器由于其大位移，大推力，低电压驱动的特性，被广泛应用于各个领域。

在目前的诸多方案中，基于压电叠堆的压电作动器仍然存在输出线位移不足的缺陷，为了放大位移，必须配备相应的位移放大装置，这无疑会导致作动器结构复杂，体积庞大；由于压电叠堆只能输出直线位移，基于压电叠堆的旋转作动器很少，而基于压电叠堆的多自由度旋转作动器则更少；目前基于压电叠堆的多自由旋转型作动器大多采用多定子结合的方案，这无疑会导致整个作动器体积庞大，这无疑限制了基于压电叠堆方案的压电作动器在航空航天、医学等高精密领域中的应用。

发明内容

本发明提供基于压电叠堆的多自由度压电作动器及工作方法，能够在单定子的基础上实现三个自由度的旋转运动，并且结构简单、紧凑。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于压电叠堆的多自由度压电作动器，包括：定子、压电叠堆、球形转子。

定子内部中空，顶部和球形转子紧密连接。压电堆叠共有四个，极化方向沿竖直方向向上，两两并列放置在定子的内腔中，形成压电堆叠方阵，压电堆叠方阵和定子紧密连接。压电堆叠方阵的对称中心与球形转子的球心在竖直方向上的投影重合。

进一步的，定子为近似宝塔形，包括塔身和塔顶。塔身为长方体，底面为正方形，在底面的四个角处设置空腔，压电堆叠设置在空腔内。塔顶顶部设置圆形凹槽，球形转子通过圆形凹槽和塔顶连接，塔顶的底面和塔身连接。

进一步的，所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器，还包括竖直方向预紧机构，包括：预压力调节螺钉、盖板、弹簧。

盖板中心设置圆形槽口，球形转子的顶部穿过圆形槽口。盖板上还设置通孔，定子底面在通孔竖直方向相对的位置上设置螺纹孔。预压力调节螺钉依次穿过弹簧、盖板上的通孔，再和定子底面的螺纹孔配合连接。

进一步的，所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器，还包括法向预紧机构，包括楔块和预紧螺钉。楔块分别设置在压电堆叠下方，定子侧面设置螺纹通孔，预紧螺钉穿过螺纹通孔与楔块紧密接触。

进一步的，塔身和塔顶之间通过杠杆放大结构连接。

基于压电叠堆的多自由度压电作动器的工作方法，适用于所述基于压电叠堆的多自由度压电作动器，包括绕X轴或Y轴旋转、绕Z轴旋转三种工作方式。

向位于压电堆叠方阵同一侧的两个压电叠堆施加正弦电信号，向位于另一侧的压电叠堆施加余弦电信号，基于压电叠堆的多自由度压电作动器绕X轴或Y轴旋转。

向位于压电堆叠方阵一条对角线方向的压电叠堆施加符号相反的正弦电信号，向位于另一条对角线上的压电叠堆施加符号相反的余弦电信号，基于压电叠堆的多自由度压电作动器绕Z轴旋转。

压电叠堆施加带有相位差的电激励使定子产生变形，使定子在与球形转子的相接处产生规律的椭圆运动，推动球形转子发生绕3个坐标轴的旋转。