一種步進(jìn)式壓電陶瓷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置，具體涉及一種步進(jìn)式壓電陶瓷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著微納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，壓電驅(qū)動(dòng)裝置在超精密微細(xì)加工與測(cè)量技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、納米科技、半導(dǎo)體制造、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物遺產(chǎn)工程、航空航天技術(shù)等領(lǐng)域存在日益廣泛的應(yīng)用。雖然壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有體積小，位移輸出分辨力高，易于控制，無雜散磁場(chǎng)等特點(diǎn)，但是由于其位移輸出行程較小且只能輸出直線位移因此應(yīng)用范圍被大大縮小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種步進(jìn)式壓電陶瓷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)方法，將壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器輸出的直線位移轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，并通過多個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的協(xié)調(diào)步進(jìn)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)，并且同時(shí)具備結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕的特點(diǎn)。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種步進(jìn)式壓電陶瓷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，包括固定在固定底板9上的精密軸承8，安裝于精密軸承8內(nèi)圈的輸出軸7，內(nèi)端設(shè)置在輸出軸7周圈的箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5，分別安裝在箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5中長(zhǎng)軸上的箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6，所述箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的外端固定在驅(qū)動(dòng)殼體10上，所述輸出軸7的圓心在箝位機(jī)構(gòu)I的短軸線上，所述輸出軸7的圓心不在第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的短軸線上；所述箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6通電伸長(zhǎng)時(shí)分別能夠使箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的長(zhǎng)軸產(chǎn)生變形，該變形將引起其短軸長(zhǎng)度縮短，從而使箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5與輸出軸7脫離接觸，而在箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6斷電狀態(tài)下，分別能夠使箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5恢復(fù)原長(zhǎng)，與輸出軸7進(jìn)行接觸從而對(duì)輸出軸7施加作用力。
[0006]所述箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5與所述驅(qū)動(dòng)殼體10位于同一平面內(nèi)，由精密慢走絲線切割機(jī)床一體加工而成。
[0007]所述箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5為橋式位移放大機(jī)構(gòu)。
[0008]上述所述一種步進(jìn)式壓電陶瓷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，初始狀態(tài)，箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6均不通電，箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5與輸出軸7相接觸，靠摩擦力進(jìn)行箝位，驅(qū)動(dòng)器處于鎖止?fàn)顟B(tài)；步進(jìn)旋轉(zhuǎn)時(shí)分為兩種情況:
[0009]逆時(shí)針旋轉(zhuǎn):此時(shí)第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6始終保持通電狀態(tài)不變，即第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5始終與輸出軸7始終脫離接觸，由箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2和第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，通過不斷循環(huán)如下兩步運(yùn)動(dòng)即實(shí)現(xiàn)步進(jìn)旋轉(zhuǎn):
[0010]第一步，第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4通電伸長(zhǎng)，使得第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3實(shí)現(xiàn)短軸變形從而與輸出軸7脫離接觸；箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)，使得箝位機(jī)構(gòu)I與輸出軸7相接觸，靠摩擦力進(jìn)行箝位；
[0011]第二步，箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2通電伸長(zhǎng)，箝位機(jī)構(gòu)I與輸出軸7脫離接觸；基本與此同時(shí)，第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4斷電，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3與輸出軸7接觸并使其產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；重復(fù)上述兩步，驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)步進(jìn)。
[0012]順時(shí)針旋轉(zhuǎn):此時(shí)第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4始終保持通電狀態(tài)不變，即第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3始終與輸出軸7始終脫離接觸，由箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，通過不斷循環(huán)如下兩步運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)旋轉(zhuǎn):
[0013]第一步，第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6通電伸長(zhǎng)，使得第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5實(shí)現(xiàn)縱向變形從而與輸出軸7脫離接觸；箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)，使得箝位機(jī)構(gòu)I與輸出軸7相接觸，靠摩擦力進(jìn)行箝位。然后通過不斷循環(huán)如下兩步運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)；
[0014]第二步，箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2通電伸長(zhǎng)，箝位機(jī)構(gòu)I與輸出軸7脫離接觸；基本與此同時(shí)，第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6斷電，第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5與輸出軸7接觸并使其產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)上述兩步，驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)步進(jìn)。
[0015]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1、由于初始狀態(tài)下箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6均不通電，箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5與輸出軸7相接觸，靠摩擦力進(jìn)行箝位，系統(tǒng)處于鎖止?fàn)顟B(tài)，因此該旋轉(zhuǎn)步進(jìn)式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置具有斷電后位置鎖止的功能。同時(shí)該壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)裝置由于采用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器，因此具有較高的輸出精度。并且由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及尺寸，因此工作穩(wěn)定可靠，應(yīng)用范圍廣泛。
[0017]2、由于輸出軸7的圓心在箝位機(jī)構(gòu)I的短軸線上，即箝位機(jī)構(gòu)I輸出位移方向與輸出軸7半徑方向一致，因此箝位機(jī)構(gòu)I對(duì)輸出軸7的作用力沿輸出軸7半徑方向，沿切線方向無作用力，因此箝位機(jī)構(gòu)I只對(duì)輸出軸7施加沿半徑方向的正壓力，從而依靠摩擦力對(duì)輸出軸7進(jìn)行箝位。由于輸出軸7的圓心不在第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的短軸線上，即第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3與第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5輸出位移方向偏離輸出軸7半徑方向，因此第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3與第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5對(duì)輸出軸7不但存在沿半徑方向的作用力，而沿切線方向也存在作用力，因此當(dāng)?shù)谝或?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3與第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5輸出位移時(shí)將使輸出軸7產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并且，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3使輸出軸7產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5使輸出軸7產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。因此在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只需要同時(shí)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有控制方式簡(jiǎn)單，控制步驟少的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為圖1的俯視圖。
[0020]圖3為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種步進(jìn)式壓電陶瓷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，包括固定在固定底板9上的精密軸承8，安裝于精密軸承8內(nèi)圈的輸出軸7，內(nèi)端設(shè)置在輸出軸7周圈的箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5，分別安裝在箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5中長(zhǎng)軸上的箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6，所述箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的外端固定在驅(qū)動(dòng)殼體10上，所述輸出軸7的圓心在箝位機(jī)構(gòu)I的短軸線上，所述輸出軸7的圓心不在第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的短軸線上；所述箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6通電伸長(zhǎng)時(shí)分別能夠使箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5的長(zhǎng)軸產(chǎn)生變形，該變形將引起其短軸長(zhǎng)度縮短，從而使箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3和第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5與輸出軸7脫離接觸，而在箝位用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器2、第一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4和第二壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器6斷電狀態(tài)下，分別能夠使箝位機(jī)構(gòu)1、第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3