专利名称:双压电体线性纳米定位压电驱动器、其控制方法及控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电电动机，更具体地说是一种由压电体和在压电体上设置控制电极构成压电致动器、由控制器提供控制信号使压电致动器实现纳米定位的压电电动机。
背景技术：
现有的压电电动机(piezoelectric motor)种类很多，但没有一种形式能够同时拥有压电材料所提供的绝大多数重要优点，包括低价格、结构牢固、体积小、易集成、大行程、双向可控推进、纳米精度、强推力、大工作温区、可工作于超低温度、超高真空和超强磁场等极端物理环境中。造成缺乏全能型压电电动机的一个关键原因是这些要求在很多地方相互抵触，例如大行程需要多个压电致动器(piezoelectric actuator)相互牵扯配合按一定步调周期性步进，这就不容易同时满足微型化、集成化和低成本要求。再如强推力要求压电致动器的一端被较牢固地固定，这与大工作温区和大行程就难兼容，因为大工作温区和大行程走都要求压电致动器不能被牢固地固定。这使得自1975年第一个压电电动机尺蠖电动机(inchworm motor)在美国发明以来一直很难找出一种方案使压电电动机能同时拥有上述重要优点。下面以两个最具代表性的例子来阐述压电电动机的原理和缺陷。
根据美国专利号3,902,084和3,902,085介绍，尺蠖电动机的推进原理是左、中、右三个压电致动器一字连接并有一轴杆(shaft)从它们中间穿过，在各自的电压信号作用下，左压电致动器先握紧轴杆而右压电致动器不握轴杆，接着中压电致动器伸长并推动左压电致动器连同其紧握的轴杆一起远离位置固定的右压电致动器，然后右压电致动器握紧轴杆而左压电致动器不握，进而中压电致动器收缩并将左压电致动器拉回到初始位置，这导致了轴杆被向左推进了一步，如此往复不停地向左推动轴杆并可精确控制推动距离；类似地，可通过改变致动器信号顺序而反向推动轴杆。
从中可以看出，尺蠖电动机的推进要依靠压电体的可控伸缩特性去轮流握紧和不握轴杆，这使得尺蠖电动机不能在很大的温区内工作，因为轴杆和压电体热胀冷缩的性质不同且压电体的伸缩范围只有微米量级，致使压电体在温差很大时不能保证都以合适的握力和正确的步调握紧和不握轴杆，会出现压电致动器因握力过小而打滑或过大而碎裂。除此重大缺陷外，尺蠖电动机每走一步需要握紧、伸长、不握、收缩四个动作，这至少需三块压电体，三个控制信号，故尺蠖电动机体积较大，结构和信号控制都比较复杂，不利于集成，价格也很高。
1993年发明的剪切压电电动机(shear piezoelectric motor)可以解决尺蠖电动机工作温区窄的缺陷。根据国际专利号WO 93/19494介绍，剪切压电电动机的工作原理为一系列剪切压电致动器(shear piezoelectric actuator)被弹力压靠在待移动物体的表面，它们以摩擦力夹住待移动物体，若其中某一剪切压电致动器被通以电压信号，它产生的切向形变使得它在待移动物体上的接触点沿切向滑移，但不会移动整个待移动物体因为单个剪切压电致动器滑移产生的滑动摩擦力不足以克服剩余的多个剪切压电致动器产生的总静摩擦力，故可以先后一个个地使所有的剪切压电致动器朝着同一方向滑离原接触点而不使待移动物体移离原来位置，但是当所有剪切压电致动器上的信号同时撤销而导致所有剪切压电致动器形变同时复原时，待移动物体将朝剪切压电致动器复原的方向移动一步因为此时所有剪切压电致动器将同时朝复原的方向对待移动物体产生相同方向的摩擦力，如此往复可一步步地推动待移动物体。
