CN104953889A - 一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，还包括两左、两右、一中，五个压电体，两左压电体把中压电体左端夹在中间，两右压电体把中压电体右端夹在中间，四个左右压电体两端的外侧固定有外垫片，构成双端三叠堆；该双端三叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当两左（右）压电体静止而两右（左）压电体进行伸缩振动时，两左（右）压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于两右（左）压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和。其优点是：体积小，刚性强，双向可控行走，推力巨大，工作温区大，行程大，精度高，还适合于在超低温、超高真空、强磁场等极端物理环境中很好地工作。

Description

一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达

技术领域

本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种高刚性大推力自配合压电步进器，属于压电定位器技术领域。

背景技术

压电步进器是一种能够同时实现纳米级别定位精度和厘米级别行程的压电定位器。它主要依靠压电形变效应的累加效果来产生移动。由于其小体积和高定位精度的优点，压电步进器被广泛应用于精密仪器控制、原子/分子成像、微电子制造乃至航空航天、生物医学等诸多领域，已经成为现代科学研究和工业生产中不可或缺的工具。

压电步进器发展至今，一直朝着高刚性、小体积、高定位精度和大推力的方向发展。然而在技术上想要同时实现这几个重要指标的改进却非常困难，因为它们之间是相互矛盾的：大推力和小体积矛盾，高刚性和小体积矛盾，大推力和高定位精度矛盾等等。

我们2012年提出了一种新原理的压电马达：“利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及其控制法”，(见中国专利申请号:“201210338648.0”以及我们在美国《科学仪器评论》（Review of Scientific Instrument,2012年第83期115111页）上发表的论文,该论文已将这一发明正式命名为“TunaDrive”,即:“金枪鱼马达”)，其技术特征为：包括两个压电体、基座、滑杆，其特征是所述两压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于基座上，设置与两压电体在其伸缩方向上为滑动配合的滑杆，在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆与两压电体自由端相压的正压力以及将滑杆与基座相压的正压力，这三个正压力对滑杆产生的摩擦力满足：两压电体自由端与滑杆间的最大静摩擦力之和大于基座与滑杆间的最大静摩擦力，且当两压电体自由端在滑杆上相向搓动时对滑杆产生的动态总摩擦力小于基座与滑杆间的最大静摩擦力。这个发明的优点是尺寸小、推力大、刚性强、摩擦力条件容易得到满足。

该步进器存在几个重要缺陷：（1）刚性和紧凑性仍然不够高。因为两个压电体只有底部固定在基座上，上方的压电体没有被固定，而且被弹簧片向外挤，使得步进器整体刚性不足。上述发明中还有一种技术方案采用了完整的压电扫描管代替两个压电体，然而压电扫描管是空心的而且壁厚通常只有0.5mm左右，所以容易碎裂，导致弹簧片在夹持时不能施加很大的弹力，从而降低了步进器的刚性和紧凑性。（2）行程小。因为滑竿的弹力会随着其位置的变化而变化。在步进器步进过程中，当滑竿的位置超出一定范围后，其弹力就不再满足步进的工作条件，步进器便不再工作。（3）推力不足够大。虽然这个步进器在推力上相比其他步进器已经有很大提高，但在实际应用中推力仍然不够大。（4）噪音大。因为在步进过程中，滑竿和固定环之间的高频率滑动摩擦会在空心的扫描管中产生很大的噪音。这对于原子分辨率成像会形成很大影响。

本发明提出一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达,大幅改善上述现有技术的利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达中的这四个问题。

发明内容

本发明的目的是为了在不增加体积的条件下,大幅提高现有技术的利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达的刚性,行程和推力并降低其噪音，提出一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达及其控制方法。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括三个压电体：其中的两个称为左压电体，余下的一个称为中压电体，所述两个左压电体把中压电体的左端夹在中间，两个左压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，这三个压电体的压电形变方向相同，两个左压电体两端的外侧和中压电体右端的两个外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的三压电体称为单端三叠堆；所述单端三叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当所述两个左压电体静止时，其外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和；当所述两个左压电体进行伸缩振动时，其外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和小于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。

所述的三压电体都为压电片叠堆。

本发明实现上述目的的技术方案也可以是：

本发明利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括三个压电体：分别称为左压电体、右压电体和中压电体，所述左压电体叠置于中压电体的左端，左压电体的中部与中压电体之间有一垫片，所述右压电体叠置于中压电体的右端，右压电体的中部与中压电体之间有一垫片，这三个压电体的压电形变方向相同，左、右压电体两端的外侧和中压电体左、右端外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的三压电体称为双端二叠堆；所述双端二叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当左、右压电体一个静止，另一个做伸缩振动时，中压电体左右两端受到的总摩擦力满足：振动端小于静止端。

