CN109412457A - 口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法 - Google Patents

口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法 Download PDF

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Abstract

本发明口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法，包括包括第一X压电体、第二X压电体、第一Y压电体、第二Y压电体，其特征是所述的四个压电体形变方向的两端首尾相连并围成闭合的“口”字形，构成口字形形变结构；还包括平面滑板，设置口字形形变结构与平面滑板间正压力，口字形形变结构可以在平面滑板上沿任意方向自由滑动。Y方向步进时，两个Y压电体周期性同步伸长缩短，两个X压电体交替做高频振动，振动的X压电体比静止的X压电体更容易在Y方向滑动。其优点是：对称性高、结构简单、紧凑，刚性强，推力大，能在低温强磁场极端条件下运行。

Description

口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法
技术领域
本发明口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法涉及一种压电步进器及其控制方法，特别涉及一种摩擦减阻力型二维压电马达及其控制方法，属于压电定位器技术领域或扫描探针显微镜技术领域。
背景技术
压电马达是一种同时拥有微观纳米级定位精度与宏观厘米级行程的器件，其基本工作原理是利用压电材料产生周期性的电致伸缩形变，这些较小的周期性形变通过累积，形成较大的行程。由于其高精度与小体积的特点，压电马达被广泛应用于微机电产品的定位加工，光学领域的精密移动平台，生命科学领域对细胞和染色体等的操作以及纳米科学研究领域的表面探测(如扫描探针显微镜的探针与样品之间的精确步进以及样品大范围搜索)等。是一种尖端科学与技术器件。
近年，大范围搜索压电马达。但已报道的各类压电体堆栈片搜索结构结构只能进行一维搜索。而扫描管二维惯性搜索马达进行特定方向搜索时，只有一半的压电体对搜索有贡献，因此具有负载能力低、启动电压高等缺点。
本发明则提出了一种口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达，可以以较低的启动电压实现二维搜索并具有较强的负载能力。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术堆栈片马达只能进行一维搜索的问题，提出一种四压电体摩擦力二维搜索马达及其控制方法。
本发明实现上述目的的技术方案是：
一种口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法，包括第一X压电体、第二压X电体、第一Y压电体、第二Y压电体，其特征是所述的四个压电体形变方向的两端首尾相连并围成闭合的“口”字形，构成口字形形变结构；还包括平面滑板，口字形形变结构可以在平面滑板上沿任何方向自由滑动。
在所述的口字形形变结构与平面滑板之间增设弹性结构，弹性结构可以是弹簧、弹簧片等提供正压力的组件。
一种口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达的控制方法，其特征是以如下时序分别控制所述的两对压电体，完成Y方向的一步步进：
(a)在Ta周期内，第一X压电体做周期性形变，第二X压电体静止，第一Y压电体与第二压电体伸长，
(b)在Tb周期内，第二X压电体做周期性形变，第一X压电体静止，第一Y压电体与第二Y压电体缩短；
本发明的口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达的工作原理是：Y轴步进工作时，先让第二X压电体保持静止，并让第一X压电体以较高的频率ω1做周期性形变(伸缩振动)，同时第一与第二Y压电体缓慢单向形变(比如伸长)，这将导致第一X压电体相对于平面滑板会被拉移第二X压电体动一段距离Δs1，这是因为第一X压电体的周期形变导致第一X压电体与平行方形平面轨道之间的动摩擦力fvib沿Y轴方向的分量比第二X压电体的最大静摩擦力fstil小。接着，让第一X压电体静止而第二X压电体以较高的频率ω2做周期性形变(伸缩振动)，同时让第一与第二Y压电体缓慢地反向形变(缩短)，这导致第二压电体相对于平面滑板会被推移动一段距离Δs2，且该移动的方向与之前第一X压电体的移动方向一致。至此马达已步进了一步。如此重复可实现一步步地行走。类似地原理也能让马达反向步进，因为马达在行走方向上是前后对称的。
当然，我们可以让上述的ω1＝ω2，而且，如果上述第一X压电体与第二X压电体是相同的，上述第一压电体与第二压电体每一步的移动距离是相同的：Δs1＝Δs2。
类似的，在上述步进时序中做X-Y轮换可实现X轴步进。
通常要求压电体的单向慢形变(或反向的单向慢形变)的形变速率小于压电体的周期性形变速率。也即在压电体完成某一方向的慢形变时，周期性形变着的压电体要至少完成了超过半个周期的形变，否则马达行走不顺，甚至不走。这是因为：设做周期性振动的速率低至与缓慢单向慢形变的速率差不多，则周期性伸缩振动压电体(如第一X压电体)在其形变方向具有较小的线速度，从而使其在形变垂直方向的摩擦力分量略小于动摩擦力，该摩擦力分量可能大于与之平行的压电体(如第二X压电体)的最大静摩擦力，这时将可能平行的压电体产生与行走方向相反的滑动，导致马达步进缓慢、沿预设方向反方向行走、不走等故障。
我们可以在所述口字形形变结构的两端与平面滑板之间，于所述第一与第二X压电体与平面滑板相接的一侧两端位置处分别增设固定于各自压电体两端的四滑珠，该四滑珠与平面滑板刚性相压。这样，就是以滑珠在平面滑板上滑动着行走，可以保护压电体，避免压电体在平面滑板上磨损。于所述口字形形变结构四个压电体相接处增设四绝缘垫片，可以防止电极短路。
X压电体与Y压电体间的最大静摩擦力(或约束力)应大于X压电体与平面滑板间的最大静摩擦力。
所述的四个压电体可以各自为一个压电片叠堆，以增加输出推力。