由于上述剪切压电致动器都是通过长作用范围的弹簧弹力夹住待移动物体而不是以应力直接夹住物体，故在温差很大时也不会在剪切压电致动器和被夹物体间产生过大或过小的夹力，更不会导致剪切压电致动器碎裂。但是，这种剪切压电电动机依然有重大缺陷，包括需要至少四个剪切压电致动器才能夹住并一步步地推动物体，这使得整个系统包括控制电路也更加复杂和昂贵；各压电致动器是分开的，不利于压电电动机的微型化、集成、以及在小空间中的应用；剪切压电材料的切向推力一般较小，由此很难产生较大的推力。
发明内容本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种双压电体线性纳米定位压电驱动器、其控制方法及控制器，通过采用仅两个压电致动器和合理利用摩擦力，克服现有压电电动机不能同时拥有大工作温区、双向大范围行走、强推力、纳米定位精度、小体积、易集成、成本低这些重要性能的缺点。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是本发明双压电体线性纳米定位压电驱动器，其结构特点是左右两个压电致动器沿形变方向以机械串联的方式固定连接构成各自独立可控的二连体；所述二连体沿其形变方向以各压电致动器的中截面为界分为三个区，包括位于两中截面之间的中区和分处在其两侧的左区及右区，设置与所述二连体在其形变方向上为滑动配合的基体，在垂直于二连体形变方向上设置将二连体或固定于其上的受力垫与基体相压的正压力，二连体形变时在基体与二连体三个区中分别形成摩擦力，其中任一个区的最大静摩擦力不大于其它两个区最大静摩擦力之和；
所述基体与二连体三个区之间的摩擦力形成在基体与二连体之间和/或基体与受力垫之间。
本发明双压电体线性纳米定位压电驱动器的结构特点也于所述二连体中左右两个压电致动器的压电体为分体设置。
所述二连体中左右两个压电致动器的压电体为整体设置。
设置套管结构，所述套管结构至少有如下两种形式a、所述基体为外套管，所述二连体为平行套于其内的杆状二连体；b、所述二连体为外套管，所述基体为平行套于其内的杆状基体。
以所述基体为支撑体，二连体或受力垫安置在所述基体上，所述正压力来自于二连体或受力垫的重力；或来自于二连体或受力垫与基体间的电磁力；或来自于二连体或受力垫与基体间的弹性夹持力。
在所述二连体或受力垫上设置施力体，所述施力体是以其自身重力，或电磁力，或弹性夹持力在二连体与基体之间或在受力垫与基体之间形成正压力。
所述左区、右区和中区的最大静摩擦力相等。
本发明双压电体线性纳米定位压电驱动器控制方法的特点是以如下时序分别控制左右两个压电致动器，完成驱动器向右的一次步进a、左压电致动器输入收缩控制信号，同时右压电致动器输入控制信号维持不变；b、左压电致动器输入控制信号维持不变，同时右压电致动器输入伸长控制信号；c、左压电致动器输入伸长控制信号，同时右压电致动器输入收缩控制信号。
本发明双压电体线性纳米定位压电驱动器的控制器的结构特点是设置波形发生器，波形发生器的输出信号一路依次经过缓冲器和半波整流器输出控制电压V1；另一路依次经过缓冲器和由相移器与半波整流器串联构成的相移整流器之后，输出控制电压V2，设置相移器的相移为90度，以所述控制电压V1和V2分别作为二连体中左右压电致动器的电极输入信号。
本发明双压电体线性纳米定位压电驱动器的控制器的结构特点也在于设置波形发生器，波形发生器的输出信号分成两路，两路信号首先经过缓冲器，再经过相移整流器分别输出控制电压V1和控制电压V2，设置两路相移整流器之间的相位差为90度，以所述控制电压V1和V2分别作为二连体中左右两个压电致动器电极输入信号。
