[发明专利]一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法

权利要求书

1.一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器，其特征在于，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓；

所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连；连接杆的另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；

所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；

所述矩形梁远离连接杆的端面中心设有和所述连接螺栓相匹配的螺纹孔；

所述压电元件组包含第一至第四扭振压电元件、以及第一至第二弯振压电元件；所述第一至第四扭振压电元件、第一至第二弯振压电元件均呈矩形片状，中心设有供所述连接螺栓穿过的通孔；

所述配重块上设有沉头通孔；所述连接螺栓依次穿过配重块上的沉头通孔、第四扭振压电元件、第三扭振压电元件、第二弯振压电元件、第一弯振压电元件、第二扭转压电元件、第一扭转压电元件后和所述矩形梁上的螺纹孔螺纹相连，将压电元件组固定在矩形梁和配重块之间；所述矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓形成夹心式直梁；

所述第一至第四扭振压电元件采用四分区压电元件，均沿其中心通孔圆周方向极化、且极化方向均相同；

所述第一至第二弯振压电元件采用二分区压电元件，沿厚度方向极化且两分区的极化方向相反；第一弯振压电元件、第二弯振压电元件的极化方向相反；

所述驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述配重块上还设有用于固定夹心式多模态复合型旋转压电作动器的安装孔。

2.根据权利要求1所述的夹心式多模态复合型旋转压电作动器，其特征在于，所述配重块为柱形，且配重块和矩形梁等长，振动模态中压电元件组位于夹心式直梁振动的节点位置。

3.基于权利要求1所述的夹心式多模态复合型旋转压电作动器的单模态作动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A.1），对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，激励出夹心式直梁的2n+1阶扭振模态，n为大于等于0的整数，该扭振模态会激励驱动圆环产生m阶面外弯振模态，在简谐振动下每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿一个方向旋转；

步骤A.2），如果需要驱动外界转子反向旋转，停止对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，对第一至第二弯振压电元件施加第二简谐电压信号，激励出夹心式直梁的2n+2阶弯振模态，该弯振模态会激励驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此m阶面外弯振模态与扭振激励的m阶面外弯振模态在空间上存在π/2的相位差，导致此时各个驱动齿的运动轨迹为一个反向的椭圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

4.基于权利要求1所述的夹心式多模态复合型旋转压电作动器的复合模态作动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤B.1），对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，对第一至第二弯振压电元件施加第二简谐电压信号，在激励下驱动圆环产生两个具有π/2空间相位差的驻波，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上也具有π/2的相位差，会使驱动圆环的两个驻波叠加成了一个行波，各个驱动齿在行波下沿椭圆轨迹运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿一个方向旋转；

2）如果需要驱动外界转子反向旋转，调整第一、第二简谐电压信号在时间上具有 -π/2的相位差，驱动齿做相反的椭圆运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。