摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达及其控制方法技术

本发明专利技术摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体、中心体、导轨，其特征是四压电体中的两个压电体按形变串联的方式各以一端固定于所述中心体，构成第一双压电体串，另两个压电体也按形变串联的方式各以一端固定于该中心体，构成第二双压电体串，所述第一和第二双压电体串的压电形变方向平行，设置与四压电体在其形变方向上为滑动配合的导轨，在垂直于四压电体形变方向上设置将导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。本发明专利技术对称性高(热胀冷缩相消，温漂小)、可靠性高且推力大(因为摩擦力自动处于最佳配合)、尺寸小、刚性强、适于各种极端物理条件，接近理想步进器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电步进器，特别涉及一种摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达，属于压电定位器

技术介绍
压电马达因同时具有宏观(毫米以上)的大行程和微观的(纳米，甚至埃米)定位精度而广泛应用于精密机械、纳米器件加工、原子/分子操纵、乃至亚原子结构成像，是重要的纳米科技工具。现今的压电马达研制重点是朝着大推力、小体积、全对称的方向发展，其主要的技术方案是:在几个压电体的驱动下借助摩擦力间的配合使压电体在导轨上步进。例如，我们已于2009年提出并实现了一种三摩擦力配合的压电马达，详见专利技术专利授权号:ZL200910116492.X以及我们在美国《科学仪器评论》(Review of ScientificInstrument, 2009年第80期085104页)上发表的论文，其结构为:两压电体平行地固站于基座上，一滑杆的两端分别被两压电体自由端和基座以弹力夹持，这三个夹持力对滑杆产生的最大静摩擦力大约相等。工作时，初态设为两压电体皆收缩状态，接着它们同时伸长，这带动滑杆沿该伸长方向移动，因为两压电体自由端对滑杆的静摩擦力都是拉着滑杆往该伸长方向移动(合力=2f)，而基座对滑杆的静摩擦力f虽是阻力，但小于2f，故滑杆相对于基座步进了一步。接着两压电体中一个收缩，另一个保持伸长，此时收缩压电体的自由端会在滑杆上滑动(回到初态的缩短状态)，而另一压电体自由端以及基座在滑杆上都不滑动，因为收缩压电体自由端对滑杆的摩擦力f小于另一压电体自由端和基座对滑杆的总摩擦力2f。接着，还保持伸长的那个压电体收缩，同理，它也能恢复最初的缩短状态且不使滑杆相对于基座滑动。至此，滑杆已相对于基座步进了一步且两压电体都回到初态。如此重复可使滑杆相对于基座一步步地沿两压电体伸长方向步进。反之，如让初态皆为收缩状态的两压电体按照:一个伸长-另一个伸长-同时收缩的顺序重复进行，可使滑杆相对于基座一步步地沿两压电体收缩方向步进。这种压电马达的缺点是:要满足该压电马达的工作条件:三个夹持力对滑杆产生的最大静摩擦力大约相等，是点难度的，需要多次调节夹持的弹簧片才能最终较好地满足这个要求。这是因为该马达的两端对正压力的要求并不对称:一端的总正压力要求是另一端总正压力的2倍。这难以借助对称性来自动满足，需要多次调试各个弹簧片的弹力才能近似满足。调好以后，三个夹持力也会随温度而变化。若最终三个夹持力不能很接近相等，则该压电马达的推力就会减小，甚至不能工作。此外，该压电马达对弹簧片的不对称使用会导致整体结构不对称，特别是，为提高刚性而不得不刻意使某个夹持力为紧靠刚性体夹持，此时马达就更加不对称了。对称性低会增加其定位的热漂移，破坏稳定性。本专利技术将提出一种马达两端各为2个等值正压力的平衡对称压电马达结构，使得摩擦力因对称性自动形成最佳配合，保证该压电马达始终处于最佳的工作条件
技术实现思路
为了解决现有靠摩擦力配合步进的压电马达的摩擦力配合困难并难以做成对称结构，提出一种摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达。本专利技术实现上述目的的技术方案是:本专利技术摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体、中心体、导轨，其特征是:所述四压电体中的两个压电体按形变串联的方式各以一端固定于所述中心体，构成第一双压电体串，另两个压电体也按形变串联的方式各以一端固定于该中心体，构成第二双压电体串，所述第一双压电体串的压电形变方向平行于第二双压电体串的压电形变方向，设置与四压电体在其形变方向上为滑动配合的导轨，在垂直于四压电体形变方向上设置将导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。