CN113726216A - 一种非同频双定子驱动压电马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非同频双定子驱动压电马达，属于压电电机技术领域。包括定子机构、动子机构和底板；定子机构由第一压电定子和第二压电定子组成；两个定子的结构相同、方向相反，且对称固定设于底板上；动子机构包括动子和动子座，动子机构配合设于第一压电定子和第二压电定子之间的底板上；动子的两侧分别通过摩擦界面与第一压电定子和第二压电定子耦合接触。本发明通过直流静态、低频准静态和高频谐振态的跨频段激励，使得马达在直流静态下进行微位移补偿，准静态下完成高分辨率驱动，并实现降低或提高步进位移和驱动速度，在谐振态下完成快速粗定位，从而实现兼顾高速、高分辨率和高精度的跨尺度输出。本发明有效降低了波形定子设计复杂度。

Description

一种非同频双定子驱动压电马达

技术领域

本发明属于压电电机技术领域，具体涉及一种非同频双定子驱动压电马达。

背景技术

压电马达是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动器。与传统电磁电机相比，压电马达具有结构设计紧凑、响应速度更快、效率更高、强外部磁场不会被干扰，在低温真空环境也可以正常运行等优点。

压电马达根据工作频率可以分为高频工作的谐振型压电马达、准静态工作的尺蠖马达和惯性冲击马达，还有其他类型的压电马达。谐振型压电马达，泛指超声电机，其工作频率高，速度快，输出力大，但其运动分辨率低，摩擦损耗大，难以用于高分辨率精密定位的场合；准静态型压电马达，主要包括基于“钳位-驱动-钳位”运动机理以实现驱动的尺蠖式马达和利用定子与动子之间的静摩擦力和惯性力实现动子运动的冲击电机。虽然准静态压电马达可实现兼顾大行程和高分辨率的驱动，但由于驱动电压为非正弦电压，工作在非谐振态下，工作频率低，速度也相对较低，大多低于20mm/s，难以满足高速精密驱动要求。

为了提升准静态压电电机的工作速度，同时又保证拥有准静态压电马达高分辨率定位的优势，近年来相继出现了利用多频率谐波合成思想实现的压电马达，多频率谐波合成驱动有效地提升了压电马达的速度，但需要对单个定子的多个模态频率进行精确结构设计，匹配过程繁琐，同时也使驱动控制系统更加复杂，难以直接推广应用。

发明内容

为了提高运动分辨率、速度和行程的综合输出特性，本发明提供一种可以直流静态、准静态和谐振下的非同频双定子驱动压电马达。

一种非同频双定子驱动压电马达，包括作为驱动机构的定子机构、作为输出机构的动子机构和底板5，定子机构和动子机构均固定设于底板5上；

所述定子机构由第一压电定子1和第二压电定子2组成；第一压电定子1和第二压电定子2对称固定设于底板5上；第一压电定子1和第二压电定子2的结构相同、方向相反；所述第一压电定子1包括第一压电振子；所述第二压电定子2包括第二压电振子；

所述动子机构包括动子3和动子座4，动子3固定设于动子座4上；动子机构配合设于第一压电定子1和第二压电定子2之间的底板5上；

所述动子3的两侧分别通过摩擦界面与第一压电定子1和第二压电定子2耦合接触；

所述动子3的移动方向为x轴方向；第一压电定子1位于y轴负方向上，第二压电定子2位于y轴正方向上；

利用频率比为1:2的正弦波信号分别激励第一压电定子1和第二压电定子2，调节两路信号的电压幅值比例，实现第一压电定子1和第二压电定子2的机械振动振幅为2:1或者为3:1比例的机械振动，通过第一压电定子1、第二压电定子2与动子3之间的摩擦耦合和粘滑作用，实现驱动动子3运动；

