CN103187900B - 摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体、中心体、导轨，其特征是四压电体中的两个压电体按形变方向串联的方式各以一端固定于所述中心体，构成第一双压电体串，另两个压电体也按形变方向串联的方式各以一端固定于该中心体，构成第二双压电体串，所述第一和第二双压电体串的压电形变方向平行，设置与四压电体在其形变方向上为滑动配合的导轨，在垂直于四压电体形变方向上设置将导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。本发明对称性高(热胀冷缩相消，温漂小)、可靠性高且推力大(因为摩擦力自动处于最佳配合)、尺寸小、刚性强、适于各种极端物理条件，接近理想步进器。

Description

摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，属于压电定位器技术领域。

背景技术

压电马达因同时具有宏观(毫米以上)的大行程和微观的(纳米，甚至埃米)定位精度而广泛应用于精密机械、纳米器件加工、原子/分子操纵、乃至亚原子结构成像，是重要的纳米科技工具。现今的压电马达研制重点是朝着大推力、小体积、全对称的方向发展，其主要的技术方案是：在几个压电体的驱动下借助摩擦力间的配合使压电体在导轨上步进。例如，我们已于2009年提出并实现了一种三摩擦力配合的压电马达，详见发明专利授权号：ZL200910116492.X以及我们在美国《科学仪器评论》(ReviewofScientificInstrument，2009年第80期085104页)上发表的论文，其结构为：两压电体平行地固站于基座上，一滑杆的两端分别被两压电体自由端和基座以弹力夹持，这三个夹持力对滑杆产生的最大静摩擦力大约相等。工作时，初态设为两压电体皆收缩状态，接着它们同时伸长，这带动滑杆沿该伸长方向移动，因为两压电体自由端对滑杆的静摩擦力都是拉着滑杆往该伸长方向移动(合力＝2f)，而基座对滑杆的静摩擦力f虽是阻力，但小于2f，故滑杆相对于基座步进了一步。接着两压电体中一个收缩，另一个保持伸长，此时收缩压电体的自由端会在滑杆上滑动(回到初态的缩短状态)，而另一压电体自由端以及基座在滑杆上都不滑动，因为收缩压电体自由端对滑杆的摩擦力f小于另一压电体自由端和基座对滑杆的总摩擦力2f。接着，还保持伸长的那个压电体收缩，同理，它也能恢复最初的缩短状态且不使滑杆相对于基座滑动。至此，滑杆已相对于基座步进了一步且两压电体都回到初态。如此重复可使滑杆相对于基座一步步地沿两压电体伸长方向步进。反之，如让初态皆为收缩状态的两压电体按照：一个伸长-另一个伸长-同时收缩的顺序重复进行，可使滑杆相对于基座一步步地沿两压电体收缩方向步进。

这种压电马达的缺点是：要满足该压电马达的工作条件：三个夹持力对滑杆产生的最大静摩擦力大约相等，是点难度的，需要多次调节夹持的弹簧片才能最终较好地满足这个要求。这是因为该马达的两端对正压力的要求并不对称：一端的总正压力要求是另一端总正压力的2倍。这难以借助对称性来自动满足，需要多次调试各个弹簧片的弹力才能近似满足。调好以后，三个夹持力也会随温度而变化。若最终三个夹持力不能很接近相等，则该压电马达的推力就会减小，甚至不能工作。此外，该压电马达对弹簧片的不对称使用会导致整体结构不对称，特别是，为提高刚性而不得不刻意使某个夹持力为紧靠刚性体夹持，此时马达就更加不对称了。对称性低会增加其定位的热漂移，破坏稳定性。

本发明将提出一种马达两端各为2个等值正压力的平衡对称压电马达结构，使得摩擦力因对称性自动形成最佳配合，保证该压电马达始终处于最佳的工作条件。

发明内容

为了解决现有靠摩擦力配合步进的压电马达的摩擦力配合困难并难以做成对称结构，提出一种摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体、中心体、导轨，其特征是：所述四压电体中的两个压电体按形变方向串联的方式各以一端固定于所述中心体，构成第一双压电体串，另两个压电体也按形变方向串联的方式各以一端固定于该中心体，构成第二双压电体串，

所述第一双压电体串的压电形变方向平行于第二双压电体串的压电形变方向，

设置与四压电体在其形变方向上为滑动配合的导轨，在垂直于四压电体形变方向上设置将导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。

本发明摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达的结构特点也在于：

在所述四个压电体的自由端与导轨之间分别增设固定于压电体自由端的垫片。

所述导轨通过导轨弹性和/或中心体弹性和/或压电体弹性与四压电体的自由端弹性相压。

所述导轨通过垫片弹性和/或导轨弹性和/或中心体弹性和/或压电体弹性与四压电体的自由端弹性相压。

所述第一双压电体串的两压电体为整体设置和/或所述第二双压电体串的两压电体为整体设置。

所述的四个压电体为压电片叠堆。

本发明摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达控制方法的特点是以如下时序分别控制四个压电体，完成一次步进：

