CN104883090A - 融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达及其制备方法，压电直线马达包括压电谐振动压电换能器、切变压电致动器、驱动电路、滑块、固定在切变压电致动器上的摩擦头和外围部件；谐振压电换能器和切变压电致动器紧密粘接在一起，形成复合压电驱动定子；再通过摩擦头与滑动组件中的滑块紧密接触；谐振压电换能器和切变压电致动器均有上表面电极和下表面电极；压电马达可谐振驱动、直流驱动或复合驱动模式，不仅可以产生宏观的连续直线运动，还可以产生亚微米和纳米运动以及产生大的驱动力。本发明结构简单、制作方便，有利于在精密驱动领域推广应用。

Description

融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达

技术领域

本发明涉及压电马达微纳米精密驱动技术，尤其涉及一种融合切变压电致动器的复合压电驱动定子结构和微、纳米复合驱动模式的压电直线马达及其制备方法。

背景技术

压电马达是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅谐振动转换为运动体宏观的旋转或直线运动，从而直接推动负载。压电马达具有结构紧凑、体积小等优点，得到了广泛运用。压电马达主要包括谐振压电换能器和滑动组件。压电换能器称为定子、滑动组件中可运动部件称为动子。压电换能器在谐振频率下将输入的电能转换为定子的特定微观运动的机械能；滑动组件通过摩擦获得机械能，使动子产生宏观旋转或直线运动。

目前，直线压电马达换能器普遍采用一阶伸长二阶弯曲模式(L1B2)、同形的一阶面内弯曲模式(B1B1)、以及面内一阶等谐振动模式(M.Guo,et al.,IEEE UFFC,2010,57(2596)；P.Ci,et al.,IEEE UFFC,2014,61(159)；Z.Chen,et al.,IEEE UFFC,2013,60(115))。以L1B2谐振模式的压电马达为例，施加特定高频率的交流电压，使压电马达换能器工作在第一阶纵向谐振模式(L1)和第二阶弯曲谐振模式(B2)，通过产生的第一阶纵向谐振和第二阶弯曲谐振耦合简并合成微观的椭圆轨迹运动，再通过椭圆运动和接触摩擦推动滑块组件中的动子做宏观直线运动。压电直线马达可广泛应用于线性精密定位，如镜头变焦、聚焦驱动等。但是，现有采用的L1B2谐振模式的直线压电马达存在以下的问题：压电马达为了实现快速、长行程直线运动，其压电换能器定子需要工作在谐振模式下，而谐振时压电马达换能器因高频下谐振动，导致压电马达驱动速度过快，难以实现亚微米、纳米尺度的精密定位。

压电致动器是一种利用压电工作原理、在压电元件上施加直流电压可直接产生亚微米和纳米的微位移和驱动，因而可用于微纳米精密定位与驱动。但是其缺点是：在直流或交流电压驱动下，压电致动器只能产生小的应变或微位移，或简单的微纳米范围的线性往复位移；不能产生循环往复的椭圆运动和实现宏观的连续直线运动。

综上所述，现有的压电马达换能器一般采用谐振的工作模式，即通过施加一特定频率的交流电压，通过激发压电换能器定子工作在高频谐振动模态，获得所需要的微观的、循环往复的椭圆质点运动，最终通过滑动组件中的动子获得连续的宏观直线运动。但工作在高频谐振模态的压电马达很难产生亚微米和纳米运动。即使通过某些特殊的控制方法可以产生亚微米或纳米运动，但一般是以丧失动子驱动力为代价的。而压电致动器工作在直流电压下可产生简单压电应变，虽然可以产生亚微米、纳米微位移和大的驱动力，但却不能产生宏观的连续直线运动。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种融合了切变压电致动器的复合驱动模式的压电直线马达及其制备方法。所说的压电直线马达拥有一个复合压电定子，包括一个谐振压电换能器和一个直流切变压电致动器；所说的压电马达可以根据工作需要工作在谐振驱动、直流驱动或复合驱动模式，不仅可以产生宏观的连续直线运动，还可以产生亚微米和纳米运动以及产生大的驱动力。本发明的压电直线马达，具有结构简单、制作方便等特点，可有效克服现有压电直线马达的不足。

