用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器及其激励方法

本发明涉及微型多自由度驱动器，尤其涉及用于传感器姿态调整的三自由度微型压电驱动器及其激励方法。

背景技术：

1、微小型传感器是医疗健康、环境监测、工业控制等领域中的重要器件，起到了数据收集与检测、实时反馈与调节以及增强设备智能化等重要作用。而在这些领域的实际应用中，微小型传感器有多自由度姿态调整的迫切需求，且诸多空间受限的应用场景对用于微小型传感器姿态调整的多自由度驱动器提出了整体尺寸、重量等要求。

2、传统的基于电磁电机的传统多自由度驱动器，需要中间传动机构，导致整体结构复杂、尺寸大，且存在诸如多自由度拓展设计困难、驱动精度低、存在电磁干扰等缺点。

技术实现思路

1、本发明提出了用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器及其激励方法，解决了传统的基于电磁电机的多自由度驱动器在用于微小型传感器姿态调整过程中所存在的结构复杂、体积和重量大、驱动精度低以及多自由度设计困难等问题。

2、本发明所述的用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器，其技术方案如下：

3、所述三自由压电驱动器包括：三自由度驱动单元、被驱动物固定装置以及预紧力调节装置；

4、所述三自由度驱动单元包括下底面压电陶瓷、上底面压电陶瓷和金属基体；

5、所述金属基体为圆盘形，其中心位置开有圆形通孔；

6、所述下底面压电陶瓷和上底面压电陶瓷分别划分有相同数目的多个分区，两者按照分区对齐后分别粘贴在所述金属基体的下表面和上表面；所述下底面压电陶瓷和上底面压电陶瓷为圆环形，两者中心位置被金属基体的圆形通孔贯穿；所述下底面压电陶瓷和上底面压电陶瓷用于被施加激励信号，以在金属基体上激发出径向舒张和收缩振动以及轴向弯曲振动；

7、所述金属基体的圆形通孔的内壁处设置有多个驱动齿：所述多个驱动齿用于在径向舒张和收缩振动以及轴向弯曲振动的带动下做椭圆或斜线轨迹运动；

8、所述被驱动物固定装置包括球形动子和被驱动装置；所述球形动子的顶部通过安装接口与被驱动装置固定连接；所述球形动子的底部球面与所述多个驱动齿直接接触；所述球形动子用于在多个驱动齿的驱动下，带动被驱动装置做三自由度旋转运动；

9、所述预紧力调节装置，用于固定球形动子在水平方向的位置，还用于向球形动子施加并调节轴向的预紧力，以调节球形动子与多个驱动齿之间的摩擦力。

10、进一步的，提供一个优选实施方式，所述预紧力调节装置包括：下底板、弹簧球头柱塞和上端盖；

11、所述下底板设置于金属基体的下面；所述上端盖设置于金属基体的上面；所述下底板和上端盖的外边缘通过螺纹紧固；所述金属基体位于圆盘形边缘的外壁处有法兰凸台组，所述法兰凸台组被下底板和上端盖的外边缘夹紧；

12、所述上端盖的顶部周向分布有多个弹簧球头柱塞；所述多个弹簧球头柱塞用于向球形动子施加并调节轴向的预紧力。

13、进一步的，提供一个优选实施方式，所述弹簧球头柱塞包括：钢珠和螺牙柱；

14、所述螺牙柱内部设有弹簧，所述弹簧的一端与钢珠固定连接；所述螺牙柱与上端盖活动连接；

15、所述钢珠与球形动子的上半部分的球面直接接触，用于向球形动子施加轴向的预紧力；

16、所述弹簧球头柱塞用于通过调节螺牙柱与上端盖的相对位置，改变弹簧施加给钢珠的压力，进而调节轴向的预紧力。

17、进一步的，提供一个优选实施方式，所述金属基体的上表面固定有环形凸台。

18、进一步的，提供一个优选实施方式，所述下底面压电陶瓷和上底面压电陶瓷的分区个数为偶数，且分区的排布分别关于x或y轴方向对称。

19、进一步的，提供一个优选实施方式，所述下底面压电陶瓷和上底面压电陶瓷分别划分有4个分区；

20、所述金属基体的圆形通孔的内壁处设置有4个驱动齿，每个驱动齿与每个分区一一对应设置；

21、所述4个驱动齿为1号驱动齿、2号驱动齿、3号驱动齿以及4号驱动齿；

22、其中，1号驱动齿和3号驱动齿对侧设置，2号驱动齿和4号驱动齿对侧设置。

23、本发明还提出了用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器的激励方法，其技术方案如下：所述方法用于激励上述用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器，以使被驱动装置以球形动子的球心为中心做绕x轴、y轴和z轴方向的三自由度旋转动作；

