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

本发明专利技术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，本发明专利技术同时提出了相应的控制方法。本发明专利技术具有结构简单、推力大、定位精度高、无电磁干扰、移动范围大等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法
本专利技术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

技术介绍
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》(ReviewofScientificInstrument)2014年85期第056108页以及专利公开号为CN104953889B的已授权专利技术专利，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，该专利技术结构相对复杂，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。
技术实现思路
本专利技术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专利技术马达的推力输出。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的有益效果是：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，大幅提高了本专利技术马达的输出推力；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：理论上本专利技术马达的移动范围由滑板尺寸决定。附图说明图1是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术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、2XY形变压电体、3基座、4X伸缩形变压电体、5Y伸缩形变压电体以下结合附图，通过实施列进一步描述本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术的范围。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，本专利技术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，进一步增加本专利技术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，本专利技术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，本专利技术口字型利用相向摩擦减阻力的二维压电马本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶，王泽，陆轻铀，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34