CN109525142A - 一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法 - Google Patents

一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109525142A
CN109525142A CN201811349309.6A CN201811349309A CN109525142A CN 109525142 A CN109525142 A CN 109525142A CN 201811349309 A CN201811349309 A CN 201811349309A CN 109525142 A CN109525142 A CN 109525142A
Authority
CN
China
Prior art keywords
deformation
piezoelectrics
slide plate
telescopic
drag reduction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811349309.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109525142B (zh
Inventor
张晶
王泽�
陆轻铀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Original Assignee
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei Institutes of Physical Science of CAS filed Critical Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority to CN201811349309.6A priority Critical patent/CN109525142B/zh
Publication of CN109525142A publication Critical patent/CN109525142A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109525142B publication Critical patent/CN109525142B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/028—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors along multiple or arbitrary translation directions, e.g. XYZ stages
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

本发明提供了一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，包括滑板、XY形变压电体和基座，所述XY形变压电体设置于基座与滑板之间，其一端与基座固定，另一端与滑板固定，其特征在于还包括X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体之间相互固定，形成X方向形变和Y方向形变独立可控结构，称为垂直形变结构，设置将所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板同时相压的正压力。对于该马达，本发明同时提出了相应的控制方法。本发明具有结构简单、推力大、定位精度高、无电磁干扰、移动范围大等优点。