当第一压电定子1和第二压电定子2工作在直流静态下时，实现压电马达位移补偿，高精度输出；

当第一压电定子1和第二压电定子2工作在低频准静态下时，实现压电马达低速高分辨率输出；

当第一压电定子1和第二压电定子2工作在高频谐振下时，实现压电马达的高速输出。

进一步的具体技术方案如下：

所述第一压电定子1包括第一压电振子、第一定子座12和第一微移动平台19；第一压电振子固定在第一定子座12一侧面上，所述第一定子座12固定设于第一微移动平台19上；所述第一压电振子包括第一振子体18、第一陶瓷片13、第一驱动足14、第一柔性铰链15、第一压电叠堆16和第一垫片17；所述第一振子体18为U形块，第一振子体18内底部设有内凹槽；所述第一驱动足14为六方体，所述一对第一柔性铰链15的一端分别固定连接着第一驱动足14相对应的两侧面，一对第一柔性铰链15的另一端分别固定连接着第一振子体18的两侧内壁，使第一驱动足14固定位于第一振子体18的开口端内；所述第一压电叠堆16位于第一振子体18的内凹槽中，第一压电叠堆16的一端固定连接着第一驱动足14，第一压电叠堆16的另一端通过第一垫片17和紧定螺栓固定连接在第一振子体18的内凹槽底部；紧定螺栓、第一垫片17和第一压电叠堆16在一条直线上，通过紧定螺栓和第一垫片17之间的自动调节配合实现第一压电叠堆16的预紧；所述第一陶瓷片13固定设于第一驱动足14的侧面上，且第一陶瓷片13与动子3的滑动块32一侧耦合接触面对应接触；

所述第二压电定子2和第一压电定子1结构相同；第二压电定子2包括第二压电振子、第二定子座22和第二微移动平台29；第二压电振子固定在第二定子座22一侧面上，所述第二定子座22固定设于第二微移动平台29上；所述第二压电振子包括第二振子体28、第二陶瓷片23、第二驱动足24、第二柔性铰链25、第二压电叠堆26和第二垫片27；所述第二陶瓷片23与动子3的滑动块32另一侧耦合接触面对应接触。

所述第一定子座12为立方体，其中一侧面的三边向外凸起形成定子座U形槽121，所述第一压电振子配合位于定子座U形槽121，且所述第一陶瓷片13位于定子座U形槽121的开口端内；定子座U形槽121底部开设有通槽，所述第一振子体18上的紧定螺栓凸出端位于所述通槽内。

所述第一陶瓷片13、第二陶瓷片23、第三陶瓷片31和第四陶瓷片35均为氧化铝陶瓷片，厚度均为1mm。

所述第一柔性铰链15和第二柔性铰链25均为倒角直梁型柔性铰链，材料为65Mn，其刚度小于第一压电叠堆16刚度的十分之一。

所述第一微移动平台19和第二微移动平台29均为单轴微移动平台，所述第一微移动平台19的第一测微头191顶杆上套有第一压簧192，所述第二微移动平台29的第二测微头291顶杆上套有第二压簧292，实现第一压电定子1或第二压电定子2和动子3之间的预压力调节。

所述动子3为交叉滚柱滑台，包括滑动块32和固定底座33，滑动块32通过交叉滚柱导轨34实现在固定底座33上滑动；所述滑动块32的一侧面上固定设有第三陶瓷片31，滑动体32的另一侧面上固定设有第四陶瓷片35，第三陶瓷片31和第四陶瓷片35在滑动块32上呈对称状。

所述第一压电叠堆16和第二压电叠堆26均为PZT-4锆钛酸铅压电叠堆或PZT-5锆钛酸铅压电叠堆。

所述第一定子座12为立方体，其中一侧面的三边向外凸起形成定子座U形槽121，所述第一压电振子通过螺栓配合固定设于定子座U形槽121内，定子座U型槽121使第一压电振子稳定固定。