本发明的原理是：发明一种包括切变压电致动器与谐振模式压电换能器的复合结构压电定子和复合驱动模式的压电直线马达；压电直线马达的复合结构压电定子可以工作在谐振或直流驱动模式；当压电马达需要产生宏观的大行程位移时，启动压电复合定子的压电换能器部分，使其工作在交流电压下的特定频率的谐振模式；当压电马达需要产生亚微米、纳米微位移时，启动压电复合定子的切变压电致动器部分，在直流工作电压下可以产生所需要的微纳米精密运动和同时产生大的驱动力。本发明提供了一种融合切变压电致动器与谐振压电换能器的复合定子结构压电马达，有效弥补了现有谐振模式压电直线马达在微位移方面的缺陷。

本发明提供的技术方案是：

一种融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，包括谐振压电换能器、切变压电致动器、驱动电路、滑块(动子)、固定在切变压电致动器上的摩擦头和外围部件等；所述外围部件包括弹性固支、弹性压紧部件、夹具和滑动组件；其中，所述谐振压电换能器和切变压电致动器紧密粘接在一起，形成压电直线马达的复合压电驱动定子；复合压电驱动定子被弹性固支固定在夹具中，在弹性压紧部件的作用下，使得复合压电驱动定子通过固定在切变压电致动器上的摩擦头与滑动组件中的滑块紧密接触；所述谐振压电换能器和切变压电致动器均有上表面电极和下表面电极。

针对上述融合切变压电致动器与谐振压电换能器的复合压电驱动定子结构，进一步地：复合压电驱动定子的形状可根据谐振压电换能器的谐振动工作模式，设计为矩形或正方形；复合压电驱动定子的材料可以选为压电陶瓷材料或者压电单晶材料；复合压电驱动定子的结构可以设计为压电陶瓷或压电单晶材料本身，或者为弹性金属片与压电陶瓷(或压电单晶)材料构成的复合板结构。

针对上述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，进一步地，

摩擦头为一个或两个；一个摩擦头粘接在切变压电致动器的正中位置，或者是两个摩擦头粘接在切变驱动器正面的两边位置；

摩擦头的形状为球形、半球形、圆柱形或者其他形状，由耐磨材料制作得到；所述弹性压紧部件为能够提供预紧力的装置，优选地，弹性压紧部件为金属弹簧；

谐振压电换能器的谐振模式为一阶伸长二阶弯曲模式(L1B2)、同形的一阶面内弯曲模式(B1B1)和同形的一阶面内对角弯曲模式(FDB)等谐振模式中的一种；

谐振压电换能器整体沿厚度方向极化；谐振压电换能器的上表面电极被划分为多个相同面积的电极区域，分别为第一电极区域、第二电极区域、第三电极区域和第四电极区域，谐振压电换能器的下表面电极为一体结构的第五电极区域。

谐振压电换能器上表面的第一电极区域、第二电极区域、第三电极区域和第四电极区域连接压电直线马达驱动电路提供的一个或多个交流输入电压，下表面的电极区域作为电压接地端，激发谐振压电换能器产生谐振动模式；

所述切变压电致动器整体沿长度方向极化，而直流电压则是沿厚度方向施加；切变压电致动器的上表面电极和下表面电极区域均为一个，上表面电极区域连接驱动电路提供的直流输入电压，下表面电极区域作为电压接地端，使得切变压电致动器产生横向剪切应变，驱动滑块产生左或右向的亚微米或纳米精确位移。

本发明还提供制备上述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的方法，包括如下步骤：

1)利用高性能压电陶瓷或压电单晶材料，制备矩形或正方形谐振压电换能器；谐振压电换能器整体沿厚度方向极化；

根据谐振压电换能器的谐振工作模式，利用高性能压电陶瓷或压电单晶材料，制备具有一定长宽比的矩形或正方形谐振压电换能器；谐振压电换能器整体沿厚度方向极化；

2)利用高性能压电陶瓷或压电单晶材料，制备矩形切变压电致动器；切变压电致动器的长度与宽度设计的与谐振压电换能器的宽度与厚度一致；

根据剪切应变和所需要的微位移设计，利用高性能压电陶瓷或压电单晶材料制备矩形切变压电致动器；为了将切变压电致动器与谐振压电换能紧密复合在一起，切变压电致动器的长度与宽度设计的与谐振压电换能器的宽度与厚度一致；