Description

一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种二维压电步进器，特别涉及一种利用相向摩擦减小驱动阻力的二维压电马达，属于压电定位器技术领域。
背景技术
压电马达因其体积小、精度高、断电自锁等优势，被应用于各种需要精确定位的领域，如光学调焦、微机电产品加工等。但是，同传统的电磁马达相比，压电马达往往输出推力较小。要实现广泛应用，仍需要在保证高精度、高刚性的同时努力增加自身推力。
为了增加推力，我们于2014年提出并实现了一种利用相向摩擦力压制成的五压电体叠堆压电马达，详见美国科技期刊《科学仪器评论》(Review of ScientificInstrument)2014年85期第056108页以及专利公开号为CN104953889B的已授权发明专利，其技术特征是：包括平行双轨体，垫片，两左、两右、一中共五个压电体，两个左压电体通过各自中部的垫片把中压电体左端夹在中间，两个右压电体通过各自中部的垫片把中压电体右端夹在中间，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。工作时，两个左压电体静止而两个右压电体进行伸缩振动，右压电体两端始终受到方向相反且大小近似相等的滑动摩擦力，从而总摩擦力减小，使得双端三叠堆的左端受到的摩擦力大于右端的。此时，中压电体伸长，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。接着，所述两个左压电体做伸缩振动(从而总摩擦力减小)而两个右压电体静止，同时中压电体收缩，带动两个左压电体的外垫片在平行双轨体上沿该收缩的方向滑动。至此，实现一次步进。该马达利用四个左右压电体两端的方向始终相反且大小近似相等的滑动摩擦力可以相互抵消的方式，有效减小了该压电马达工作时受到的外界摩擦阻力(外界摩擦阻力可以减小到原阻力的1/12)，从而增加了马达的推力输出。
但是，该发明结构相对复杂，需要五个压电体，并且只能驱动物体在一个维度上运动。若需实现二维驱动，只能通过将两个叠堆马达层叠在一起的方式实现，这会显著增加系统的复杂性和不稳定性。
发明内容
本发明针对上述技术问题提出一种具有高刚性和高精度的二维压电马达及其控制方法，并充分运用相向摩擦减小驱动阻力的原理增加本发明马达的推力输出。
本发明实现上述目的的结构方案是：
一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，包括滑板、XY形变压电体和基座，所述XY形变压电体设置于基座与滑板之间，其一端与基座固定，其另一端与滑板固定，其特征在于还包括X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体之间相互固定，形成X方向形变和Y方向形变独立可控结构，称为垂直形变结构，设置将所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板同时相压的正压力。
所述利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其滑板可以是由伸缩压电材料制成的，增加马达推力输出。滑板与垂直形变结构之间相压的正压力优选通过增设弹簧产生弹力的方式实现。可在所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端固定受力片，并以受力片与滑板相压，便于调节将所述垂直形变结构与滑板之间的压力。并且，本发明二维压电马达在结构上优选设置于所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板之间的四个正压力等值，这种对称结构更有利于马达的驱动控制。
本发明实现针对上述结构方案的控制方案是：
一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达的控制方法，其特征是：(a)X方向的移动由如下步骤实现：在X方向，所述XY形变压电体沿正向形变，再反向形变，对所述滑板产生沿正向的惯性力；在该惯性力的作用期间，所述X伸缩形变压电体单向伸长或单向收缩，以减小该方向的摩擦阻力，从而产生所述垂直形变结构相对滑板沿正向的一步滑动；(b)Y方向的移动由如下步骤实现：在Y方向，所述XY形变压电体沿正向形变，再反向形变，对所述滑板产生沿正向的惯性力；在该惯性力的作用期间，所述Y伸缩形变压电体单向伸长或单向收缩，以减小该方向的摩擦阻力，从而产生所述垂直形变结构相对滑板沿正向的一步滑动。
本发明二维压电马达的工作原理是：
(a)X方向的移动由如下步骤实现：在X方向，所述XY形变压电体沿正向缓慢形变，再迅速反向形变，对所述滑板产生沿正向的惯性力；在该惯性力的作用期间，所述X伸缩形变压电体单向伸长或单向收缩，由于X伸缩形变压电体的两端始终受到方向相反且大小近似相等的摩擦力，相互抵消，X伸缩形变压电体与滑板之间的摩擦阻力有效减小，十字形变结构由于自身惯性相对滑板产生沿正向的一步滑动；(b)Y方向的移动与X方向移动原理相同。若所述滑板是由伸缩压电材料制成的，可以控制滑板在惯性力作用期间同步伸缩，进一步减小滑动方向的摩擦阻力，也即进一步增加马达推力输出。
根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果是：
1)结构简单：一个马达结构可以实现两个维度的移动，如将XY形变压电体改成沿X、Y、Z方向都可以形变的压电装置，甚至可以实现三维驱动；
2)推力大：由于采用了相向摩擦减阻力原理，大幅提高了本发明马达的输出推力；
3)定位精度高，无电源时可自锁，无电磁干扰：这些是由压电材料特性决定的；
4)移动范围大：理论上本发明马达的移动范围由滑板尺寸决定。
附图说明
图1是本发明基本型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达的结构示意图。
图2是本发明工字型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达的结构示意图。
图3是本发明口字型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达的结构示意图。
图中标号：1滑板、2 XY形变压电体、3基座、4 X伸缩形变压电体、5 Y伸缩形变压电体
以下结合附图，通过实施列进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
实施例1：基本型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达
参见附图1，本发明基本型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，包括滑板1、XY形变压电体2、基座3、X伸缩形变压电体4、Y伸缩形变压电体5，其特征是：XY形变压电体设置于基座与滑板之间，一端与基座固定，另一端与滑板1固定，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体之间相互固定且形变独立可控结构，构成垂直形变结构，设置将所述垂直形变结构与滑板1相压的正压力。
实施例2：由伸缩压电材料制成的滑板
在实施例1中，所述滑板可以用伸缩压电材料制成，配合XY形变压电体的惯性驱动，进一步增加本发明二维压电马达的推力。
实施例3：增设受力片
在实施例1中，可以在X伸缩形变压电体4形变的两端和Y伸缩形变压电体5形变的两端分别设置受力片，便于调节将所述垂直形变结构与滑板1相压的正压力。
实施例4：正压力等值
在实施例1和实施例2中，所述垂直形变结构与滑板之间的4个正压力可以是等值的，便于驱动控制。
实施例5：十字形结构
在实施例1、2和3中，X伸缩形变压电体4和Y伸缩形变压电体5可以是一体设置的，构成十字架形结构。
实施例6：工字型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达
参见附图2，本发明工字型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，基本结构单元与实施例1相同，但是所述X伸缩形变压电体是分体式，分别固定在Y伸缩形变压电体的两端，呈工字形结构。
实施例7：口字型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达
参见附图3，本发明口字型利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，基本结构单元与实施例1相同，但是所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体都是分体式，且相互固定呈口字形结构。
实施例8：
在实施例7中，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体可以是一体设置的，中间镂空，呈口字形结构。
实施例9：控制方法
本发明各种实施例下的二维压电马达都可以通过如下方式控制：沿X方向移动时，所述XY形变压电体2沿X方向缓慢形变，再迅速反向形变，对所述滑板1产生沿X方向的惯性力；在该惯性力的作用期间，所述X伸缩形变压电体4单向伸长或单向收缩，由于X伸缩形变压电体的两端始终受到方向相反且大小近似相等的摩擦力，相互抵消，X伸缩形变压电体与滑板之间的摩擦阻力有效减小，十字形变结构由于自身惯性相对滑板产生沿X方向的一步滑动；(b)Y方向的移动与X方向移动控制信号相同。