所述的三压电体都为压电片叠堆。

本发明实现上述目的的技术方案也可以是：

本发明利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括五个压电体：其中的两个称为左压电体，两个称为右压电体，余下的一个称为中压电体，所述两个左压电体把中压电体的左端夹在中间，两个左压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，所述两个右压电体把中压电体的右端夹在中间，两个右压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，这五个压电体的压电形变方向相同，四个左、右压电体两端的外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的五压电体称为双端三叠堆；所述双端三叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当所述两个左压电体静止而两个右压电体进行伸缩振动时，两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于两个右压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和；当所述两个左压电体进行伸缩振动而两个右压电体静止时，两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和小于两个右压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。

所述的五压电体都为压电片叠堆。

本发明利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的工作原理是（两个左压电体夹持于中压电体左端的三压电体情况）：先让所述两个左压电体静止，同时中压电体伸长，这样，中压电体的外垫片就会在平行双轨体上沿该伸长的方向滑动，因为此时两个左压电体的外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。接着，让所述两个左压电体做伸缩振动，同时中压电体收缩，这样，两个左压电体的外垫片就会在平行双轨体上沿该收缩的方向滑动，因为此时两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和会因为有相向摩擦力的抵消而减小，可减小到小于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。如此重复，所述的单端三叠堆就会沿着平行双轨体步进了。类似的原理也能让其反向行走。

对于本发明另一方案的利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的工作原理是（左、右压电体分别叠置在中压电体双端的一侧的三压电体情况）：先让所述左压电体静止而右压电体做伸缩振动，同时中压电体伸长，这样，右压电体的外垫片就会在平行双轨体上沿该伸长的方向滑动，因为中压电体右端受到的总摩擦力会因为有相向摩擦力的抵消而减小，可减小到小于中压电体左端受到的总摩擦力。接着，让所述左压电体做伸缩振动而右压电体静止，同时中压电体收缩，这样，左压电体的外垫片就会在平行双轨体上沿该收缩的方向滑动，因为中压电体左端受到的总摩擦力会因为有相向摩擦力的抵消而减小，可减小到小于中压电体右端受到的总摩擦力。如此重复，所述的双端二叠堆就会沿着平行双轨体步进了。类似的原理也能让其反向行走。

对于本发明另一方案的利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的工作原理是（五压电体情况）：

先让所述两个左压电体静止（总摩擦力是大的）而两个右压电体做伸缩振动（从而总摩擦力减少），同时中压电体伸长，这样，两个右压电体的外垫片就会在平行双轨体上沿该伸长的方向滑动，因为此时两个左压电体的外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于两个右压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和。接着，让所述两个左压电体做伸缩振动（从而总摩擦力减少）而两个右压电体静止（总摩擦力是大的），同时中压电体收缩，这样，两个左压电体的外垫片就会在平行双轨体上沿该收缩的方向滑动，因为此时两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和小于两个右压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。如此重复，所述的双端三叠堆就会沿着平行双轨体步进了。类似的原理也能让其反向行走。

根据上述原理，本发明具有如下优秀性能（所以实现了本发明的目的）：

（1）、刚性强、推力大：相比于原有技术的压电管设计，本发明的压电体可以用压电片堆栈做成，敦厚结实，且总的压电材料密度高，单位空间尺度的总输出力大。非常适合于在强振动、低温强磁场等极端或恶劣条件中应用。

（2）、行程大：行程仅受导轨长度的限制。

（3）、噪音小：相比于原有技术的压电管设计，本发明的压电体可以用实心的压电片堆栈做成，不存在共鸣腔结构，噪音很小。

（4）、对称性高：由于四个左右压电体可以选为完全相同的，且相对于中压电体以中心对称的方式排列在中压电体两侧，所以整个马达相对于中压电体的中心是三维镜面对称的。这使得本发明的热漂移非常小，而抗干扰能力得到提高。

（5）、尺寸小：四个左右压电体和中压电体并排放置，几乎密堆而成，非常节省空间，适于在超低温、超强磁场等空间非常小的极端环境中应用。

（6）、工作温区大：本发明中四个左右压电体和中压电体以及平行双轨体之间依靠弹力等长作用范围力夹持，所以即使在温度变化很大也不会发生因正压力变化而导致步进器不行走的状况。

