[發明專利]一種自配合高對稱四摩擦力壓電馬達的相向摩擦驅動方法

有效

• 申請號: 201610176974.4
• 申請日: 2016-03-18
• 公開（公告）號: CN105703660B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 張晶;孟文杰;陸輕鈾
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及專利“摩擦力自配合的高對稱四摩擦力壓電馬達”的驅動方法，特別涉及一種利用相向摩擦減阻力型驅動方法，屬于壓電定位器技術領域。

背景技術

壓電材料具有電致伸縮效應，在施加少量電壓后可產生納米級別的穩定形變。壓電馬達則是通過特殊的結構設計將壓電材料納米級別的形變累積起來從而達到宏觀尺度的位移量。壓電馬達因其行程大、精度高、結構緊湊的優勢，被廣泛的應用于各種需要精確定位的領域，如光學調焦，微機電產品加工等。壓電馬達特別適用于各種極端條件下的掃描探針顯微鏡，也是掃描探針顯微鏡的核心部件之一。

壓電馬達在實際應用中要增強自身的優勢，則需要保證高精度、高剛性的同時能夠縮小馬達結構并提升自身推力。然而同時實現這些指標是有難度的：結構太小會限制推力，推力過大會帶來精度的降低，小結構也會影響系統的剛性等。如何將優勢統一在一起就是現在壓電馬達的技術難點和改進方向。

我們已于2011年提出并實現了一種摩擦力自配合的高對稱四摩擦力壓電馬達，簡稱自配合高對稱四摩擦力壓電馬達，詳見中國發明專利授權公告號：CN103187900B，其結構是：四壓電體中的兩個壓電體按形變方向串聯的方式各以一端固定于所述中心體，構成第一雙壓電體串，另兩個壓電體也按形變方向串聯的方式各以一端固定于該中心體，構成第二雙壓電體串，所述第一和第二雙壓電體串的壓電形變方向平行，設置與四壓電體在其形變方向上為滑動配合的導軌，在垂直于四壓電體形變方向上設置將導軌與四壓電體自由端相壓的正壓力，這四個正壓力對導軌產生的最大靜摩擦力是等值的。工作時，分處于第一和第二雙壓電體串且處于中心體同一側的兩個壓電體同步收縮，同時，分處中心體另一側的兩個壓電體也同步伸長；這一步之后，所述四壓電體的自由端相對于導軌沒有移動，但中心體相對于導軌前進了一步。接著，處于收縮狀態的兩個壓電體分先后伸長；由于是分先后伸長，所以各個壓電體伸長時，其自由端的摩擦力與其余三個自由端摩擦力方向相反且不能撼動其余三個自由端摩擦力的總和；這一步之后，上步中處于收縮的壓電體的自由端相對于導軌前進了一步。隨后，上步中處于伸長的壓電體分先后收縮；同理，這一步之后，上步中處于伸長的壓電體的自由端相對于導軌前進了一步。該專利提出的驅動方法中，推力來自余下三個壓電體自由端的握持力，阻力約為推力的1/3，產生的推力不足；同時，克服靜摩擦力發生相對導軌滑動的壓電體材料僅為總壓電材料的1/4，限制了夾持第一、二雙壓電體串的正向壓力。

為了增大推力，我們于2014年提出并實現了一種利用相向摩擦力壓制成的疊堆壓電馬達，詳見美國《科學儀器評論》(Review of Scientific Instrument)2014年85期第056108頁以及專利公開號為CN104953889A的已公開發明專利，其技術特征是：包括平行雙軌體、墊片，兩左、兩右、一中共五個壓電體，兩左壓電體把中壓電體左端夾在中間，兩右壓電體把中壓電體右端夾在中間，四個左右壓電體兩端的外側固定有外墊片，構成雙端三疊堆；該雙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。工作時，兩左壓電體靜止(總摩擦力是大的)而兩右壓電體進行伸縮振動(從而總摩擦力減少)，同時中壓電體伸長，這樣，兩個右壓電體的外墊片就會在平行雙軌體上沿該伸長的方向滑動。接著，讓所述兩個左壓電體做伸縮振動(從而總摩擦力減少)而兩個右壓電體靜止(總摩擦力是大的)，同時中壓電體收縮，這樣，兩個左壓電體的外墊片就會在平行雙軌體上沿該收縮的方向滑動。由于兩右壓電體的相向運動大幅減小對中壓電體伸長運動的阻礙，阻力與推力的比降至1/12(詳見《美國儀器評論》2014年85期第056108頁)，從而增加了馬達推力。然而該結構也有缺點：五個壓電體，結構相對復雜；中壓電體只有部分壓電體參與推進；兩右壓電體克服靜摩擦力發生相對導軌滑動的壓電體僅為總壓電材料的1/6，限制了夾持第一、二壓電體串的正向壓力。

本發明提出一種針對專利“摩擦力自配合的高對稱四摩擦力壓電馬達”的相向摩擦驅動方法，既保留了專利“摩擦力自配合的高對稱四摩擦力壓電馬達”的結構優勢，又結合了相向摩擦減阻力的原理，從而大幅增大馬達推力和壓電材料的利用率。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術“摩擦力自配合的高對稱四摩擦力壓電馬達”壓電材料利用效率低，摩擦力配合復雜且困難的問題，提出一種相向摩擦驅動方法。

本發明實現上述目的的技術方案是：