3)沿长度方向极化切变压电致动器，磨去极化用的端面电极；沿厚度方向的上表面和下表面上分别被上表面电极和下表面电极；

4)将切变压电致动器与谐振压电换能器紧密粘接在一起构成复合压电驱动定子；复合压电驱动定子需工作在谐振压电换能器的特定谐振工作模式上；

利用环氧树脂将切变压电致动器与谐振压电换能器紧密粘接在一起构成复合压电驱动定子；注意谐振压电换能器和压电致动器的尺寸设计，它们复合后构成的复合压电驱动定子还需要工作在谐振压电换能器的特定谐振工作模式上；

5)在复合压电驱动定子的切变压电致动器一侧端部粘接驱动用的摩擦头；

6)将夹具、压力弹簧和滑块组件与复合压电驱动定子紧密装配在一起，完成融合切变压电致动器的复合驱动模式压电直线马达的制备。

针对上述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的制备方法，进一步地，步骤2)中，可以简单的将压电直线马达的谐振压电换能器沿长度方向的端部截去一个长方体部分，截去的长方体体积不超过谐振压电换能器体积的20％；再选用和截去的长方体部分同体积、同形状的切变压电致动器粘接复合在谐振压电换能器的端部而制成，后者的整体谐振模式、工作频率以及工作性能不会显著改变。

针对上述制备好的融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的复合压电驱动定子，在需要产生宏观的直线位移时，可在谐振压电换能器上施加特定频率的交流电压，使其按照设定的振动模式激发谐振动，驱动滑块产生直线运动；当需要产生微位移时，可在切变压电致动器的上表面和下表面的电极上施加直流电压时，压电切变形变，使得复合压电驱动定子驱动滑块产生精密的亚微米和纳米位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有压电马达为了输出宏观的长行程直线位移，一般工作于特定频率的谐振模式，而谐振模式下，压电马达的驱动器处于高频的振动下，因而难以驱动滑块产生亚微米和纳米的精密位移。本发明提供了一种直线压电马达及其制备方法，包括融合切变压电致动器与谐振压电换能器的复合结构压电驱动定子和它们的复合驱动模式；压电马达复合定子中的切变压电致动器在直流电压驱动下，可以产生亚微米与纳米的精密位移驱动，从而弥补了现有压电马达在微位移驱动方面的缺陷，有效克服现有谐振压电马达难以产生亚微米与纳米精密定位的问题。此外，本发明提供的融合切变压电驱动器复合驱动模式的压电直线马达，具有结构简单，制备方便等特点，有利于在精密驱动领域广泛地推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的融合切变压电致动器复合驱动模式的直线压电马达的结构示意图；

其中，10—L1B2模式复合压电驱动定子；11—弹性压紧部件；12—弹性固支；13—L1B2模式压电换能器；14—切变压电致动器；15—摩擦头；16—驱动滑块；131-134—分别为L1B2模式压电换能器13的第一至第四电极区域；135—L1B2模式压电换能器的第五电极区域；141—切变压电致动器的上表面电极；142—切变压电致动器的下表面电极。

图2为本发明实施例一提供的融合切变压电致动器复合驱动模式的直线压电马达复合压电驱动定子的谐振模式和切变压电致动器在直流电压下的剪应变变形示意图；

其中，(a)为压电复合结构定子的一阶伸长谐振模式(L1)示意图；(b)为复合压电驱动定子的二阶弯曲谐振模式(B2)示意；(c)为复合压电驱动定子中切变压电致动器在直流电压下的剪应变变形示意图。

图3为本发明实施例二提供的融合切变压电致动器复合驱动模式的直线压电马达的结构示意图；

其中，30—一阶面内弯曲复合压电驱动定子；11—弹性压紧部件；12—弹性固支；33—一阶面内弯曲模式压电换能器；14—切变压电致动器；15—摩擦头；16—驱动滑块；331-334—分别为一阶面内弯曲模式压电换能器33的第一至第四电极区域；335—一阶面内弯曲模式压电换能器的第五电极区域；141—切变压电致动器的上表面电极；142—切变压电致动器的下表面电极。

