[发明专利]单模态协同工作的中空压电作动器及其工作方法

权利要求书

1.单模态协同工作的中空压电作动器，其特征在于，包括环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一支架、第二支架、弧形梁、弧形梁压电陶瓷片、以及两个基体压电陶瓷片；

所述第一转轴、第二转轴分别设置在环形基体两侧，一端均和环形基体的外壁固连，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；

所述作动头设置在环形基体的外壁上，作动头的中心和环形基体圆心的连线垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述环形基体的内壁上还设有对称的第一矩形槽、第二矩形槽，且第一矩形槽的中心、第二矩形槽的中心、作动头的中心在同一直线上；

所述两个基体压电陶瓷片分别对应设置在第一矩形槽、第二矩形槽中，两个基体压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一支架、第二支架的一端分别设有用于安装第一轴承、第二轴承的安装孔，另一端均和外界固定；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别和第一支架、第二支架的安装孔固连，使得环形基体能够绕第一转轴、第二转轴自由转动；

所述弧形梁和外界固定，弧形梁所在平面垂直于第一、二转轴，弧形梁的圆心和环形基体的圆心重合，作动头和弧形梁的内壁相抵；

所述弧形梁外壁的中心设有第三矩形槽；所述弧形梁压电陶瓷片设置在第三矩形槽中，沿厚度方向极化。

2.基于权利要求1所述的单模态协同工作的中空压电作动器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

令环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一基体压电陶瓷片、第二基体压电陶瓷片组成第一压电换能器，弧形梁、弧形梁压电陶瓷片组成第二压电换能器；

对两个基体压电陶瓷片施加第一交流电信号，使得第一压电换能器的面内B_0m振动模态被激发出来，m为偶数，作动头表面质点沿着其中心和环形基体圆心所在直线的方向产生简谐运动；

对弧形梁压电陶瓷片施加第二交流电信号，使得第二压电换能器的纵向振动模态被激发出来，弧形梁内壁的质点在垂直于环形基体的方向上产生分解的简谐运动；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时作动头的表面质点相对弧形梁内壁做椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

3.单模态协同工作的中空压电作动器，其特征在于，包括环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、第一支架、第二支架、弧形梁、弧形梁压电陶瓷片和2i个基体压电陶瓷片，i为大于等于1的自然数；

所述第一转轴、第二转轴分别设置在环形基体两侧，一端均和环形基体的外壁固连，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；

所述作动头设置在环形基体的外壁上，作动头的中心和环形基体圆心的连线垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一支架、第二支架的一端分别设有用于安装第一轴承、第二轴承的安装孔，另一端均和外界固定；所述第一轴承、第二轴承的外圈分别和第一支架、第二支架的安装孔固连，使得环形基体能够绕第一转轴、第二转轴自由转动；

所述弧形梁和外界固定，弧形梁所在平面垂直于第一、二转轴，弧形梁的圆心和环形基体的圆心重合，作动头和弧形梁的内壁相抵；

所述弧形梁外壁的中心设有第三矩形槽；所述弧形梁压电陶瓷片设置在第三矩形槽中，沿厚度方向极化；

所述2i个基体压电陶瓷片均呈弧形，周向均匀的设置在环形基体的上端面或下端面上，且2i个基体压电陶瓷片关于作动头中心和环形基体圆心所在直线对称；

所述2i个基体压电陶瓷片均沿厚度方向极化且相邻基体压电陶瓷片的极化方向相反。

4.基于权利要求3所述的单模态协同工作的中空压电作动器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

令环形基体、第一转轴、第二转轴、作动头、第一轴承、第二轴承、2i个基体压电陶瓷片组成第一压电换能器，弧形梁、弧形梁压电陶瓷片组成第二压电换能器；

对2i个基体压电陶瓷片施加第一交流电信号，使得第一压电换能器的面外B_0n振动模态被激发出来，n为奇数，作动头表面质点在垂直于环形基体的方向上产生简谐运动；

对弧形梁压电陶瓷片施加第二交流电信号，使得第二压电换能器的横向振动模态被激发出来，弧形梁内壁的质点在作动头中心和环形基体圆心所在直线的方向产生分解的简谐运动；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时作动头的表面质点相对弧形梁内壁做椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。