Claims (10)

1.一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，包括滑板、XY形变压电体和基座，所述XY形变压电体设置于基座与滑板之间，其一端与基座固定，另一端与滑板固定，其特征在于还包括X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体之间相互固定，形成X方向形变和Y方向形变独立可控结构，称为垂直形变结构，设置将所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板同时相压的正压力。
2.根据权利要求1所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其特征是所述滑板是由伸缩压电材料制成的。
3.根据权利要求1所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其特征是在滑板与垂直形变结构之间增设弹簧，并以该弹簧的弹力产生所述正压力。
4.根据权利要求1所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其特征是在所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端增设受力片，并以受力片与滑板相压。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其特征是设置于所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板之间的四个正压力等值。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其特征是所述X伸缩形变压电体与Y伸缩形变压电体是一体设置的，呈十字形结构。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其特征是所述X伸缩形变压电体是分体式的，分别固定在Y伸缩形变压电体的两端，呈工字形结构。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其特征是所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体都是分体式的，且相互固定呈口字形结构。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其特征是所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体是一体设置的，中间镂空，呈口字形结构。
10.一种权利要求1所述的利用相向摩擦减阻力的二维压电马达的控制方法，其特征是：
(a)X方向的移动由如下步骤实现：在X方向，所述XY形变压电体沿正向形变，再反向形变，对所述滑板产生沿正向的惯性力；在该惯性力的作用期间，所述X伸缩形变压电体单向伸长或单向收缩，以减小该方向的摩擦阻力，从而产生所述垂直形变结构相对滑板沿正向的一步滑动；
(b)Y方向的移动由如下步骤实现：在Y方向，所述XY形变压电体沿正向形变，再反向形变，对所述滑板产生沿正向的惯性力：在该惯性力的作用期间，所述Y伸缩形变压电体单向伸长或单向收缩，以减小该方向的摩擦阻力，从而产生所述垂直形变结构相对滑板沿正向的一步滑动。
CN201811349309.6A 2018-11-01 2018-11-01 一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法 Active CN109525142B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811349309.6A CN109525142B (zh) 2018-11-01 2018-11-01 一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811349309.6A CN109525142B (zh) 2018-11-01 2018-11-01 一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109525142A true CN109525142A (zh) 2019-03-26
CN109525142B CN109525142B (zh) 2023-07-25

Family

ID=65776249

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811349309.6A Active CN109525142B (zh) 2018-11-01 2018-11-01 一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109525142B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112242797A (zh) * 2020-10-09 2021-01-19 中国科学院合肥物质科学研究院 双折叠十字多维压电马达及其控制方法和扫描探针显微镜

