[發明專利]一種利用相向摩擦力壓制成的疊堆壓電馬達

有效

• 申請號: 201410127166.X
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN104953889B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 郭穎;陸輕鈾
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明

技術領域

本發明涉及一種壓電步進器，特別涉及一種高剛性大推力自配合壓電步進器，屬于壓電定位器技術領域。

背景技術

壓電步進器是一種能夠同時實現納米級別定位精度和厘米級別行程的壓電定位器。它主要依靠壓電形變效應的累加效果來產生移動。由于其小體積和高定位精度的優點，壓電步進器被廣泛應用于精密儀器控制、原子/分子成像、微電子制造乃至航空航天、生物醫學等諸多領域，已經成為現代科學研究和工業生產中不可或缺的工具。

壓電步進器發展至今，一直朝著高剛性、小體積、高定位精度和大推力的方向發展。然而在技術上想要同時實現這幾個重要指標的改進卻非常困難，因為它們之間是相互矛盾的：大推力和小體積矛盾，高剛性和小體積矛盾，大推力和高定位精度矛盾等等。

我們2012年提出了一種新原理的壓電馬達：“利用相向搓動降低摩擦力的雙端夾持壓電馬達及其控制法”，(見中國專利申請號:“201210338648.0”以及我們在美國《科學儀器評論》（Review of Scientific Instrument,2012年第83期115111頁）上發表的論文,該論文已將這一發明正式命名為“TunaDrive”,即:“金槍魚馬達”)，其技術特征為：包括兩個壓電體、基座、滑桿，其特征是所述兩壓電體按伸縮方向平行設置并排地固定站立于基座上，設置與兩壓電體在其伸縮方向上為滑動配合的滑桿，在垂直于兩壓電體伸縮方向上設置將滑桿與兩壓電體自由端相壓的正壓力以及將滑桿與基座相壓的正壓力，這三個正壓力對滑桿產生的摩擦力滿足：兩壓電體自由端與滑桿間的最大靜摩擦力之和大于基座與滑桿間的最大靜摩擦力，且當兩壓電體自由端在滑桿上相向搓動時對滑桿產生的動態總摩擦力小于基座與滑桿間的最大靜摩擦力。這個發明的優點是尺寸小、推力大、剛性強、摩擦力條件容易得到滿足。

該步進器存在幾個重要缺陷：（1）剛性和緊湊性仍然不夠高。因為兩個壓電體只有底部固定在基座上，上方的壓電體沒有被固定，而且被彈簧片向外擠，使得步進器整體剛性不足。上述發明中還有一種技術方案采用了完整的壓電掃描管代替兩個壓電體，然而壓電掃描管是空心的而且壁厚通常只有0.5mm左右，所以容易碎裂，導致彈簧片在夾持時不能施加很大的彈力，從而降低了步進器的剛性和緊湊性。（2）行程小。因為滑竿的彈力會隨著其位置的變化而變化。在步進器步進過程中，當滑竿的位置超出一定范圍后，其彈力就不再滿足步進的工作條件，步進器便不再工作。（3）推力不足夠大。雖然這個步進器在推力上相比其他步進器已經有很大提高，但在實際應用中推力仍然不夠大。（4）噪音大。因為在步進過程中，滑竿和固定環之間的高頻率滑動摩擦會在空心的掃描管中產生很大的噪音。這對于原子分辨率成像會形成很大影響。

本發明提出一種利用相向摩擦力壓制成的疊堆壓電馬達,大幅改善上述現有技術的利用相向搓動降低摩擦力的雙端夾持壓電馬達中的這四個問題。

發明內容

本發明的目的是為了在不增加體積的條件下,大幅提高現有技術的利用相向搓動降低摩擦力的雙端夾持壓電馬達的剛性,行程和推力并降低其噪音，提出一種利用相向摩擦力壓制成的疊堆壓電馬達及其控制方法。

本發明實現上述目的的技術方案是：

本發明利用相向摩擦力壓制成的疊堆壓電馬達，包括平行雙軌體、墊片，其特征是還包括三個壓電體：其中的兩個稱為左壓電體，余下的一個稱為中壓電體，所述兩個左壓電體把中壓電體的左端夾在中間，兩個左壓電體的中部與中壓電體之間各有一墊片，這三個壓電體的壓電形變方向相同，兩個左壓電體兩端的外側和中壓電體右端的兩個外側固定有墊片，稱為外墊片，如此構成的三壓電體稱為單端三疊堆；所述單端三疊堆通過其外墊片被平行雙軌體彈性地夾持于其雙軌之間；當所述兩個左壓電體靜止時，其外墊片與平行雙軌體之間的最大靜摩擦力總和大于中壓電體外墊片與平行雙軌體之間的最大靜摩擦力總和；當所述兩個左壓電體進行伸縮振動時，其外墊片與平行雙軌體之間的摩擦力總和小于中壓電體外墊片與平行雙軌體之間的最大靜摩擦力總和。

所述的三壓電體都為壓電片疊堆。

本發明實現上述目的的技術方案也可以是：