所述第一垫片17的一侧面上设有第一圆锥槽171，与第一圆锥槽171配合的紧定螺栓的工作端为球头，通过紧定螺栓上的球头和第一圆锥槽171的同轴自动调整配合实现第一压电叠堆16预紧。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明通过利用频率比为1:2，幅值比成比例的正弦波信号分别激励两个压电驱动机构，实现两个驱动机构机械振动振幅2:1或者3:1等成比例的振动，通过双定子与单动子之间的摩擦耦合和粘滑作用实现驱动动子运动。将单定子多机电系统分解为双定子单机电系统，完成单定子双频率振动解耦，使得双定子可以根据解耦后的频率进行分别设计，避免了单定子设计中双频率匹配设计的繁琐。

2.本发明通过直流静态、低频准静态和高频谐振态的跨频段激励，使得马达在直流静态下进行微位移补偿，准静态下完成高分辨率驱动，在谐振态下完成快速粗定位，从而实现兼顾高速、高分辨率和高精度的跨尺度输出。

在直流静态下，给两个定子分别施加入幅值为120V的直流电信号，实现动子最大步进位移为14μm。通过降低驱动电压幅值到0.12V，实现步进分辨率降低到14nm。

在低频准静态下，给两个定子分别施加入频率为300Hz:600Hz，峰峰幅值为120V:60V的电信号，动子的x正向输出速度为0.552mm/s，步进位移为3μm；，给两个定子分别施加入频率为400Hz:800Hz，峰峰幅值为120V:60V的电信号，动子的x正向输出速度为1.32mm/s，步进位移为5.5μm；，给两个定子分别施加入频率为500Hz:1000Hz，设定子驱动信号峰峰幅值为120V:60V的电信号，动子的x正向输出速度为3.502mm/s，步进位移为8.3μm。

根据准静态输出成比例线性关系的特点，在理论上，非同频双定子驱动压电马达可以根据驱动频率或驱动电压的降低或者提高可以等比例的降低或者提高步进位移和驱动速度。

在谐振态下，驱动频率也不断上升，振子输出振幅急剧增大，动子的输出速度也随着驱动频率的提升而急剧增大，给两个定子分别施加入频率为9000Hz和4500Hz，峰峰幅值为120V和60V的电信号激励，实现动子输出速度超过150mm/s；通过降低驱动电压可实现使得速度降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的动子移动到左侧状态结构示意图；

图3为本发明的第一压电定子结构示意图；

图4为本发明的去除第一压电振子的结构示意图；

图5为第一压电振子结构示意图；

图6为紧定螺栓与垫片的装配示意图；

图7为本发明的动子和动子座的装配示意图；

图8为动子结构示意图；

图9为驱动信号示意图；

图10为两个振子的机械振动曲线图和合成图；

图11为t0时刻马达运动位置示意图；

图12为t1时刻马达运动位置示意图；

图13为t2时刻马达运动位置示意图；

图14为两个振子的合成图示意图；

图15为t0时刻动子运动位置示意图；

图16为t1时刻动子运动位置示意图；

图17为t2时刻动子运动位置示意图；

第一压电定子1、第二压电定子2、动子3、动子座4、底板5、第一压簧191、第一定子座12、第一陶瓷片13、第一驱动足14、第一柔性铰链15、第一压电叠堆16、第一垫片17、第一圆锥槽171、第一振子体18、第一微移动平台19、第一测微头191、第二压簧291、第二定子座22、第二陶瓷片23、第二驱动足24、第二柔性铰链25、第二压电叠堆26、第二垫片27、第二圆锥槽271、第二振子体28、第二微移动平台29、第二测微头291、第三陶瓷片31、滑动块32、固定底座33、交叉滚柱导轨34、第四陶瓷片35。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

参见图1和图2，一种非同频双定子驱动压电马达包括作为驱动机构的定子机构、作为输出机构的动子机构和底板5，定子机构和动子机构均固定安装于底板5上。

定子机构由第一压电定子1和第二压电定子2组成；第一压电定子1和第二压电定子2对称固定安装于底板5上。第一压电定子1和第二压电定子2的结构相同、方向相反。

参见图3，第一压电定子1包括第一压电振子、第一定子座12和第一微移动平台19；参见图4，第一定子座12为立方体，其中一侧面的三边向外凸起形成定子座U形槽121，第一压电振子通过螺栓配合固定设于定子座U形槽121内，定子座U型槽121使第一压电振子稳定固定。定子座U形槽121底部开设有通槽，第一振子体18上的紧定螺栓凸出端位于所述通槽内。第一定子座12固定安装于第一微移动平台19上。