图4为本发明实施例二提供的融合切变压电致动器复合驱动模式的直线压电马达复合压电驱动定子的谐振模式和切变压电致动器在直流电压下的剪应变变形示意图；

其中，(a)为压电复合结构定子沿y方向的一阶面内弯曲谐振模式(B1-y)示意图；(b)为压电复合定子沿x方向的一阶面内弯曲谐振模式(B1-x)示意图；(c)为复合定子中切变压电致动器在直流电压下的剪应变变形示意图。

图5为本发明实施例三提供的融合切变压电致动器复合驱动模式直线压电马达的结构示意图；

其中，50—一阶面内对角弯曲复合压电驱动定子；11—弹性压紧部件；12—弹性固支；53—一阶面内对角弯曲模式压电换能器；14—切变压电致动器；15A和15B—摩擦头；16—驱动滑块；531-534—分别为一阶面内对角弯曲模式压电换能器53的第一至第四电极区域；535—一阶面内对角弯曲模式压电换能器的第五电极区域；141—切变压电致动器的上表面电极；142—切变压电致动器的下表面电极。

图6为本发明实施例三提供的融合切变压电致动器复合驱动模式的直线压电马达复合压电驱动定子的谐振模式和切变压电致动器在直流电压下的剪应变变形示意图；

其中，(a)为复合压电驱动定子沿x’方向的一阶面内对角弯曲谐振模式(FDB-x’)示意图；(b)为复合定子沿y’方向的一阶面内对角弯曲谐振模式(FDB-y’)示意图；(c)为复合定子中切变压电致动器在直流电压下的形变示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

现有压电马达换能器为了输出宏观的长距离直线位移，一般工作于特定频率的谐振模式，而在谐振模式下，压电马达换能器处于高频的振动下，因而难以产生亚微米和纳米的精密位移驱动。而本发明提供了一种融合切变压电致动器和压电谐振换能器的复合结构压电定子、工作在复合驱动模式的压电马达，其切变压电致动器在直流电压驱动下，可以产生微纳米精密位移和驱动，从而弥补了现有谐振压电马达可产生长行程但很难产生亚微米和纳米位移与驱动的不足。

具体地，本发明提供的融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，包括压电谐振换能器13、切变压电致动器14、驱动电路(没有显示)、驱动滑块16、摩擦(驱动)头，以及弹性压力组件11、马达夹具12、滑动组件等外围部件。压电换能器13与切变压电致动器14结合后构成复合压电定子10，它的谐振工作模式包括一阶伸长二阶弯曲模式(L1B2)，同形的一阶面内弯曲模式(B1B1)，同形的一阶面内对角弯曲模式(FDB)等谐振模式。复合压电驱动定子被弹性固支固定在夹具中，在弹性压紧部件的作用下，使得复合压电驱动定子通过固定在切变压电致动器上的摩擦头与滑动组件中的滑块紧密接触；所述谐振压电换能器和切变压电致动器均有上表面电极和下表面电极。

下文的实施例详细给出不同谐振动模式的激发方法以及设计要求。融合切变压电致动器和谐振换能器的复合压电定子10的制备方法为：根据压电换能器的谐振工作模式，设计具有一定长宽比的矩形或正方形压电换能器13；压电换能器13整体沿厚度方向极化；根据剪切应变设计，制备沿长度方向极化的矩形切变压电致动器14。利用环氧树脂将压电换能器13、切变压电致动器14和摩擦头紧密粘接在一起构成复合结构压电定子。实施例中详细介绍不同谐振模式下，摩擦头的粘接位置。也可以简单的将压电马达谐振换能器13沿长度方向的端部截去一个长方体部分，截去的长方体体积不超过压电换能器体积的20％。再选用同体积、同形状的切变压电致动器14粘接复合在压电换能器的端部构成复合压电定子10.后者的整体谐振模式、工作频率以及工作性能不会显著改变。最后将压电复合定子与相应的压力弹簧11、夹具12和滑动组件紧密装配在一起，构成复合驱动模式直线压电马达。实施例中的摩擦头15或15A、15B可为球形、半球形、圆柱形或者其他形状，且由耐磨材料如氧化铝陶瓷材料制得；弹性压紧部件11可以为弹簧或其他提供预紧力的装置。当直线压电马达需要工作在宏观直线运动时，可在压电换能器13之上施加特定频率的交流电压，使得压电换能器按照设定振动模式谐振，通过摩擦头15产生的接触摩擦力驱动滑动组件中的滑块(动子)16做宏观的大行程直线运动；当压电直线马达需要工作在微位移时，可在切变压电致动器14的上下表面上施加直流电压、产生切变形变，再通过摩擦头15驱动滑块16产生亚微米和纳米分辨率的微位移。

