本發明屬于壓電驅動技術領域。

背景技術：

近年來，壓電驅動器作為一種新型驅動裝置，利用壓電材料的逆壓電效應，在彈性體的特定位置處激勵出特定的運動軌跡，以彈性體作為定子或動子，利用摩擦力，實現對動子的驅動。壓電驅動器具有結構簡單，精度高，響應快，功率密度大，斷電自鎖，不受電磁干擾等優點，這使其在超精密加工、定位等領域有著極大的應用前景。

兩自由度壓電驅動裝置，可實現兩自由度驅動，單個驅動器可以實現更多的功能，已經得到了廣泛的研究。現有的兩自由度壓電驅動裝置，主要包括兩種：一種是兩個單自由度壓電驅動裝置并聯機械結構，利用柔性鉸鏈連接，實現兩自由度驅動，但此類驅動裝置結構復雜，裝配要求極高，輸出行程小，限制了其應用范圍。另一種是兩個單自由度壓電驅動裝置串聯，實現兩自由度驅動，雖然此類驅動裝置有效的增大了其驅動行程，但相互串聯使得輸出誤差相互疊加，降低了驅動精度。同時，這兩種兩自由度壓電驅動裝置都是單自由度驅動裝置疊加的形式，結構尺寸太大，不易于實現小型化。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有兩自由度壓電驅動裝置都是采用單自由度驅動裝置疊加的形式實現，結構尺寸大，且不易于實現小型化問題，本發明提供了一種鈸型兩自由度壓電驅動器及采用該驅動器實現的兩自由度運動的激勵方法。

鈸型兩自由度壓電驅動器，它包括壓電陶瓷片、鈸形金屬片、驅動足、基座和動子；

所述壓電陶瓷片沿厚度方向極化，包括四個極化分區，分別是極化一區、極化二區、極化三區和極化四區，其中，極化一區與極化三區對角布置，且極化方向相反，極化二區與極化四區對角布置，且極化方向相反；

所述鈸形金屬片包括上鈸形金屬片和下鈸形金屬片，且二者對稱布置于壓電陶瓷片的上下表面，下鈸形金屬片與基座固定連接；

所述驅動足的首端與上鈸形金屬片的上表面固定連接，其末端與動子的外表面接觸，動子與基座轉動連接。

所述的所述壓電陶瓷片上下表面分別設置激勵電極片和接地電極片。

所述的鈸形金屬片為中心凸起呈鈸形的金屬片，且上鈸形金屬片中心凸起指向驅動足，下鈸形金屬片中心凸起指向基座。

所述的動子為球型動子、平面動子或筒形動子。

采用所述的鈸型兩自由度壓電驅動器實現的兩自由度運動的激勵方法，該激勵方法可驅動動子實現兩自由度運動，具體表現為：驅動動子繞x軸順時針或逆時針轉動，以及繞y軸順時針或逆時針轉動；

其中，x軸和y軸所指向的方向為壓電驅動器徑向平面內兩個互垂直的方向；

(一)驅動動子繞x軸逆時針轉動的具體過程為：

步驟一一、對極化二區與極化四區施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t1，從而帶動驅動足沿y軸正向逐漸擺動至極限位置，利用驅動足與動子間的靜摩擦力，驅動動子繞x軸逆時針轉動一個角度；

步驟一二、對極化二區與極化四區施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t2，且t2<<t1，從而帶動驅動足沿y軸正向返回初始位置，由于慣性，動子保持原狀態；

步驟一三、重復步驟一一到步驟一二，實現了鈸型兩自由度壓電驅動器對動子的連續步進式驅動，最終實現了驅動動子繞x軸逆時針持續轉動；

(二)驅動動子繞x軸順時針轉動的具體過程為：

步驟二一、對極化二區與極化四區施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t1，從而帶動驅動足沿y軸負向逐漸擺動至極限位置，利用驅動足與動子間的靜摩擦力，驅動動子繞x軸順時針轉動一個角度；

步驟二二、對極化二區與極化四區施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t2，且t2<<t1，從而帶動驅動足沿y軸負向返回初始位置，由于慣性，動子保持原狀態；

步驟二三、重復步驟二一到步驟二二，實現了鈸型兩自由度壓電驅動器對動子的連續步進式驅動，最終實現了驅動球型動子繞x軸順時針持續轉動；

(三)驅動動子繞y軸順時針轉動的具體過程為：

步驟三一、對極化一區與極化三區施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t1，從而帶動驅動足沿x軸正向逐漸擺動至極限位置，利用驅動足與動子間的靜摩擦力，驅動動子繞y軸順時針轉動一個角度；

步驟三二、對極化一區與極化三區施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t2，且t2<<t1，從而帶動驅動足沿x軸正向返回初始位置，由于慣性，動子保持原狀態；