24、所述方法包括：

25、s1，绕x轴方向的旋转动作的激励方法如下：

26、s1.1，对上底面压电陶瓷的部分分区施加第一电压激励信号；设置第一电压激励信号的频率为轴向弯曲振动模态的频率，以激发出轴向弯曲振动；

27、设置于y轴方向的驱动齿在轴向弯曲振动的带动下，分别做沿z轴方向的上升和下降动作；

28、s1.2，对下底面压电陶瓷的所有分区施加第二电压激励信号；设置第二电压激励信号的频率为径向舒张和收缩振动振动模态的频率，以激发出径向舒张和收缩振动；

29、设置于y轴方向的驱动齿在径向舒张和收缩振动的带动下，分别做沿y轴方向的前进和后退动作；

30、s1.3，在轴向弯曲振动和径向舒张和收缩振动的共同作用下，设置于y轴方向的驱动齿做yoz平面内的椭圆轨迹运动，且从x轴正方向观察，设置于y轴方向的驱动齿同时做顺时针或逆时针椭圆运动，从而驱动被驱动装置做绕x轴方向的顺指针或逆时针旋转运动；

31、s2，绕y轴方向的旋转动作的激励方法如下：

32、s2.1，对上底面压电陶瓷的部分分区施加第一电压激励信号；设置第一电压激励信号的频率为轴向弯曲振动模态的频率，以激发出轴向弯曲振动；

33、设置于x轴方向的驱动齿在轴向弯曲振动的带动下，分别做沿z轴方向的上升和下降动作；

34、s2.2，对下底面压电陶瓷的所有分区施加第二电压激励信号；设置第二电压激励信号的频率为径向舒张和收缩振动振动模态的频率，以激发出径向舒张和收缩振动；

35、设置于x轴方向的驱动齿在径向舒张和收缩振动的带动下，分别做沿y轴方向的前进和后退动作；

36、s2.3，在轴向弯曲振动和径向舒张和收缩振动的共同作用下，设置于x轴方向的驱动齿做xoz平面内的椭圆轨迹运动，且从y轴正方向观察，设置于x轴方向的驱动齿同时做顺时针或逆时针椭圆运动，从而驱动被驱动装置做绕y轴方向的顺指针或逆时针旋转运动；

37、s3，绕z轴方向的旋转动作的激励方法如下：

38、s3.1，对上底面压电陶瓷和下底面压电陶瓷的部分分区施加第一电压激励信号；设置第一电压激励信号的频率为轴向弯曲振动模态的频率，以激发出第一种轴向弯曲振动；

39、s3.2，对下底面压电陶瓷和下底面压电陶瓷的其他部分分区施加第二电压激励信号；设置第二电压激励信号的频率为轴向弯曲振动模态的频率，以激发出第二种轴向弯曲振动；

40、s3.2，在上述两种轴向弯曲振动的共同作用下，所述多个驱动齿分别做沿z轴方向的上升和下降动作以及沿着圆周切线方向上的运动，两者合成椭圆运动轨迹，从而驱动被驱动装置做绕z轴方向的顺指针或逆时针旋转运动。

41、进一步的，提供一个优选实施方式，所述第一电压激励信号和第而电压激励信号均为正弦波信号，两者相差的相位。

42、进一步的，提供一个优选实施方式，所述第一电压激励信号和第而电压激励信号均为矩形波信号，两者相差四分之一个周期的相位。

43、进一步的，提供一个优选实施方式，在绕x轴、y轴或z轴方向的旋转动作的激励方法中，通过调换第一电压激励信号和第而电压激励信号的顺序，用于实现绕同一轴方向的反方向旋转。

44、本发明有以下有益效果：

45、1.本发明所述的用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器，采用压电驱动技术替代传统的电磁驱动技术，减少了电磁干扰，提高了驱动精度。

46、2.本发明所述的用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器，采用压电驱动技术替代传统的电磁驱动技术，无需传动机构设计，结构简单、无噪音，易于实现小型化的多自由度拓展设计。

47、3.本发明所述的用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器，通过分区激励实现了解耦的三自由度旋转运动输出能力，所述被驱动物固定装置能绕x轴、y轴以及z轴做独立旋转动作。

48、4.本发明所述的用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器，采用预紧力调节装置，实现驱动齿与球形动子之间预紧力的可控。

49、5.本发明所述的用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器，具有结构简单、体积小、重量轻、驱动分辨率高等优点，在微小型传感器的驱动和控制领域有着广阔的应用前景。

50、本发明所述的用于传感器姿态调整的三自由度压电驱动器及其激励方法，适用于微型和小型传感设备的驱动与控制。