下面以融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的具体结构为例，对本发明技术方案做详细的说明。

图1为本发明提供的融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达实施例一的结构示意图。如图1所示，本实施例中的融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，其压电换能器13、切变压电致动器14，摩擦头15通过环氧树脂紧密粘接在一起形成整体、构成复合压电驱动定子10，并且摩擦头15粘接在切变驱动器14的正中。复合压电定子被弹性固支12固定在夹具中，并且在弹性压紧部件11作用下与滑动部分的滑块16紧密接触，从而驱动滑块16往复直线运动以及微纳米精密定位。

实施例一中，压电马达换能器工作于一阶伸长(L1)和二阶弯曲(B2)模式。压电换能器13的结构尺寸需要根据L1和B2模式的谐振频率相等条件进行尺寸设计，以及要求同时可激励出L1、B2模式来设计和划分电极。设计时，通过调整压电换能器13的长宽比，使得其L1模式与B2模式的频率一致。同时，如图1所示，压电换能器13整体沿厚度方向极化(如图1中↑所示)，并且其上表面电极被划分为第一电极区域131、第二电极区域132、第三电极区域133和第四电极区域134四部分相同的长方形区域，下表面电极为一体结构为第五电极区域135。压电换能器13上表面的电极区域131、132、133和134可连接压电马达驱动电路，提供特定频率的交流输入电压，下表面的电极区域135可作为电压地端。通过在以上电极区域上施加预设工作频率的驱动电压，就可以激发压电换能器13产生L1B2的振动模式。特别的，预设电压工作频率为压电马达换能器L1和B2的谐振频率时，可获得最大的振动幅度。同时，如图1所示，切变压电致动器14整体沿长度方向极化(如图1中↑所示)，极化之后磨去极化电极，并且在沿厚度方向的上下表面被电极，其中上表面电极为141，下表面电极为142。注意在切变压电致动器14同压电换能器13结合成复合压电定子后，压电换能器13要求还是可以工作于一阶伸长(L1)和二阶弯曲(B2)模式。

图2(a)为本发明提供的压电直线马达实施例一中，压电马达换能器的一阶伸长谐振模式(L1)示意图；图2(b)为压电换能器的二阶弯曲谐振模式(B2)示意图。实施例一中，压电马达上的驱动电路提供的驱动电压中，包括多个输入电压，分别施加在压电换能器13上的各电极区域。具体地，如图1所示，压电换能器13的第一电极区域131和第三电极区域133连接有输入驱动电压Vsinωt,第二电极区域132和第四电极区域134悬浮，下表面电极区域135接地。这样在驱动电压的作用下，压电换能器13的L1(如图2(a)所示)、B2(如图2(b)所示)振动模式可以同时激发出来，可以使与其紧密粘接的摩擦头15产生偏左向的往复的椭圆轨迹运动，从而驱动滑块16产生宏观的左向直线运动。当压电换能器13的第二电极区域132和第四电极区域134连接有输入驱动电压Vsinωt,第一电极区域131和第三电极区域133悬浮，下表面电极区域135接地，压电换能器可以驱动摩擦头15产生偏右向的往复的椭圆轨迹运动，从而驱动滑块16产生宏观的右向直线运动。

图2(c)为本发明提供的复合驱动模式压电马达实施例一中，切变压电致动器在直流电压下的形变示意图。实施例一中，切变压电致动器14上表面电极141可连接压电致动器驱动电路提供的直流输入电压，下表面电极区域142可作为电压接地端，通过在以上电极区域上施加预设的驱动电压，可以使切变压电致动器14产生剪切应变(如图2(c)所示)，该应变可以通过摩擦头15驱动滑块16产生左、右方向的精确微位移。