步驟三三、重復步驟三一到步驟三二，實現了鈸型兩自由度壓電驅動器對動子的連續步進式驅動，最終實現了驅動動子繞y軸順時針持續運動；

(四)驅動動子繞y軸逆時針轉動的具體過程為：

步驟四一、對極化一區與極化三區施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t1，從而帶動驅動足沿x軸負向逐漸擺動至極限位置，利用驅動足與動子間的靜摩擦力，驅動動子繞y軸逆時針轉動一個角度；

步驟四二、對極化一區與極化三區施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t2，且t2<<t1，從而帶動驅動足沿x軸負向返回初始位置或者擺動到x軸正向極限位置，由于慣性，動子保持原狀態；

步驟四三、重復步驟四一到步驟四二，實現了鈸型兩自由度壓電驅動器對動子的連續步進式驅動，最終實現了驅動動子繞y軸逆時針持續轉動。

采用鈸型兩自由度壓電驅動器實現的兩自由度運動的激勵方法，該方法中所施加的電壓激勵信號的波形為非對稱三角波或非對稱梯形波。

本發明帶來的有益效果是，本發明所述的一種鈸型兩自由度壓電驅動器，在工作中，可以實現兩方向驅動，實現多種功能。本發明通過一組壓電陶瓷片和兩組鈸形金屬片連接，利用驅動足輸出驅動力，實現兩自由度驅動。利用鈸形金屬片的位移放大作用，以小體積的壓電陶瓷片實現有效的位移輸出，從而實現壓電驅動器的小型化。同時，壓電陶瓷片設置為四個極化分區，在電壓激勵信號激勵下，帶動驅動足實現兩個自由度的擺動，利用靜摩擦力和慣性驅動原理，驅動動子兩自由度運動。該鈸型兩自由度壓電驅動器結構尺寸小，在空間機構，生命科學，納米制造等工作空間小，精度高的領域有著廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為當動子為球型動子時，鈸型兩自由度壓電驅動器的整體結構示意圖；其中，z軸為壓電驅動器的軸向；

圖2為圖1的軸向剖視圖；

圖3是壓電陶瓷片的四個極化分區圖；

圖4為當動子為平面動子時，鈸型兩自由度壓電驅動器的軸向剖視圖；

圖5為當動子為筒形動子時，鈸型兩自由度壓電驅動器的軸向剖視圖；

圖6為壓電驅動器驅動球型動子繞x軸順時針轉時，所施加的激勵電壓信號的波形圖；

其中，vmax為正向電壓幅值的極大值，-vmax為負向電壓幅值的極大值，t0為初始時間，t為周期；

圖7和圖8均為在圖6所施加的激勵電壓信號的條件下，壓電驅動器驅動球型動子繞x軸順時針轉動的狀態圖；

圖9為電驅動器驅動球型動子繞x軸逆時針轉動時，所施加的激勵電壓信號的波形圖；

其中，vmax為正向電壓幅值的極大值，-vmax為負向電壓幅值的極大值，t0為初始時間，t為周期；

圖10和圖11均為在圖9所施加的激勵電壓信號的條件下，壓電驅動器驅動球型動子繞x軸逆時針轉動的狀態圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式所述的鈸型兩自由度壓電驅動器，它包括壓電陶瓷片1、鈸形金屬片2、驅動足3、基座4和動子5；

所述壓電陶瓷片1沿厚度方向極化，包括四個極化分區，分別是極化一區1-1、極化二區1-3、極化三區1-2和極化四區1-4，其中，極化一區1-1與極化三區1-3對角布置，且極化方向相反，極化二區1-2與極化四區1-4對角布置，且極化方向相反；

所述鈸形金屬片2包括上鈸形金屬片2-2和下鈸形金屬片2-1，且二者對稱布置于壓電陶瓷片1的上下表面，下鈸形金屬片2-1與基座4固定連接；

所述驅動足3的首端與上鈸形金屬片2-2的上表面固定連接，其末端與動子5的外表面接觸，動子5與基座4轉動連接。

本實施方式，利用鈸形金屬片的位移放大作用，有效的縮小壓電陶瓷片1片的尺寸，從而實現壓電驅動器的小型化。壓電陶瓷片1設置為四個極化分區，在電壓激勵信號激勵下，帶動驅動足實現兩個自由度的擺動，利用靜摩擦力和慣性驅動原理，驅動動子兩自由度運動。該鈸型兩自由度壓電驅動器結構尺寸小，實現了小型化。

具體實施方式二：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的鈸型兩自由度壓電驅動器的區別在于，所述的動子5為球型動子、平面動子或筒形動子。