(a)、分处于第一和第二双压电体串且处于中心体同一侧的两个压电体同步收缩，与此同时，分处于第一和第二双压电体串且处于中心体另一侧的两个压电体也同步伸长；

(b)、上述(a)中处于收缩的压电体分先后伸长；

(c)、上述(a)中处于伸长的压电体分先后收缩。

本发明基本型摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体，中心体、导轨，其特征是：所述四压电体中的两个压电体按形变方向串联的方式各以一端固定于所述中心体，构成第一双压电体串，另两个压电体也按形变方向串联的方式各以一端固定于该中心体，构成第二双压电体串，

所述第一双压电体串的压电形变方向平行于第二双压电体串的压电形变方向，

设置与四压电体在其形变方向上为滑动配合的导轨，在垂直于四压电体形变方向上设置将导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。

工作时，以如下时序分别控制所述四压电体，可完成一次步进：

(a)、分处于第一和第二双压电体串且处于中心体同一侧的两个压电体同步收缩，与此同时，分处于第一和第二双压电体串且处于中心体另一侧的两个压电体也同步伸长；这一步之后，所述四压电体的自由端相对于导轨没有移动，但中心体相对于导轨前进了一步；

(b)、上述(a)中处于收缩的压电体分先后伸长；由于是分先后伸长，所以各个压电体伸长时，其自由端的摩擦力与其余三个自由端摩擦力方向相反且不能撼动其余三个自由端摩擦力的总和，所以，这一步之后，上述(a)中处于收缩的压电体的自由端相对于导轨前进了一步；

(c)、上述(a)中处于伸长的压电体分先后收缩；与(b)同理，这一步之后，上述(a)中处于伸长的压电体的自由端相对于导轨前进了一步。

至此，四个压电体以及中心体都相对于导轨前进了一步，如此重复可产生向前的步进。由于此处的“前进”方向并没有什么特殊性，所以，相同的原理也可以产生向后的步进。

由于四个压电体是全同的且相对于中心体呈对称排列，可对称地在垂直其形变方向上设置等值的导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的、对称的，所以四个摩擦力自动形成配合，满足步进的要求：单个压电体形变时，其自由端与导轨的摩擦力不足以撼动其余三个由端与导轨的摩擦力总和，从而该单个压电体形变时，其自由端能相对于导轨移动。这就实现了本发明的目的。

根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在能同时具有如下重要性能：

1)对称性高(热胀冷缩相抵消，热漂移小)：四个压电体为全同的，且关于中心体呈对称排列；

2)可靠性高：因为摩擦力由于对称性而自动处于最佳配合；

3)推力大：也是因为摩擦力由于对称性而自动处于最佳配合；

4)尺寸小：因为两压电体串为并排设置，非常节省空间。

5)结构简单牢固：四压电体可由两个压电体整体构成，并通过其自身的弹性与导轨相夹持，整个马达没有弹簧片，刚性非常强。

6)工作温区大：由于各压电体与导轨间的夹持力可为长力程的弹性力，所以它们之间热胀冷缩的不匹配不会对各正压力产生明显的变化，对加工精度的要求也不高。这使得本发明可在超低温至高于室温的超大温区内都能工作，特别适用于变温方面与极低温条件下的应用。

7)大行程：因为可重复步进。行程仅受限于设计尺寸。

附图说明

图1是本发明基本型摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达的结构示意图。

图2是本发明带垫片的摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达的结构示意图。

图3是本发明整体压电体型摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达的结构示意图。

图4是本发明导轨处于压电体内侧的摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达结构示意图。

图中标号：1四个相同的压电体之一、2四个相同的压电体之二、3四个相同的压电体之三、4四个相同的压电体之四、5中心体、6导轨、7垫片。

以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

实施例1：基本型摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达

参见附图1，本发明基本型摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体1，2、3、4，中心体5、导轨6，其特征是：

所述四压电体1，2、3、4中的两个压电体1、2按形变方向串联的方式各以一端固定于所述中心体5，构成第一双压电体串，

另两个压电体3、4也按形变方向串联的方式各以一端固定于该中心体5，构成第二双压电体串，

所述第一双压电体串的压电形变方向平行于第二双压电体串的压电形变方向，

设置与四压电体1，2、3、4在其形变方向上为滑动配合的导轨6，在垂直于四压电体1，2、3、4形变方向上设置将导轨6与四压电体1，2、3、4自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨6产生的最大静摩擦力是等值的。

工作时，以如下时序分别控制所述四压电体1，2、3、4，可完成一次步进：

(a)、分处于第一和第二双压电体串且处于中心体5同一侧的两个压电体1、3同步收缩，与此同时，分处于第一和第二双压电体串且处于中心体5另一侧的两个压电体2、4也同步伸长；这一步之后，所述四压电体1，2、3、4的自由端相对于导轨6没有移动，但中心体5相对于导轨6前进了一步；

(b)、上述(a)中处于收缩的压电体1、3分先后伸长；由于是分先后伸长，所以各个压电体伸长时，其自由端的摩擦力与其余三个自由端摩擦力方向相反且不能撼动其余三个自由端摩擦力的总和，所以，这一步之后，上述(a)中处于收缩的压电体1、3的自由端相对于导轨6前进了一步；