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)、结构简单、紧凑、对称性高：本发明的口字形形变结构与平面滑板均呈正方形，机械热漂移小。
(2)、压电材料的使用效率高，推力大：X(Y)方向步进时，Y(X)方向的压电体的高频周期性振动有助于减小最低启动电压。
(3)、行程大：理论上行程只受平面滑板尺寸的限制。
(4)、工作温区大：本发明中的口字形形变结构与平面滑板间的压力通过重力摆放或长程作用的弹力设置，所以即使工作温度变化很大也不会明显改变摩擦力，马达可以照常工作。非常适合于在低温强磁场等极端条件中应用。
附图说明
图1是本发明基本型的口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达结构示意图。
图2是本发明双层滑板型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达结构示意图。
图3是本发明弹力自调整型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达结构示意图。
图4是本发明一体型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达结构示意图。
图5是本发明口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达控制信号的示意图。
图中标号：1平面滑板，2、3、4、5第一X压电体、第二X压电体、第一Y压电体、第二Y压电体，6、7、8、9滑珠，10、11、12、13绝缘垫片，14第三X压电体，15第四X压电体，T1-T4弹性结构，G1-G4电极割缝。
PX1第一X压电体控制信号波形，PX2第二X压电体控制信号波形，PY第一、第二Y压电体控制信号波形。
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：基本型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达
参见附图1，一种口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法，包括第一X压电体、第二X压电体、第一Y压电体、第二Y压电体，其特征是所述的四个压电体形变方向的两端首尾相连并围成闭合的“口”字形，构成口字形形变结构；还包括平面滑板，设置口字形形变结构与平面滑板间正压力，口字形形变结构可以在平面滑板上沿任何方向自由滑动。
Y轴步进工作时，先让第二X压电体保持静止，并让第一X压电体以较高的频率ω1做周期性形变(伸缩振动)，同时第一与第二Y压电体缓慢单向形变(比如伸长)，这将导致第一X压电体相对于平面滑板会被拉移第二X压电体动一段距离Δs1，这是因为第一X压电体的周期形变导致第一X压电体与平行方形平面轨道之间的动摩擦力fvib沿Y轴方向的分量比第二X压电体的最大静摩擦力fstil小。接着，让第一X压电体静止而第二X压电体以较高的频率ω2做周期性形变(伸缩振动)，同时让第一与第二Y压电体缓慢地反向形变(缩短)，这导致第二压电体相对于平面滑板会被推移动一段距离Δs2，且该移动的方向与之前第一X压电体的移动方向一致。至此马达已步进了一步。如此重复可实现一步步地行走。类似地原理也能让马达反向步进，因为马达在行走方向上是前后对称的。类似的，在上述步进时序中做X-Y轮换可实现X轴步进。
实施例2：双层滑板型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达
参见附图2，平面滑板为双层一体的，口字形形变结构可以在双层一体滑板的上下两平行平面间沿任意水平方向自由滑动。
实施例3：加弹力型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达
参见附图2，在上述实施例2中双层滑板型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达中增设弹性结构，图示弹性结构包括四个位于双层一体平面滑板与口字形形变结构之间的弹簧片。
实施例4：弹力自调整型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达
参见附图3，在上述实施例2双层滑板型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达中，对称地增设新的口字形形变结构，新旧口字形形变结构呈镜面对称。在新旧口字形形变结构间新增第三、四X压电体，分别固定在新旧口字形形变结构的与X压电体平行的两中位线处。在第三、四X压电体之间增设弹性结构。工作时，新口字形形变结构与旧形变结构作相同的形变。X轴搜索时，第三与第四X压电体施加与第一与第二X压电体相同的控制信号；Y轴搜索时，第三与第四X压电体施加与振动的第一或第二X压电体相同频率和相位但幅值减半的周期信号。
实施例5：一体型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达
参见附图4，通过粘接等方法将实施例1中的口字形形变结构的X、Y方向的压电体在正方形顶点处刚性连接，或由一整块压电体加工成镂空的正方形并在正方形对角线上进行电极分割，可形成一体型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达。
实施例6：口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达控制方法
上述口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达对应的控制信号波形见附图5。
(a)在Ta周期内，第一X压电体做周期性形变，第二X压电体静止，第一Y压电体与第二压电体伸长；
(b)在Tb周期内，第二X压电体做周期性形变，第一X压电体静止，第一Y压电体与第二Y压电体缩短。
当然，我们可以让上述的ω1＝ω2，而且，如果上述第一与第二X压电体是相同的，上述第一压电体与第二压电体每一步的移动距离是相同的：Δs1＝Δs2。
类似的，在上述步进时序中做X-Y轮换可实现X轴步进。