参见图5，第一压电振子包括第一振子体18、第一陶瓷片13、第一驱动足14、第一柔性铰链15、第一压电叠堆16和第一垫片17。第一振子体18为U形块，第一振子体18内底部设有内凹槽；第一驱动足14为六方体，一对第一柔性铰链15的一端分别固定连接着第一驱动足14相对应的两侧面，一对第一柔性铰链15的另一端分别固定连接着第一振子体18的两侧内壁，使第一驱动足14固定位于第一振子体18的开口端内；第一压电叠堆16位于第一振子体18的内凹槽中，第一压电叠堆16的一端固定连接着第一驱动足14，第一压电叠堆16的另一端通过第一垫片17和紧定螺栓固定连接在第一振子体18的内凹槽底部；紧定螺栓、第一垫片17和第一压电叠堆16在一条直线上，通过紧定螺栓和第一垫片17之间的自动调节配合实现第一压电叠堆16的预紧。第一陶瓷片13固定安装于第一驱动足14的侧面上，且第一陶瓷片13与动子3的滑动块32一侧耦合接触面对应接触。参见图6，第一垫片17的一侧面上开设有第一圆锥槽171，与第一圆锥槽171配合的紧定螺栓的工作端为球头，通过紧定螺栓上的球头和第一圆锥槽171的同轴自动调整配合实现第一压电叠堆16预紧。

参见图11，第二压电定子2和第一压电定子1结构相同。第二压电定子2包括第二压电振子、第二定子座22和第二微移动平台29；第二压电振子固定在第二定子座22一侧面上，第二定子座22固定安装于第二微移动平台29上。第二压电振子包括第二振子体28、第二陶瓷片23、第二驱动足24、第二柔性铰链25、第二压电叠堆26和第二垫片27；第二陶瓷片23与动子3的滑动块32另一侧耦合接触面对应接触。

第一振子体18和第二振子体28的材料为65Mn，其刚度小于第一压电叠堆16刚度的十分之一。

第一压电叠堆16和第二压电叠堆26均为PZT-4锆钛酸铅压电叠堆。

第一微移动平台19和第二微移动平台29均为单轴微移动平台。第一微移动平台19的第一测微头191顶杆上套有第一压簧192，第二微移动平台29的第二测微头291顶杆上套有第二压簧292，实现第一压电定子1或第二压电定子2和动子3之间的预压力调节。

第一陶瓷片13、第二陶瓷片23、第三陶瓷片31和第四陶瓷片35均为氧化铝陶瓷片，厚度均为1mm。

第一柔性铰链15和第二柔性铰链25均为倒角直梁型柔性铰链，材料为65Mn，其刚度小于第一压电叠堆16刚度的十分之一。

参见图7和图8，动子机构包括动子3和动子座4，动子3固定安装于动子座4上；动子机构配合安装于第一压电定子1和第二压电定子2之间的底板5上。动子3为VRU2035交叉滚柱滑台，包括滑动块32和固定底座33，滑动块32通过交叉滚柱导轨34实现在固定底座33上滑动。滑动块32的一侧面上通过环氧树脂胶水固定安装有第三陶瓷片31，滑动体32的另一侧面上通过环氧树脂胶水固定安装有第四陶瓷片35，第三陶瓷片31和第四陶瓷片35在滑动块32上呈对称状。