本實施方式中，當動子5為球型動子時，球型動子的外表面與基座4轉動連接；當動子5為平面動子時，平面動子的底面與基座4轉動連接；當動子5為筒形動子時，筒形動子的外表面與基座4轉動連接，且繞著筒形動子軸向轉動。

具體實施方式三：參見圖1至圖5說明本實施方式，采用具體實施方式一所述的鈸型兩自由度壓電驅動器實現的兩自由度運動的激勵方法，該激勵方法可驅動動子5實現兩自由度運動，具體表現為：驅動動子5繞x軸順時針或逆時針轉動，以及繞y軸順時針或逆時針轉動；

其中，x軸和y軸所指向的方向為壓電驅動器徑向平面內兩個互垂直的方向；

(一)驅動動子5繞x軸逆時針轉動的具體過程為：

步驟一一、對極化二區1-2與極化四區1-4施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t1，從而帶動驅動足3沿y軸正向逐漸擺動至極限位置，利用驅動足3與動子5間的靜摩擦力，驅動動子5繞x軸逆時針轉動一個角度；

步驟一二、對極化二區1-2與極化四區1-4施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，上升時間為t2，且t2<<t1，從而帶動驅動足3沿y軸正向返回初始位置，由于慣性，動子5保持原狀態；

步驟一三、重復步驟一一到步驟一二，實現了鈸型兩自由度壓電驅動器對動子5的連續步進式驅動，最終實現了驅動動子5繞x軸逆時針持續轉動；

其中，在圖9所施加激勵電壓信號的條件下，驅動動子5繞x軸逆時針轉動的運動狀態，具體參見圖10和圖11，且圖9中的t1為一個周期電壓幅值下降段時間，t2為一個周期電壓幅值上升段時間；

(二)驅動動子5繞x軸順時針轉動的具體過程為：

步驟二一、對極化二區1-2與極化四區1-4施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t1，從而帶動驅動足3沿y軸負向逐漸擺動至極限位置，利用驅動足3與動子5間的靜摩擦力，驅動動子5繞x軸順時針轉動一個角度；

步驟二二、對極化二區1-2與極化四區1-4施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t2，且t2<<t1，從而帶動驅動足3沿y軸負向返回初始位置，由于慣性，動子5保持原狀態；步驟二三、重復步驟二一到步驟二二，實現了鈸型兩自由度壓電驅動器對動子5的連續步進式驅動，最終實現了驅動球型動子5繞x軸順時針持續轉動；

其中，在圖6所施加激勵電壓信號的條件下，驅動動子5繞x軸順時針轉動的運動狀態，具體參見圖7和圖8；且圖6中的t1為一個周期電壓幅值上升段時間，t2為一個周期電壓幅值下降段時間；

(三)驅動動子5繞y軸順時針轉動的具體過程為：

步驟三一、對極化一區1-1與極化三區1-3施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t1，從而帶動驅動足3沿x軸正向逐漸擺動至極限位置，利用驅動足3與動子5間的靜摩擦力，驅動動子5繞y軸順時針轉動一個角度；

步驟三二、對極化一區1-1與極化三區1-3施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t2，且t2<<t1，從而帶動驅動足3沿x軸正向返回初始位置，由于慣性，動子5保持原狀態；步驟三三、重復步驟三一到步驟三二，實現了鈸型兩自由度壓電驅動器對動子5的連續步進式驅動，最終實現了驅動動子5繞y軸順時針持續運動；

(四)驅動動子5繞y軸逆時針轉動的具體過程為：

步驟四一、對極化一區1-1與極化三區1-3施加幅值逐漸下降的激勵電壓信號，下降時間為t1，從而帶動驅動足3沿x軸負向逐漸擺動至極限位置，利用驅動足3與動子5間的靜摩擦力，驅動動子5繞y軸逆時針轉動一個角度；

步驟四二、對極化一區1-1與極化三區1-3施加幅值逐漸上升的激勵電壓信號，上升時間為t2，且t2<<t1，從而帶動驅動足3沿x軸負向返回初始位置或者擺動到x軸正向極限位置，由于慣性，動子5保持原狀態；

步驟四三、重復步驟四一到步驟四二，實現了鈸型兩自由度壓電驅動器對動子5的連續步進式驅動，最終實現了驅動動子5繞y軸逆時針持續轉動。

本實施方式中，所述的動子5保持原狀態，具體解釋為：動子5保持上一時刻的運動狀態。

步驟一一、步驟二一、步驟三一和步驟四一中的角度，均為十分微小的角度。

具體實施方式四：參見圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式五所述的采用鈸型兩自由度壓電驅動器實現的兩自由度運動的激勵方法的區別在于，該方法中所施加的電壓激勵信號的波形為非對稱三角波或非對稱梯形波。

本實施方式中，非對稱三角波為鋸齒波。