(c)、上述(a)中处于伸长的压电体2、4分先后收缩；与(b)同理，这一步之后，上述(a)中处于伸长的压电体2、4的自由端相对于导轨6前进了一步。

至此，四个压电体1，2、3、4以及中心体5都相对于导轨6前进了一步，如此重复可产生向前的步进。由于此处的“前进”方向并没有什么特殊性，所以，类似的原理也可以产生向后的步进。

由于四个压电体1，2、3、4是全同的且相对于中心体5呈对称排列，可对称地在垂直其形变方向上设置等值的导轨6与四压电体1，2、3、4自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨6产生的最大静摩擦力是等值的、对称的，所以四个摩擦力自动形成配合，满足步进的要求：单个压电体形变时，其自由端与导轨的摩擦力不足以撼动其余三个由端与导轨的摩擦力总和，从而该单个压电体形变时，其自由端能相对于导轨移动。这就实现了本发明的目的。

实施例2：带垫片的摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达

在实施例1中，可在所述四个压电体1、2、3、4的自由端与导轨6之间分别增设固定于压电体自由端的垫片7，参见图2。其目的如下：(1)以垫片7与导轨6相摩擦，可以保护压电体自由端不被磨损；(2)导轨可以为直导轨。

实施例3：全弹力型摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达

上述实施例中，四压电体1、2、3、4自由端与导轨6间的所述正压力可以来自压电体或导轨的重力，也可以是电、磁力。本实施例中，所述正压力为弹力，所述导轨6通过导轨6弹性和/或中心体5弹性和/或压电体弹性与四压电体的自由端弹性相压。

实施例4：借助垫片弹力的摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达

上述实施例2中，四压电体1、2、3、4自由端与导轨6间的所述正压力除导轨6通过导轨6弹性和/或中心体5弹性和/或压电体弹性与四压电体的自由端弹性相压实现外，还可以由导轨6通过垫片7的弹性与四压电体的自由端弹性相压来实现。

实施例5：整体压电体型摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达

在上述实施例中，所述第一双压电体串的两压电体1、2为整体设置和/或所述第二双压电体串的两压电体3、4为整体设置，见图3。此时，第一双压电体串的两压电体1、2和/或第二双压电体串的两压电体3、4虽为整体设置，但其电极被割成两对，每对电极都能独立控制其对应的那部分压电体。

实施例6：压电片叠堆型摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达

在上述实施例中，所述的四个压电体1、2、3、4为压电片叠堆。这可以在不显著增加空间的情况下大大提高压电马达的推力。

实施例6：导轨处于压电体内侧和外侧的情形

在上述实施例中，所述导轨6可以从外把第一和第二双压电体串夹于其内，也可以被第一和第二双压电体串夹于二者之间，见图4。

实施例7：摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达的控制方法

本发明摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达的控制方法是以如下时序分别控制所述四压电体，完成一次步进：

(a)、分处于第一和第二双压电体串且处于中心体5同一侧的两个压电体1、3同步收缩，与此同时，分处于第一和第二双压电体串且处于中心体5另一侧的两个压电体2、4也同步伸长；

(b)、上述(a)中处于收缩的压电体1、3分先后伸长；

(c)、上述(a)中处于伸长的压电体2、4分先后收缩。

此方法的工作原理可参见实施例1中的工作原理部分。

Claims (7)

1.一种摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体、中心体、导轨，其特征是：

所述四压电体中的两个压电体按形变方向串联的方式各以一端固定于所述中心体，构成第一双压电体串，

另两个压电体也按形变方向串联的方式各以一端固定于该中心体，构成第二双压电体串，

所述第一双压电体串的压电形变方向平行于第二双压电体串的压电形变方向，

设置与四压电体在其形变方向上为滑动配合的导轨，在垂直于四压电体形变方向上设置将导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。

2.根据权利要求1所述摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，其特征是在所述四个压电体的自由端与导轨之间分别增设固定于压电体自由端的垫片。

3.根据权利要求1所述摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，其特征是所述导轨通过导轨弹性和/或中心体弹性和/或压电体弹性和/或增设弹性体与四压电体的自由端弹性相压。

4.根据权利要求2所述摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，其特征是所述导轨通过垫片弹性和/或导轨弹性和/或中心体弹性和/或压电体弹性与四压电体的自由端弹性相压。

5.根据权利要求1或2所述摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，其特征是所述第一双压电体串的两压电体为整体设置和/或所述第二双压电体串的两压电体为整体设置。

6.根据权利要求1或2所述摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达，其特征是所述的四个压电体为压电片叠堆。

7.一种权利要求1所述摩擦力自配合的高对称性四摩擦力压电马达的控制方法，其特征是以如下时序分别控制所述四压电体，完成一次步进：

(a)、分处于第一和第二双压电体串且处于中心体同一侧的两个压电体同步收缩，与此同时，分处于第一和第二双压电体串且处于中心体另一侧的两个压电体也同步伸长；

(b)、上述(a)中处于收缩的压电体分先后伸长；

(c)、上述(a)中处于伸长的压电体分先后收缩。