Claims (8)

1.一种口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达及其控制法，包括第一X压电体、第二X压电体、第一Y压电体、第二Y压电体，其特征是所述的四个压电体形变方向的两端首尾相连并围成闭合的“口”字形，构成口字形形变结构；还包括平面滑板，设置口字形形变结构与平面滑板间正压力，口字形形变结构可以在平面滑板上沿任意方向自由滑动。
2.根据权利要求1所述的口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达，其特征是所述的平面滑板可以是双层一体的，口字形形变结构可以在双层一体滑板的上下两平面间沿任意水平方向自由滑动。
3.根据权利要求1所述的口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达，其特征是在所述压电体与平面滑板之间增设滑珠，滑珠与压电体是一体的；于所述四压电体连接处增设四绝缘垫片，该绝缘垫片与压电体之间最大静摩擦力大于滑珠与滑板间最大静摩擦力。
4.根据权利要求1或2或3所述的口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达，其特征是所述的四个压电体可以是多个压电体堆叠而成。
5.根据权利要求1或2或3所述的口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达，其特征是于口字形形变结构与平面滑板之间增设弹性结构，设置口字形形变结构与平面滑板(上下两水平面)间正压力。
6.根据权利要求1或3或4所述的口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达，其特征是在所述的口字形形变结构与双层一体平面滑板之间对称地增设新的口字形形变结构，在新旧口字形形变结构之间增设弹性结构，构成弹力自调整型口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达。
7.根据权利要求1所述的口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达制成的一体口字形四压电体驱动的四摩擦力二维压电马达，其特征是所述的第一X压电体、第二X压电体、第一Y压电体、第二Y压电体四个压电体为一体的，或者四个压电体在口字形顶点处为一体的。
8.一种权利要求1所述的四压电体摩擦力二维搜索马达的控制方法，其特征是以如下时序分别控制所述的两对压电体，完成Y方向的一步步进：
(a)在Ta周期内，第一X压电体做周期性形变，第二X压电体静止，第一Y压电体与第二压电体伸长，
(b)在Tb周期内，第二X压电体做周期性形变，第一X压电体静止，第一Y压电体与第二Y压电体缩短；
这就完成了Y方向的一步步进；将第一X压电体与第二X压电体施加的信号对调，可实现Y方向的反向步进；根据设计的对称性，将X压电体与Y压电体信号对调，也可以进行X方向步进与反向步进。
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