本领域技术人员可以理解，上述输入电压的幅值和工作频率，即电压V的大小和频率，可根据需要而设定合适的值，以确保压电换能器和切变压电致动器工作时，可驱动压电马达的滑动部件运动；也可以理解，通过调整压电换能器13的长宽比，可以使其L1和B2振动模式的频率一致，从而同时激发出两种需要的谐振工作模式。

实施例一中，压电换能器13的形状为特定长宽比的长方体，其材料可以为压电陶瓷材料或者压电单晶材料；压电换能器13的结构可以是弹性金属片与压电陶瓷或单晶材料构成的复合板结构。本实施例中，压电换能器13为压电陶瓷材料制作而成的矩形压电陶瓷板。

图3为本发明提供的压电直线马达实施例二的结构示意图。如图3所示，本实施例中的复合驱动模式压电马达，其压电换能器33、切变压电致动器14，摩擦头15通过环氧树脂紧密粘接在一起形成整体、构成复合压电定子30，并且摩擦头15粘接在切变压电致动器14的正中。压电换能器被弹性固支12固定在夹具中(未显示)，并且在弹性压紧部件11作用下可以与滑动部分的滑块16紧密接触，并通过摩擦头15驱动滑块16产生左向或右向直线运动以及精密微位移。

实施例二中，压电马达工作于同形的一阶面内弯曲(B1B1)模式，压电换能器33需要设计成正方形以保证两个同形的B1模式在相同工作频率下被激发出。同时，如图3所示，压电换能器33整体沿厚度方向极化(如图3中↑所示)，并且沿压电换能器33上表面对角线将其上表面的电极划分为第一电极区域331、第二电极区域332、第三电极区域333和第四电极区域334四部分相同的区域，下表面电极为一体结构第五电极区域335。压电换能器33上表面的电极区域331、332、333和334可连接压电马达驱动电路，用以提供特定频率的交流输入电压，下表面的电极区域335可作为电压地端，通过在以上电极区域上施加预设频率的驱动电压，就可以激发压电换能器33产生两个同形的B1B1的谐振动模式。特别的，预设电压工作频率为压电换能器B1的谐振频率时，可获得最大的振动幅度。同时，如图3所示，切变压电致动器14整体沿长度方向极化(如图1中↑所示)，极化之后磨去端面极化电极，并且在沿厚度方向的上下表面被电极，其中上表面电极为141，下表面电极为142。

图4(a)为本发明提供的复合驱动模式压电马达实施例二中，压电换能器沿x方向的一阶面内弯曲谐振模式(B1-x)示意图；图4(b)为压电换能器沿y方向的一阶面内弯曲谐振模式(B1-y)示意图。实施例二中，压电马达上的驱动电路提供的驱动电压中，包括多个输入电压，分别施加在压电换能器33上的各电极区域。具体地，如图3所示，压电换能器33的第一电极区域331连接有输入驱动电压Vsinωt、第二电极区域332连接有输入驱动电压Vcosωt、第三电极区域333连接有输入驱动电压-Vsinωt、第四电极区域334连接有输入驱动电压-Vcosωt，下表面电极区域335接地。这样在施加在各路输入驱动电压的作用下，压电换能器33的B1-x(如图4(a)所示)、B1-y(如图4(b)所示)振动模式可以同时激发出来，可以使与其紧密粘接的摩擦头15产生往复的椭圆轨迹运动，再通过接触摩擦力驱动滑块16产生宏观的左向或右向直线运动。

图4(c)为本发明提供的复合驱动模式压电马达实施例二中，切变压电致动器在直流电压下的剪切形变示意图。实施例二中，切变压电致动器14上表面电极141可连接压电致动器驱动电路提供的直流输入电压，下表面电极区域142可作为电压接地端，通过在以上电极区域上施加预设的直流驱动电压，可以使切变压电致动器14产生剪切应变(如图4(c)所示)，该应变可以再通过摩擦头15驱动滑块16产生左向或右向的精确微位移。