本专利技术摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达的结构特点也在于:在所述四个压电体的自由端与导轨之间分别增设固定于压电体自由端的垫片。所述导轨通过导轨弹性和/或中心体弹性和/或压电体弹性和/或增设弹性体与四压电体的自由端弹性相压。所述导轨通过垫片弹性和/或导轨弹性和/或中心体弹性和/或压电体弹性和/或增设弹性体与四压电体的自由端弹性相压。所述第一双压电体串的两压电体为整体设置和/或所述第二双压电体串的两压电体为整体设置。所述的四个压电体为压电片叠堆。本专利技术摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达控制方法的特点是以如下时序分别控制四个压电体，完成一次步进:(a)、分处于第一和第二双压电体串且处于中心体同一侧的两个压电体同步收缩，与此同时，分处于第一和第二双压电体串且处于中心体另一侧的两个压电体也同步伸长；(b)、上述(a)中处于收缩的压电体分先后伸长；(C)、上述(a)中处于伸长的压电体分先后收缩。本专利技术基本型摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体，中心体、导轨，其特征是:所述四压电体中的两个压电体按形变串联的方式各以一端固定于所述中心体，构成第一双压电体串，另两个压电体也按形变串联的方式各以一端固定于该中心体，构成第二双压电体串， 所述第一双压电体串的压电形变方向平行于第二双压电体串的压电形变方向，设置与四压电体在其形变方向上为滑动配合的导轨，在垂直于四压电体形变方向上设置将导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。工作时，以如下时序分别控制所述四压电体，可完成一次步进:(a)、分处于第一和第二双压电体串且处于中心体同一侧的两个压电体同步收缩，与此同时，分处于第一和第二双压电体串且处于中心体另一侧的两个压电体也同步伸长；这一步之后，所述四压电体的自由端相对于导轨没有移动，但中心体相对于导轨前进了一I K少；(b)、上述(a)中处于收缩的压电体分先后伸长；由于是分先后伸长，所以各个压电体伸长时，其自由端的摩擦力与其余三个自由端摩擦力方向相反且不能撼动其余三个自由端摩擦力的总和，所以，这一步之后，上述(a)中处于收缩的压电体的自由端相对于导轨前进了一步；(C)、上述(a)中处于伸长的压电体分先后收缩；与(b)同理，这一步之后，上述(a)中处于伸长的压电体的自由端相对于导轨前进了一步。至此，四个压电体以及中心体都相对于导轨前进了一步，如此重复可产生向前的步进。由于此处的“前进”方向并没有什么特殊性，所以，相同的原理也可以产生向后的步进。由于四个压电体是全同的且相对于中心体呈对称排列，可对称地在垂直其形变方向上设置等值的导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的、对称的，所以四个摩擦力自动形成配合，满足步进的要求:单个压电体形变时，其自由端与导轨的摩擦力不足以撼动其余三个由端与导轨的摩擦力总和，从而该单个压电体形变时，其自由端能相对于导轨移动。这就实现了本专利技术的目的。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体现在能同时具有如下重要性能:I)对称性高(热胀冷缩相抵消，热漂移小):四个压电体为全同的，且关于中心体呈对称排列；2)可靠性高:因为摩擦力由于对称性而自动处于最佳配合；3)推力大:也是因为摩擦力由于对称性而自动处于最佳配合；4)尺寸小:因为两压电体串为并排设置，非常节省空间。5)结构简单牢固:四压电体可由两个压电体整体构成，并通过其自身的弹性与导轨相夹持，整个马达没有弹簧片，刚性非常强。6)工作温区大:由于各压电体与导轨间的夹持力可为长力程的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦力自配合的高对称四摩擦力压电马达，包括四个相同的压电体、中心体、导轨，其特征是：所述四压电体中的两个压电体按形变串联的方式各以一端固定于所述中心体，构成第一双压电体串，另两个压电体也按形变串联的方式各以一端固定于该中心体，构成第二双压电体串，所述第一双压电体串的压电形变方向平行于第二双压电体串的压电形变方向，设置与四压电体在其形变方向上为滑动配合的导轨，在垂直于四压电体形变方向上设置将导轨与四压电体自由端相压的正压力，这四个正压力对导轨产生的最大静摩擦力是等值的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆轻铀，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：