参见图11，动子3一侧的第三陶瓷片31与第一压电定子1的第一陶瓷片13摩擦耦合接触，动子3另一侧的第四陶瓷片35与第二压电定子2的第二陶瓷片23摩擦耦合接触。

动子3的移动方向为x轴方向；第一压电定子1位于y轴负方向上，第二压电定子2位于y轴正方向上。

本发明的工作原理详细说明如下：

参见图9，在具体实施过程中，给第一压电叠堆16和第二压电叠堆26分别通入频率比为1:2的电信号，该两路电信号幅值比为V1:V2，相位差为

预紧装配着压电叠堆的压电振子在A、B两路电信号的激励下，驱动足会产生正弦机械振动，其机械振动频率与激励信号激励频率一致；但是振动幅值与激励电信号的振幅、机械振动与电信号激励之间的相位差与压电振子工作在准静态或者高频谐振态下有关。当压电振子工作在准静态下时，可以近似将压电振子的振幅幅值与电信号幅值成比例，且该比例系数较低，机械振动与电信号激励之间的相位差为0°；当压电振子工作在高频谐振态下时，可以近似将压电振子的振幅幅值与电信号幅值成比例，且该比例系数较大，机械振动与电信号激励之间存在相位差。

根据锯齿波合成主要由多个振幅和振动频率成比例的正弦波振动合成，锯齿波的傅里叶变化公式如下：

参见图10和图14，同时根据锯齿波的傅里叶变化公式，在具体实验中采用两组电涡流位移传感器分别对第一驱动足14和第二驱动足24的输出位移进行实时监测，从而实时调节第一压电叠堆16和第二压电叠堆26的电压幅值和相位差。当第一驱动足14的机械振动曲线C和第二驱动足24的驱动足的振动曲线D成振动频率比例为1:2、振动幅值比例为2:1，相位差为0°，两路机械振动合成振动曲线E类似成正向锯齿波，该正向锯齿波为快速上升、缓慢下降的非对称振动波形；当第一驱动足14的机械振动曲线C和第二驱动足24的驱动足的振动曲线D成振动频率比例为1:2、振动幅值比例为2:1，相位差为0°，相位差为180°，两路机械振动合成振动曲线E类似成反向锯齿波，该反向锯齿波为缓慢上升、快速下降的非对称振动波形。

具体工作实施例1：

本发明拟利用工作在准静态的双定子来驱动动子低速高分辨率运动。

参见图9和图10，给第一压电叠堆16和第二压电叠堆26分别通入信号A和信号B，此时信号B的相位φ为0°，两个振子的机械振动为振动曲线C、振动曲线D，信号A与振动曲线C不存在相位差，信号B与振动曲线D也不存在相位差，该两个压电振子在准静态下的机械振动的振动曲线C、振动曲线D通过傅里叶变化可以合成具有快速上升、缓慢下降的近似正向锯齿波的机械振动合成振动曲线E。

参见图11的t0时刻和图15的t0时刻，以该时刻为初始状态，在该初始状态下，作为动子3的VRU2035交叉滚柱滑台的滑动块32处于初始位置。

参见图9和图10，在t0-t1时刻下，驱动信号A由正电压先趋向峰值电压后逐步转换到谷值电压，而后在负电压谷值又转换趋向正电压，第一压电叠堆16在随着电信号的变化趋势也产生相应的机械振动趋势。驱动信号B由正电压先完成一个周期性变化，而后在正电压又转换趋向负电压，第二压电叠堆26在随着电信号的变化趋势也产生相应的机械振动趋势，第二驱动足24在随着电信号的变化趋势也产生相应的机械振动趋势。在t0-t1时刻两压电振子合成的锯齿波波峰处向锯齿波波谷处缓慢下降，在此情况下，作为动子3的VRU2035交叉滚柱滑台的滑动块32跟随着锯齿波缓慢向x轴正方向运动，此过程为粘运动。

参见图12的t1时刻和图16的t1时刻，第一压电叠堆16和第二压电叠堆26通入驱动信号在t1时刻，两压电振子合成的锯齿波波谷处，此时两个压电振子合成的锯齿波通过氧化铝陶瓷片的摩擦耦合作用带动动子3的滑动块32运动到该周期运动最远点。