本领域技术人员可以理解，上述输入电压的幅值和工作频率，即电压V的大小和频率，可根据需要而设定合适的值，以确保压电驱动器工作时，可驱动压电马达的滑动部件运动。

实施例二中，压电换能器33的形状为正方形，其材料可以为压电陶瓷材料或者压电单晶材料；压电换能器33的结构也可以使弹性金属片与压电陶瓷或者压电晶体片构成的复合板结构。本实施例中，压电换能器33为压电陶瓷材料制作而成的压电陶瓷板。

图5为本发明提供的压电直线马达实施例三的结构示意图。如图5所示，本实施例中的复合驱动模式压电马达，其压电换能器53、切变压电致动器14，摩擦头55通过环氧树脂紧密粘接在一起形成整体、构成压电复合定子50，并且两个摩擦头15A、15B粘接在切变驱动器14正面的两端。压电换能器被弹性固支12固定在夹具中(未显示)，并且在弹性压紧部件11作用下可以与滑动部分的滑块16紧密接触，并通过摩擦头15驱动滑块16产生左向或右向的直线运动以及精密微位移。

实施例三中，压电马达换能器53工作于同形的一阶面内对角弯曲(FDB)振动模式，压电换能器53需要设计成正方形以保证两个同形的FDB模式在相同频率被激发出。同时，如图5所示，压电换能器53整体沿厚度方向极化(如图5中↑所示)，并且其上表面电极被划分为第一电极区域531、第二电极区域532、第三电极区域533和第四电极区域534四部分相同的正方形区域，下表面电极为一体结构第五电极区域535。压电换能器53上表面的电极区域531、532、533和534可连接压电马达驱动电路提供特定频率的交流输入电压，下表面的电极区域535可作为电压地端，通过在以上电极区域上施加预设频率的驱动电压，就可以激发压电换能器53产生FDB的振动模式。特别的，预设电压工作频率为压电换能器FDB的谐振频率时，可获得最大的振动幅度。同时，如图5所示，切变压电致动器14整体沿长度方向极化(如图5中↑所示)，极化之后磨去端面极化电极，并且在沿厚度方向的上下表面被电极，其中上表面电极为541，下表面电极为542。

图6(a)为本发明提供的压电直线马达实施例三中，压电换能器沿x’方向的一阶面内对角弯曲谐振模式(FDB-x’)示意图；图6(b)为压电换能器沿y’方向的一阶面内对角弯曲谐振模式(FDB-y’)示意图。实施例三中，压电直线马达上的驱动电路提供的驱动电压中，包括多个输入电压，分别施加在压电换能器53上的各电极区域。具体地，如图5所示，当压电换能器53的第一电极区域531连接有输入驱动电压Vsinωt,第三电极区域533连接有输入驱动电压-Vsinωt，下表面电极区域535接地时，压电换能器53沿x’方向的FDB振动模式可以被激发出来(如图6(a)所示)，再通过与其紧密粘接的右侧的摩擦头15B产生x′方向的往复直线运动，从而驱动滑块16产生宏观的向右侧的运动；当压电换能器53的第二电极区域532连接有输入驱动电压Vsinωt,第四电极区域534连接有输入驱动电压-Vsinωt，下表面电极区域535接地时，压电换能器53沿y’方向的FDB振动模式可以被激发出来(如图6(b)所示)，再通过与其紧密粘接的左侧的摩擦头15A产生y′方向的往复直线运动，从而驱动滑块16产生宏观的向左侧的运动。

图6(c)为本发明提供的压电直线马达实施例三中，切变压电致动器14在直流电压下的形变示意图。实施例三中，切变压电致动器14第一表面电极141可连接压电致动器驱动电路提供的直流输入电压，第二表面电极区域142可作为电压接地端，通过在以上电极区域上施加预设的直流驱动电压，可以使切变压电致动器14产生剪切应变(如图6(c)所示)，该应变再通过摩擦头15可以驱动滑块16产生左向或右向的精确微位移。