附图说明

图1是本发明单端三叠堆型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的结构示意图；

图2是本发明双端二叠堆型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的结构示意图；

图3是本发明五压电体型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的结构示意图。

图中标号:1为平行双轨体、2为左压电体或右压电体与中压电体之间的垫片、3a为左压电体与平行双轨体之间的垫片、3b为右压电体与平行双轨体之间的垫片、3c为中压电体与平行双轨体之间的垫片、4a为左压电体之一、4b为左压电体之二、5为中压电体、6为压电形变方向、7a为右压电体之一、7b为右压电体之二。

具体实施方式

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。

实施例1：单端三叠堆型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达

参见附图1，本发明三压电体型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体1、垫片2,3a,3c，其特征是还包括三个压电体：其中的两个称为左压电体4a,4b，余下的一个称为中压电体5，所述两个左压电体4a,4b把中压电体5的左端夹在中间，两个左压电体4a,4b的中部与中压电体5之间各有一垫片2，这三个压电体的压电形变方向6相同，两个左压电体4a,4b两端的外侧和中压电体5右端的两个外侧固定有垫片3a,3c，称为外垫片，如此构成的三压电体称为单端三叠堆；所述单端三叠堆通过其外垫片3a,3c被平行双轨体1弹性地夹持于其双轨之间；当所述两个左压电体4a,4b静止时，其外垫片3a与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和大于中压电体外垫片3c与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和；当所述两个左压电体4a,4b进行伸缩振动时，其外垫片3a与平行双轨体1之间的摩擦力总和小于中压电体外垫片3c与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和。

工作时，先让所述两个左压电体4a,4b静止，同时中压电体5伸长，这样，中压电体5的外垫片3c就会在平行双轨体1上沿该伸长的方向滑动，因为此时两个左压电体的外垫片3a与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和大于中压电体外垫片3c与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和。接着，让所述两个左压电体4a,4b做伸缩振动，同时中压电体5收缩，这样，两个左压电体的外垫片3a就会在平行双轨体1上沿该收缩的方向滑动，因为此时两个左压电体外垫片3a与平行双轨体1之间的摩擦力总和会因为有相向摩擦力的抵消而减小，可减小到小于中压电体外垫片3c与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和。如此重复，所述的单端三叠堆就会沿着平行双轨体步进了。类似的原理也能让其反向行走。

相比于原有技术的压电管设计，本发明的压电体可以用压电片堆栈做成，敦厚结实，刚性强，且总的压电材料密度高，单位空间尺度的总输出力大。此外，本发明的行程仅受导轨长度的限制，可以有非常长的行程。本发明的压电体可以用实心的压电片堆栈做成，不存在共鸣腔结构，所以，工作时的噪音很小。这些都实现了本发明的目的。

实施例2：堆片单端三叠堆型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达

上实施例中的三压电体可以都选为压电片叠堆。这将进一步增强马达的刚性、推力。

实施例3：双端二叠堆型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达

本发明的发明点在于利用成对的相向摩擦力的总摩擦力会变小，远低于它们静止时的总最大静摩擦力，所以，本发明也可以是（参见图2）：包括平行双轨体1、垫片2,3a,3b,3c，其特征是还包括三个压电体：分别称为左压电体4a、右压电体7a和中压电体5，所述左压电体4a叠置于中压电体5的左端，左压电体4a的中部与中压电体5之间有一垫片2，所述右压电7a体叠置于中压电体5的右端，右压电体7a的中部与中压电体5之间有一垫片2，这三个压电体的压电形变方向6相同，左、右压电体4a,7a两端的外侧和中压电体5左、右端外侧固定有垫片3a,3b,3c，称为外垫片，如此构成的三压电体称为双端二叠堆；所述双端二叠堆通过其外垫片3a,3b,3c被平行双轨体1弹性地夹持于其双轨之间；当左、右压电体4a,7a一个静止，另一个做伸缩振动时，静止压电体外垫片3a（或3b）与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和大于伸缩振动压电体外垫片3b（或3a）与平行双轨体1之间的摩擦力总和。

工作时，先让所述左压电体4a静止而右压电体7a做伸缩振动，同时中压电体5伸长，这样，右压电体的外垫片3b就会在平行双轨体1上沿该伸长的方向滑动，因为中压电体5右端受到的总摩擦力会因为有相向摩擦力的抵消而减小，可减小到小于中压电体5左端受到的总摩擦力。接着，让所述左压电体4a做伸缩振动而右压电体7a静止，同时中压电体5收缩，这样，左压电体的外垫片3a就会在平行双轨体1上沿该收缩的方向滑动，因为中压电体5左端受到的总摩擦力会因为有相向摩擦力的抵消而减小，可减小到小于中压电体5右端受到的总摩擦力。如此重复，所述的双端二叠堆就会沿着平行双轨体步进了。类似的原理也能让其反向行走。

实施例4：堆片双端二叠堆型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达

上实施例中的三压电体可以都选为压电片叠堆。这将进一步增强马达的刚性、推力。

实施例5：五压电体型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达

本发明的发明点在于利用成对的相向摩擦力的总摩擦力很小，远低于它们静止时的总最大静摩擦力，所以，我们也可以在上述实施例1中增设一对（两个）夹持在中压电体右端的右压电体，参见图3。这种五压电体型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体1、垫片2,3a,3b，其特征是还包括五个压电体：其中的两个称为左压电体4a,4b，两个称为右压电体7a,7b，余下的一个称为中压电体5，所述两个左压电体4a,4b把中压电体5的左端夹在中间，两个左压电体4a,4b的中部与中压电体5之间各有一垫片2，所述两个右压电体7a,7b把中压电体5的右端夹在中间，两个右压电体7a,7b的中部与中压电体5之间各有一垫片2，这五个压电体的压电形变方向6相同，四个左、右压电体4a,4b,7a,7b两端的外侧固定有垫片3a,3b，称为外垫片，如此构成的五压电体称为双端三叠堆；所述双端三叠堆通过其外垫片3a,3b被平行双轨体1弹性地夹持于其双轨之间；当所述两个左压电体4a,4b静止而两个右压电体7a,7b进行伸缩振动时，两个左压电体外垫片3a与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和大于两个右压电体外垫片3b与平行双轨体1之间的摩擦力总和；当所述两个左压电体4a,4b进行伸缩振动而两个右压电体7a,7b静止时，两个左压电体外垫片3a与平行双轨体1之间的摩擦力总和小于两个右压电体外垫片3b与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和。

工作时，先让所述两个左压电体4a,4b静止而两个右压电体7a,7b做伸缩振动，同时中压电体5伸长，这样，两个右压电体的外垫片3b就会在平行双轨体1上沿该伸长的方向滑动，因为此时两个左压电体的外垫片3a与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和大于两个右压电体外垫片3b与平行双轨体1之间的摩擦力总和。接着，让所述两个左压电体4a,4b做伸缩振动而两个右压电体7a,7b静止，同时中压电体5收缩，这样，两个左压电体的外垫片3a就会在平行双轨体1上沿该收缩的方向滑动，因为此时两个左压电体外垫片3a与平行双轨体1之间的摩擦力总和小于两个右压电体外垫片3b与平行双轨体1之间的最大静摩擦力总和。如此重复，所述的双端三叠堆就会沿着平行双轨体步进了。类似的原理也能让其反向行走。

实施例6：堆片五压电体型利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达

上实施例中的五压电体可以都选为压电片叠堆。这将进一步增强马达的刚性、推力。

Claims (6)

1.一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括三个压电体：其中的两个称为左压电体，余下的一个称为中压电体，所述两个左压电体把中压电体的左端夹在中间，两个左压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，这三个压电体的压电形变方向相同，两个左压电体两端的外侧和中压电体右端的两个外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的三压电体称为单端三叠堆；所述单端三叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当所述两个左压电体静止时，其外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和；当所述两个左压电体进行伸缩振动时，其外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和小于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。

2.根据权利要求1所述的利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，其特征是所述的三压电体都为压电片叠堆。

3.一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括三个压电体：分别称为左压电体、右压电体和中压电体，所述左压电体叠置于中压电体的左端，左压电体的中部与中压电体之间有一垫片，所述右压电体叠置于中压电体的右端，右压电体的中部与中压电体之间有一垫片，这三个压电体的压电形变方向相同，左、右压电体两端的外侧和中压电体左、右端外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的三压电体称为双端二叠堆；所述双端二叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当左、右压电体一个静止，另一个做伸缩振动时，中压电体左右两端受到的总摩擦力满足：振动端小于静止端。

4.根据权利要求3所述的利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，其特征是所述的三压电体都为压电片叠堆。

5.一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括五个压电体：其中的两个称为左压电体，两个称为右压电体，余下的一个称为中压电体，所述两个左压电体把中压电体的左端夹在中间，两个左压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，所述两个右压电体把中压电体的右端夹在中间，两个右压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，这五个压电体的压电形变方向相同，四个左、右压电体两端的外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的五压电体称为双端三叠堆；所述双端三叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当所述两个左压电体静止而两个右压电体进行伸缩振动时，两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于两个右压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和；当所述两个左压电体进行伸缩振动而两个右压电体静止时，两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和小于两个右压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。

6.根据权利要求5所述的利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，其特征是所述的五压电体都为压电片叠堆。