参见图9和图10，在t1-t2时刻下，驱动信号A由负电压趋向峰值电压，第一压电叠堆16在随着电信号的变化趋势也产生相应的机械振动趋势。驱动信号B由负电压趋向谷值电压，而后由谷值电压趋向峰值电压，最后电压又转换趋向负电压，第二压电叠堆26在随着电信号的变化趋势也产生相应的机械振动趋势，第二驱动足24在随着电信号的变化趋势也产生相应的机械振动趋势。在t1-t2时刻两压电振子合成的锯齿波波谷处向锯齿波波峰处快速上升，在此情况下，具有惯性力的动子3的滑动块32跟随着锯齿波快速上升向x轴负方向运动一点，此过程为滑运动。

参见图13的t2时刻和图17的t2时刻，第一压电叠堆16和第二压电叠堆26通入驱动信号在t2时刻，两压电振子合成的锯齿波波谷处，此时两个压电振子合成的锯齿波通过氧化铝陶瓷片的摩擦耦合作用带动动子3的滑动块32对比周期运动最远点(t1时刻)后退一点。

参见图11、图12和图13，当驱动信号在t0-t1-t2循环工作时，第一压电振子、第二压电振子和作为动子3的交叉滚柱滑台的滑动块32的位置在t0-t1-t2循环运动。参见图15、图16和图17，当两个压电振子相对位置在循环运动时，动子受到两个压电振子的双点摩擦耦合作用，加上自身的惯性作用，使得动子的运动轨迹为图15、图16和图17中的t0-t1-t2，在多个周期运动下，动子持续往一个方向运动。通过更改图9中的信号B的相位φ为180°，此时可以实现动子的x轴方向的反向运动。

当在双定子压电马达工作时关闭驱动信号，此时压电叠堆停止工作，压电振子也停止工作，由于摩擦力，动子也停止运动。此时再次激励压电叠堆，无需调整即可正常运动。

动子中交叉滚柱导轨的长度设定为35mm，其行程为-9mm到+9mm，动子的滑动块32的行程通过动子内交叉滚柱导轨34的运动行程来限定压电马达的行程为-9mm到+9mm，同时可以通过修改交叉滚柱导轨34长度和其行程来限定压电马达的行程。

在具体的实施案例中，在低频准静态下，分别取定子振动频率为300Hz:600Hz，设定子驱动信号峰峰幅值为120V:60V的电信号激励下，动子的x正向输出速度为0.552mm/s，步进位移为3μm。

在具体的实施案例中，在低频准静态下，分别取定子振动频率为400Hz:800Hz，设定子驱动信号峰峰幅值为120V:60V的电信号激励下，动子的x正向输出速度为1.32mm/s，步进位移为5.5μm。

在具体的实施案例中，在低频准静态下，分别取定子振动频率为500Hz:10000Hz，设定子驱动信号峰峰幅值为120V:60V的电信号激励下，动子的x正向输出速度为3.502mm/s，步进位移为8.3μm。

在具体的实施案例中，通过调整第二压电叠堆的激励信号B的相位φ为180°，此时可以实现动子的x轴方向的反向运动。

具体工作实施例2：

本发明拟利用工作在谐振态的双定子来驱动动子高速运动。

参见图9和图10，给第一压电振子的第一压电叠堆16和第二压电振子的第二压电叠堆26分别通入信号A和信号B，其机械振动为相位滞后的正弦运动曲线。通过调节信号B的相位和A、B两路信号的幅值关系，使得该两个压电振子在谐振下的机械振动曲线分别对应相位差为0的振动曲线C和振动曲线D。振动曲线C和振动曲线D频率比为1:2，振动幅值比为2:1，相位差为0°，而后通过傅里叶变化可知可以合成具有快速上升、缓慢下降的近似正向锯齿波的机械振动合成振动曲线E。在两个压电振子处于的高频谐振工作状态下，除了信号A和振动曲线C的相位、信号B和振动曲线D的相位存在差异以外，其运动原理与准静态的工作机理一致。

在谐振态下，驱动频率也不断上升，振子输出振幅急剧增大，动子的输出速度也随着驱动频率的提升而急剧增大，给两个定子分别施加入频率为9000Hz和4500Hz，峰峰幅值为120V和60V的电信号激励，实现动子输出速度超过150mm/s；通过降低驱动频率可实现使得速度降低。通过调整第二压电叠堆的激励信号B的相位φ，实现动子的x轴方向的反向运动。

具体工作实施例3：

本发明拟利用工作在直流静态的双定子的微小变形实现微位移补偿，高精度输出。

参见图9，给第一压电振子的第一压电叠堆16和第二压电振子的第二压电叠堆26都通入电压幅值恒定为V3的直流信号H。在激励信号H输入到第一压电振子的第一压电叠堆16和第二压电振子的第二压电叠堆26，此时第一压电叠堆16和第二压电叠堆26都进行伸张，同时带动第一驱动足14和第二驱动足24也进行伸张。通过两个压电振子上的第一陶瓷片13和第二陶瓷片23分别与动子上的第三陶瓷片31和第四陶瓷片35分别进行摩擦，驱动动子3的滑动块32的微位移移动，参见动子的滑动块32由图15的t0时刻移动到图16的t1时刻。通过改变电压幅值为负，使得动子的滑动块32实现反向运动。

在直流静态下，给两个定子分别施加入幅值为120V的直流电信号，实现动子最大步进位移为14μm。通过降低驱动电压幅值到0.12V，实现步进分辨率降低到14nm。本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神的原则之内所用的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非同频双定子驱动压电马达，包括作为驱动机构的定子机构、作为输出机构的动子机构和底板(5)，定子机构和动子机构均固定设于底板(5)上，其特征在于：

所述定子机构由第一压电定子(1)和第二压电定子(2)组成；第一压电定子(1)和第二压电定子(2)对称固定设于底板(5)上；第一压电定子(1)和第二压电定子(2)的结构相同、方向相反；所述第一压电定子(1)包括第一压电振子；所述第二压电定子(2)包括第二压电振子；

所述动子机构包括动子(3)和动子座(4)，动子(3)固定设于动子座(4)上；动子机构配合设于第一压电定子(1)和第二压电定子(2)之间的底板(5)上；

所述动子(3)的两侧分别通过摩擦界面与第一压电定子(1)和第二压电定子(2)耦合接触；

所述动子(3)的移动方向为x轴方向；第一压电定子(1)位于y轴负方向上，第二压电定子(2)位于y轴正方向上；

利用频率比为1:2的正弦波信号分别激励第一压电定子(1)和第二压电定子(2)，调节两路信号的电压幅值比例，实现第一压电定子(1)和第二压电定子(2)的机械振动振幅为2:1或者为3:1比例的机械振动，通过第一压电定子(1)、第二压电定子(2)与动子(3)之间的摩擦耦合和粘滑作用，实现驱动动子(3)运动；

当第一压电定子(1)和第二压电定子(2)工作在直流静态下时，实现压电马达微位移补偿，高精度输出；

当第一压电定子(1)和第二压电定子(2)工作在低频准静态下时，实现压电马达低速高分辨率输出；

当第一压电定子(1)和第二压电定子(2)工作在高频谐振下时，实现压电马达的高速输出。

2.根据权利要求1所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述第一压电定子(1)包括第一压电振子、第一定子座(12)和第一微移动平台(19)；第一压电振子固定在第一定子座(12)一侧面上，所述第一定子座(12)固定设于第一微移动平台(19)上；所述第一压电振子包括第一振子体(18)、第一陶瓷片(13)、第一驱动足(14)、第一柔性铰链(15)、第一压电叠堆(16)和第一垫片(17)；所述第一振子体(18)为U形块，第一振子体(18)内底部设有内凹槽；所述第一驱动足(14)为六方体，所述一对第一柔性铰链(15)的一端分别固定连接着第一驱动足(14)相对应的两侧面，一对第一柔性铰链(15)的另一端分别固定连接着第一振子体(18)的两侧内壁，使第一驱动足(14)固定位于第一振子体(18)的开口端内；所述第一压电叠堆(16)位于第一振子体(18)的内凹槽中，第一压电叠堆(16)的一端固定连接着第一驱动足(14)，第一压电叠堆(16)的另一端通过第一垫片(17)和紧定螺栓固定连接在第一振子体(18)的内凹槽底部；紧定螺栓、第一垫片(17)和第一压电叠堆(16)在一条直线上，通过紧定螺栓和第一垫片(17)之间的自动调节配合实现第一压电叠堆(16)的预紧；所述第一陶瓷片(13)固定设于第一驱动足(14)的侧面上，且第一陶瓷片(13)与动子(3)的滑动块(32)一侧耦合接触面对应接触；

所述第二压电定子(2)和第一压电定子(1)结构相同；第二压电定子(2)包括第二压电振子、第二定子座(22)和第二微移动平台(29)；第二压电振子固定在第二定子座(22)一侧面上，所述第二定子座(22)固定设于第二微移动平台(29)上；所述第二压电振子包括第二振子体(28)、第二陶瓷片(23)、第二驱动足(24)、第二柔性铰链(25)、第二压电叠堆(26)和第二垫片(27)；所述第二陶瓷片(23)与动子(3)的滑动块(32)另一侧耦合接触面对应接触。

3.根据权利要求2所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述第一定子座(12)为立方体，其中一侧面的三边向外凸起形成定子座U形槽(121)，所述第一压电振子配合位于定子座U形槽(121)，且所述第一陶瓷片(13)位于定子座U形槽(121)的开口端内；定子座U形槽(121)底部开设有通槽，所述第一振子体(18)上的紧定螺栓凸出端位于所述通槽内。

4.根据权利要求2所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述第一陶瓷片(13)、第二陶瓷片(23)、第三陶瓷片(31)和第四陶瓷片(35)均为氧化铝陶瓷片，厚度均为1mm。

5.根据权利要求2所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述第一柔性铰链(15)和第二柔性铰链(25)均为倒角直梁型柔性铰链，材料为65Mn，其刚度小于第一压电叠堆(16)刚度的十分之一。

6.根据权利要求2所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述第一微移动平台(19)和第二微移动平台(29)均为单轴微移动平台，所述第一微移动平台(19)的第一测微头(191)顶杆上套有第一压簧(192)，所述第二微移动平台(29)的第二测微头(291)顶杆上套有第二压簧(292)，实现第一压电定子(1)或第二压电定子(2)和动子(3)之间的预压力调节。

7.根据权利要求1所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述动子(3)为交叉滚柱滑台，包括滑动块(32)和固定底座(33)，滑动块(32)通过交叉滚柱导轨(34)实现在固定底座(33)上滑动；所述滑动块(32)的一侧面上固定设有第三陶瓷片(31)，滑动体(32)的另一侧面上固定设有第四陶瓷片(35)，第三陶瓷片(31)和第四陶瓷片(35)在滑动块(32)上呈对称状。

8.根据权利要求1所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述第一压电叠堆(16)和第二压电叠堆(26)均为PZT-4锆钛酸铅压电叠堆或PZT-5锆钛酸铅压电叠堆。

9.根据权利要求1所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述第一定子座(12)为立方体，其中一侧面的三边向外凸起形成定子座U形槽(121)，所述第一压电振子通过螺栓配合固定设于定子座U形槽(121)内，定子座U型槽(121)使第一压电振子稳定固定。

10.根据权利要求1所述的一种非同频双定子驱动压电马达，其特征在于：所述第一垫片(17)的一侧面上设有第一圆锥槽(171)，与第一圆锥槽(171)配合的紧定螺栓的工作端为球头，通过紧定螺栓上的球头和第一圆锥槽(171)的同轴自动调整配合实现第一压电叠堆(16)预紧。

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