本领域技术人员可以理解，上述输入电压的幅值和工作频率，即电压V的大小和频率，可根据需要而设定合适的值，以确保压电驱动器工作时，可驱动压电马达的滑动部件运动

实施例三中，压电马达换能器53的形状为正方形，其材料可以为压电陶瓷材料或者压电单晶材料；压电换能器53的结构也可以使用弹性金属片与压电陶瓷或者压电晶片构成的复合板结构。本实施例中，压电换能器53为压电陶瓷材料制作而成的压电陶瓷板。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，包括谐振压电换能器、切变压电致动器、驱动电路、滑块、固定在切变压电致动器上的摩擦头和外围部件；所述外围部件包括弹性固支、弹性压紧部件、夹具和滑动组件；所述谐振压电换能器和切变压电致动器紧密粘接在一起，形成所述压电直线马达的复合压电驱动定子；复合压电驱动定子被弹性固支固定在夹具中，在弹性压紧部件的作用下，使得复合压电驱动定子通过固定在切变压电致动器上的摩擦头与滑动组件中的滑块紧密接触；所述谐振压电换能器和切变压电致动器均有上表面电极和下表面电极。

2.如权利要求1所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，其特征是，所述谐振压电换能器的谐振模式为一阶伸长二阶弯曲模式、同形的一阶面内弯曲模式和同形的一阶面内对角弯曲模式中的一种。

3.如权利要求2所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，其特征是，根据谐振压电换能器的谐振工作模式，所述复合压电驱动定子的形状设计为矩形或正方形；所述复合压电驱动定子的材料为压电陶瓷材料或压电单晶材料。

4.如权利要求1所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，其特征是，所述摩擦头为一个或两个；摩擦头的形状为球形、半球形或圆柱形，由耐磨材料制作得到。

5.如权利要求1所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，其特征是，所述弹性压紧部件为能够提供预紧力的装置。

6.如权利要求1所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，其特征是，所述谐振压电换能器整体沿厚度方向极化；所述谐振压电换能器的上表面电极被划分为多个相同面积的电极区域，所述谐振压电换能器的下表面电极为一体结构的电极区域；所述谐振压电换能器上表面的多个电极区域连接所述压电直线马达驱动电路提供的一个或多个交流输入电压，下表面的电极区域作为电压接地端，激发所述谐振压电换能器产生谐振动模式。

7.如权利要求1所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，其特征是，所述切变压电致动器整体沿长度方向极化，直流电压沿厚度方向施加；切变压电致动器的上表面电极和下表面电极区域均为一个，上表面电极区域连接切变压电致动器驱动电路提供的直流输入电压，下表面电极区域作为电压接地端，使得切变压电致动器产生横向剪切应变。

8.制备权利要求1～7任一所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的方法，包括如下步骤：

1)利用压电陶瓷或压电单晶材料，制备矩形或正方形谐振压电换能器；谐振压电换能器整体沿厚度方向极化；

2)利用压电陶瓷或压电单晶材料，制备矩形切变压电致动器；所述切变压电致动器的长度与宽度与步骤1)所制成的谐振压电换能器的宽度与厚度一致；

3)沿长度方向极化切变压电致动器，磨去极化用的端面电极；沿厚度方向的上表面和下表面上分别被上表面电极和下表面电极；

4)将切变压电致动器与谐振压电换能器紧密粘接在一起构成复合压电驱动定子；复合压电驱动定子需工作在谐振压电换能器的特定谐振工作模式上；

5)在复合压电驱动定子的切变压电致动器一侧端部粘接驱动用的摩擦头；

6)将夹具、压力弹簧和滑块组件与复合压电驱动定子紧密装配在一起，完成融合切变压电致动器的复合驱动模式压电直线马达的制备。

9.如权利要求8所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的制备方法，其特征是，步骤2所述切变压电致动器的长度与宽度与谐振压电换能器的宽度与厚度一致，具体是将所述谐振压电换能器沿长度方向的端部截去一个长方体部分，截去的长方体部分的体积不超过所述谐振压电换能器体积的20％；再选用和截去的长方体部分同体积、同形状的切变压电致动器粘接复合在所述谐振压电换能器的端部而制成。

10.如权利要求8所述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的制备方法，其特征是，针对步骤4)所述复合压电驱动定子，在谐振压电换能器上施加交流电压，使得谐振压电换能器按照设定的振动模式激发谐振动，而驱动滑块产生直线运动；在所述切变压电致动器的上表面和下表面电极上施加直流电压，压电切变形变，使得复合压电驱动定子驱动滑块产生亚微米或纳米位移。