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1267425A2 (de) * 2001-06-12 2002-12-18 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG Piezoelektrisches Stellelement
US20130120855A1 (en) * 2011-11-14 2013-05-16 Chao Chang Hu Piezoelectric driving module for lens
CN103427706A (zh) * 2013-08-21 2013-12-04 金陵科技学院 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式
CN103684037A (zh) * 2012-09-13 2014-03-26 中国科学技术大学 一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及控制方法
CN104601039A (zh) * 2015-02-15 2015-05-06 金陵科技学院 减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机及其驱动方式
CN104767421A (zh) * 2015-04-15 2015-07-08 中国科学院合肥物质科学研究院 相向摩擦减阻力惯性压电马达及控制法和扫描探针显微镜

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1267425A2 (de) * 2001-06-12 2002-12-18 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG Piezoelektrisches Stellelement
US20130120855A1 (en) * 2011-11-14 2013-05-16 Chao Chang Hu Piezoelectric driving module for lens
CN103684037A (zh) * 2012-09-13 2014-03-26 中国科学技术大学 一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及控制方法
CN103427706A (zh) * 2013-08-21 2013-12-04 金陵科技学院 单模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式
CN104601039A (zh) * 2015-02-15 2015-05-06 金陵科技学院 减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机及其驱动方式
CN104767421A (zh) * 2015-04-15 2015-07-08 中国科学院合肥物质科学研究院 相向摩擦减阻力惯性压电马达及控制法和扫描探针显微镜

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112242797A (zh) * 2020-10-09 2021-01-19 中国科学院合肥物质科学研究院 双折叠十字多维压电马达及其控制方法和扫描探针显微镜
CN112242797B (zh) * 2020-10-09 2021-08-27 中国科学院合肥物质科学研究院 双折叠十字多维压电马达及其控制方法和扫描探针显微镜

Also Published As

Publication number Publication date
CN109525142B (zh) 2023-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1028585C (zh) 一种电马达
CN107147328B (zh) 弯曲压电振子的两自由度压电驱动器及采用该驱动器实现的两自由度运动的激励方法
CN108400722B (zh) 一种两自由度压电驱动装置及其激励方法
CN106849743B (zh) 基于压电纤维的粘滑直线驱动器
CN104767421B (zh) 相向摩擦减阻力惯性压电马达及控制法和扫描探针显微镜
CN109889085A (zh) 压电驱动的超精密三自由度平面运动平台及其激励方法
CN102647107A (zh) 基于寄生运动原理的大行程微纳米级直线驱动器
CN104836475B (zh) 相向摩擦力三折叠压电马达及控制法与扫描探针显微镜
CN109525142A (zh) 一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法
CN106712571B (zh) 一种基于压电纤维的直线驱动器
CN106817046A (zh) 一种基于压电纤维的旋转驱动器
CN107404254A (zh) 一种摩擦力自配合的高对称性旋转压电马达及其控制方法
CN109889086A (zh) 一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法
CN103684037A (zh) 一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及控制方法
CN103187900A (zh) 摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达及其控制方法
CN204835980U (zh) 一种二维压电微位移驱动器
CN107124119A (zh) 一种双蝶形定子压电直线驱动器
CN108306545B (zh) 口字形排列四压电体自由端驱动的旋转压电马达及控制法
CN109951101A (zh) 压电驱动的超精密四自由度定位调姿机构及其激励方法
CN103326614A (zh) 由双压电堆驱动的步进式作动器
CN206628995U (zh) 基于压电纤维的粘滑旋转驱动器
CN106712572A (zh) 一种基于压电纤维的粘滑直线驱动器
CN206628994U (zh) 一种基于压电纤维的直线驱动器
CN109412457A (zh) 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
CN105071689B (zh) 一种二维压电微位移驱动器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant