一种相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达及其控制方法与流程

本发明涉及一种压电步进器及其控制方法，特别涉及一种相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达及其控制方法，属于压电定位器技术领域和扫描探针显微镜领域。

背景技术：

压电马达是一种利用压电材料周期性电致伸缩形效应工作的电动机，凭借其纳米级的定位精度和厘米级的行程等特点，广泛应用于光学精密移动平台、纳米器件加工、扫描探针显微镜成像等领域。

压电马达一直向着高精度、大推力、小体积、高刚性等方向不断发展，然而这些目标相互之间存在很多矛盾，例如：结构小则推力也较小，大推力则影响其定位精度，大结构则会降低系统刚性。因此，压电马达技术的发展方向就是不断优化这些指标压。

我们之前提出了“双压电体并排推动的三摩擦力步进器”(详见中国发明专利号：zl200910116492.x)，该马达由两个压电体、基座、滑杆和弹簧片组成，其特特是：单根压电管从顶端一分为二，底部未分割呈一体结构，将压电体底部固定在基座上，通过弹簧片在垂直于两压电体伸缩方向上设置将滑杆与两压电体自由端相压的正压力以及将滑杆与基座相压的正压力，在这三个正压力对滑杆产生的最大静摩擦力中，任一个最大静摩擦力小于其它两个最大静摩擦力之和(摩擦力关系)。该马达具有结构简单，对称性高，小尺寸等优点。

然而该压电马达依然未解决以下几个问题：(1)结构不牢固，单根压电管从上往下一分为二，只有底部为一体结构，降低了马达的可靠性。(2)该结构使用三摩擦力相互配合，一旦弹簧片的位置发生改变，上述三个摩擦力关系遭到破坏，马达将不再工作。(3)马达步进时要克服弹簧片与滑杆之间的摩擦力，以及滑杆与管形双压电体底部的摩擦力才能实现一步行走，降低了压电材料的输出效率。

本发明则提出了一种新的利用相向摩擦切向减阻力型压电马达，降低了对摩擦力匹配的要求，很大程度上提高了马达的输出效率。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有双压电体并排推动的三摩擦力步进器压电材料输出效率低、结构不牢固，摩擦力不易匹配等问题提出一种相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达及其控制方法。

本发明实现上述目的的技术方案是：

一种相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达，包括框架，第一驱动压电体，第二驱动压电体，弹簧片，其特征是还包括第一相向摩擦压电体，第二相向摩擦压电体，转子：

所述第一驱动压电体的一端和第二驱动压电体的一端分别与框架固定，第一驱动压电体的另一端和第二驱动压电体的另一端为自由端，分别与第二相向摩擦压电体形变的两端连接；

所述弹簧片将第一相向摩擦压电体的形变两端以及第二相向摩擦压电体的形变两端分别与转子的旋转面弹性相压。

所述转子分别与第一相向摩擦压电体自由端和第二相向摩擦压电体自由端之间的正压力是等值的。

所述第一相向摩擦压电体和第二相向摩擦压电体位于转片同侧位置。

所述转子为“工”字形结构，并将第一相向摩擦压电体和第二相向摩擦压电体套于其内侧。

所述第一驱动压电体、第二驱动压电体和第二相向摩擦压电体之间增设连接片。

增设第三驱动压电体和第四驱动压电体，所述第三驱动压电体的一端和第四驱动压电体的一端分别与框架固定，第三驱动压电体的另一端和第四驱动压电体的另一端为自由端，分别与第二相向摩擦压电体形变的两端连接，构成四驱结构。

一种相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达的控制方法，其特征是以如下时序分别控制所述的第一驱动压电体、第二驱动压电体、第一相向摩擦压电体和第二相向摩擦压电体，完成一步旋转：

(a)第一相向摩擦压电体做周期性形变，第二相向摩擦压电体静止，同时，第一驱动压电体和第二驱动压电体都做伸长形变，在第一驱动压电体和第二驱动压电体伸长形变完成时，第一相向摩擦压电体至少完成了一个周期的形变，

(b)第二相向摩擦压电体做周期性形变，第一相向摩擦压电体静止，同时，第一驱动压电体和第二驱动压电体做收缩形变，在第一驱动压电体和第二驱动压电体收缩形变完成时，第二相向摩擦压电体至少完成了一个周期的形变。

本发明的一种相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达的工作原理是：工作时，先让第一相向摩擦压电体沿转子的径向方向做高频周期性运动(伸缩振动)，第二相向摩擦压电体静止，同时第一驱动压电体和第二驱动压电体沿转子的切向方向做伸长形变，此时，第一驱动压电体和第二驱动压电体在转子切向方向的运动受到的阻力由静摩擦力变成滑动摩擦力，因为这里的滑动摩擦力远远小于静摩擦力，所以我们称其为“相向摩擦切向减阻力”。然后，第一相向摩擦压电体静止，第二相向摩擦压电体沿转子的径向方向做高频周期性运动(伸缩振动)，同时第一驱动压电体和第二驱动压电体沿转子的切向方向做收缩形变，回到初始状态，这样马达就完成了一步旋转。重复上述过程可实现马达一步步的旋转运动。类似地原理也能让马达反向旋转行走。

需要注意的是，当第一驱动压电体和第二驱动压电体的伸长或收缩形变完成时，第一相向摩擦压电体或第二相向摩擦压电体至少完成了超过一个周期的形变运动，否则，马达有可能效率较低甚至不工作。这是因为：如果第一驱动压电体和第二驱动压电体伸长或收缩形变已经开始时，第一相向摩擦压电体或第二相向摩擦压电体还处于静止状态，那么第一驱动压电体和第二驱动压电体就需要克服第一相向摩擦压电体或第二相向摩擦压电体和转子之间的静摩擦力才能工作，如果第一驱动压电体、第二驱动压电体的推力力矩之和大于第一相向摩擦压电体、第二相向摩擦压电体与转子之间的静摩擦力力矩之和，马达仍能实现旋转工作，但马达的输出效率将极大的降低，反之，马达则无法实现工作。

我们可以在第二相向摩擦压电体和第一驱动压电体、第二驱动压电体之间通过设置刚性的连接片固定，而不是采用弹性体，这样就能实现第一驱动压电体和第二驱动压电体的推力接近100％输出给转子。我们可以增设第三驱动压电体和第四驱动压电体，组成四驱结构，这样能够增加马达的总推力。四驱结构工作时，第一相向摩擦压电体沿转子的径向方向做高频周期性运动(伸缩振动)时，第二相向摩擦压电体静止，然后第一驱动压电体、第二驱动压电体、第三驱动压电体和第四压电体同时沿转子的切向方向做伸长形变，然后第一驱动压电体和第二驱动压电体静止，同时第三驱动压电体和第四驱动压电体做收缩形变，最后第一相向摩擦压电体静止，第二相向摩擦压电体沿转子的径向方向做高频周期性运动(伸缩振动)，同时第一驱动压电体和第二驱动压电体沿转子的切向方向做收缩形变，回到初始状态，完成一步的行走。值得注意的是，这种情况下，由于和第三驱动压电体、第四驱动压电体连接的第一相向摩擦压电体与转子之间存在滑动摩擦，所以，其切向方向上的摩擦力比较小，因此，第三驱动压电体和第四驱动压电体的贡献就相对较小。所述的三个压电体可以各自为一个压电片叠堆，以增加输出推力。

根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在能同时具有如下重要性能：

(1)、结构牢固、刚性强：本发明仅使用了两个驱动压电体，且两个驱动压电体可以密堆叠成，结构紧凑牢固。

(2)对称性高：两个驱动压电体、两个相向摩擦压电体和转子均为关于中心对称排列；

(3)、第一驱动压电体和第二驱动压电体的输出效率高，推力大：第一相向摩擦压电体的相向摩擦运动极大的减弱了第一驱动压电体和第二驱动压电体在转子切向上运动的阻力，所以第一驱动压电体和第二驱动压电体的输出效率大幅提高，推力也就增大。

(4)、工作温区大：本发明中的旋转马达的第一驱动压电体和第二驱动压电体不依赖与第一相向摩擦压电体和第二相向摩擦压电体的摩擦力配合，因此该马达可在大范围温度区间内正常工作，非常适合于在低温强磁场等极端条件中应用。

附图说明

图1是本发明基本型、两驱动相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达结构示意图。

图2是本发明基本型、四驱动相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达结构示意图。

图3是本发明“工”字形转子、两驱动相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达结构示意图。

图4是本发明“工”字形转子、四驱动相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达结构示意图。

图中标号：1框架，2a、2b、2c、2d分别为第一驱动压电体、第二驱动压电体、第三驱动压电体、第四驱动压电体，3a、3b分别为第一相向摩擦压电体、第二相向摩擦压电体，4转子，5、5a、5b弹簧片。

以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。

具体实施方式

实施例1：基本型、两驱动相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达

参见附图1，本发明相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达，包括框架1、其特征是还包括第一驱动压电体2(a)、第二驱动压电体2(b)，第一相向摩擦压电体3(a)、第二相向摩擦压电体3(b)，转子4，两个弹簧片5(a)、5(b)，所述第一驱动压电体2(a)和第二驱动压电体2(b)的一端与框架固定，称为固定端，另一端称为自由端，第一驱动压电体2(a)和第二驱动压电体2(b)的自由端分别与第二相向摩擦压电体3(b)形变的两端连接，弹簧片5(a)、5(b)分别将第一相向摩擦压电体3(a)的形变两端以及第二相向摩擦压电体3(b)的形变两端分别与转子的旋转面弹性相压。

工作时，先让第一相向摩擦压电体3(a)做周期性形变，第二相向摩擦压电体3(b)静止，同时，第一驱动压电体2(a)和第二驱动压电体2(b)都做伸长形变，在第一驱动压电体2(a)和第二驱动压电体2(b)伸长形变完成时，第一相向摩擦压电体3(a)至少完成了一个周期的形变。然后第二相向摩擦压电体3(b)做周期性形变，第一相向摩擦压电体3(a)静止，同时，第一驱动压电体2(a)和第二驱动压电体2(b)做收缩形变，在第一驱动压电体2(a)和第二驱动压电体2(b)收缩形变完成时，第二相向摩擦压电体3(b)至少完成了一个周期的形变，至此马达完成一步旋转。重复上述步骤可实现一步步地旋转。类似地原理也能让马达反向旋转。

实施例2：基本型、四驱动相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达。

参见附图2，在上述实施例1中的第一相向摩擦压电体3(a)两端增设第三驱动压电体2(c)和第四驱动压电体2(d)，第三驱动压电体2(c)的一端和第四驱动压电体2(d)的一端分别与框架1固定作为固定端，第三驱动压电体2(c)的另一端和第四驱动压电体2(d)的另一端为自由端，分别与第一相向摩擦压电体3(a)形变的两端连接，该结构称之为四驱结构。其目的是，增加驱动压电体的输出力矩之和。

工作时，先让第一相向摩擦压电体3(a)做周期性形变，第二相向摩擦压电体3(b)静止，同时，第一驱动压电体2(a)、第二驱动压电体2(b)、第三驱动压电体2(c)、第四驱动压电体2(d)都做伸长形变，在第一驱动压电体2(a)、第二驱动压电体2(b)、第三驱动压电体2(c)、第四驱动压电体2(d)伸长形变完成时，第一相向摩擦压电体3(a)至少完成了一个周期的形变。然后第三驱动压电体2(c)、第四驱动压电体2(d)做收缩形变，第一相向摩擦压电体3(a)至少还有半个周期的形变未完成，此时，由于第三驱动压电体2(c)、第四驱动压电体2(d)受到的两个滑动摩擦力矩之和远小于第一驱动压电体2(a)、第二驱动压电体2(b)受到的静摩擦力矩之和，因此，转子保持不动。最后，第二相向摩擦压电体3(b)做周期性形变，第一相向摩擦压电体3(a)静止，同时，第一驱动压电体2(a)和第二驱动压电体2(b)做收缩形变，在第一驱动压电体2(a)和第二驱动压电体2(b)收缩形变完成时，第二相向摩擦压电体3(b)至少完成了一个周期的形变，至此马达完成一步旋转。重复上述步骤可实现一步步地旋转。类似地原理也能让马达反向旋转。

实施例3：“工”字形转子、两驱动相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达

上述实施例1中的转子4为“工”字形结构，第一相向摩擦压电体3(a)和第二相向摩擦压电体3(b)套于其内侧，参见附图3。弹簧片5置于第一相向摩擦压电体和第二相向摩擦压电体之间，将第一相向摩擦压电体3(a)和第二相向摩擦压电体3(b)的两个旋转面弹性相压。

实施例4：“工”字形转子、四驱动相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达

上述实施例3中的第一相向摩擦压电体3(a)两端增设第三驱动压电体2(c)和第四驱动压电体2(d)，第三驱动压电体2(c)的一端和第四驱动压电体2(d)的一端分别与框架1固定作为固定端，第三驱动压电体2(c)的另一端和第四驱动压电体2(d)的另一端为自由端，分别与第一相向摩擦压电体3(a)形变的两端连接，其目的是增加驱动压电体切向摩擦力的力矩之和，参见附图4。

实施例5：有连接片型相向摩擦切向减阻力型旋转压电马达

在上述实施例中的第一相向摩擦驱动体3(a)、第二相向摩擦压电体3(b)两端和第一驱动压电体2(a)、第二驱动压电体2(b)、第三驱动压电体2(c)、第四驱动压电体2(d)之间增设连接片。这样可以减少第一驱动压电体2(a)、第二驱动压电体2(b)、第三驱动压电体2(c)、第四驱动压电体2(d)和第一相向摩擦驱动体3(a)、第二相向摩擦压电体3(b)形变时的相互束缚，使得各压电体的形变更加自由，行走更加顺畅。