本发明的双压电体线性纳米定位压电驱动器由两个控制信号协同工作，分别加在左、右两个压电致动器的形变控制电极上，以高电压代表伸长控制信号而以低电压代表收缩控制信号；或对于极性相反的压电致动器则是以低电压代表伸长控制信号而以高电压代表收缩控制信号。这两路控制信号可以来自一个信号发生器、波形发生器或函数发生器的两个通道，或来自两个相位差恒定的信号发生器、波形发生器或函数发生器，也可以使用本发明控制器，将控制器的两路控制信号分别加在左右压电致动器形变控制电极上。
本发明的工作原理为二连体中的左压电致动器被通以收缩控制信号而开始收缩，此时右压电致动器状态不变。此时二连体中的左区被应力拉向中区，因作用力与反作用力原理，中区也同时被拉向左区，但中区连接着暂无内应力的右区，由于左压电致动器的内应力大于左区、中区和右区在基体上的最大静摩擦力，那么最后总有一个区要被拉动，因为只有发生了形变才能减缓左压电致动器的内应力，到底谁被拉动就要看左、中、右区各自最大静摩擦力的大小和方向；设二连体被压于基体上导致左、中和右区都受到压力作用且左区与基体的最大静摩擦力小于中区和右区与基体的最大静摩擦力之和，那么左区将被中区和右区联合起来向右拉动，二连体的质心右移。
接着，右压电致动器被加以伸长控制信号开始伸长，而左压电致动器状态不变，因设定右区与基体的最大静摩擦力小于中区和左区与基体最大静摩擦力之和，那么右区将被中区和左区联合起来向右推动，二连体的质心进一步右移。
再接着，左右两个压电致动器上的控制信号同时复原，即左压电致动器伸长、同时右压电致动器收缩，设定中区与基体的最大静摩擦力小于左区和右区与基体最大静摩擦力之和，那么中区被左区和右区联合起来推向右方导致二连体的质心进一步右移；至此，左右两个压电致动器恢复原状，但整个二连体的质心已经右移。重复以上过程即可不停地推动二连体向右移动。
上述左区、中区和右区与基体间的最大静摩擦力的大小可以通过调节静摩擦系数、压力以及该压力的作用面积来满足上述最大静摩擦力关系使二连体的质心右移。
类似地，可以通过改变左右两个压电致动器上的控制信号顺序使得二连体的形变顺序为左压电致动器伸长而右压电致动器不变-左压电致动器不变而右压电致动器收缩-左右两个压电致动器同时复原，从而向左移动并可以往复进行产生步进。
二连体的左区、中区和/或右区上可固定受力垫，以受力垫与基体以压力相互作用，该受力垫在其与基体摩擦力方向上必须足够地硬使其在该摩擦力作用下的形变小于该二连体中各压电致动器的形变，才使其能凭借各压电致动器的形变在基体上小步距地滑移行走。受力垫的作用包括1、保护二连体与基体使其在摩擦作用下损坏小；2、定义二连体各区与基体压力的作用面积；3、通过材料的选择，设置二连体各区与基体间的静摩擦系数；
4、受力垫与基体的压力可以来自原先二连体各区与基体的压力，也可来自受力垫本身对基体产生的作用力，包括受力垫重力、电磁力、弹性夹持力，还可来自外在施力体将受力垫压向基体的压力，或来自基体对受力垫的弹性夹持力，这丰富了实现上述产生步进的最大静摩擦力关系的手段。
满足上述产生步进的最大静摩擦力关系的方法有很多种，包括根据最大静摩擦力公式最大静摩擦力＝压力×静摩擦系数，选择能满足上述最大静摩擦力关系的压力和静摩擦系数来制成施力体、基体和/或受力垫；上述最大静摩擦力公式只是一个近似公式，实际最大静摩擦力还与压力作用面积有关。故，可以通过调节压力，静摩擦系数和/或压力作用面积来满足上述最大静摩擦力关系。
本发明控制器的工作原理为波形发生器产生周期性的过零方波、正弦波、三角波或梯形波信号，该信号在同时经过两个缓冲器缓冲后形成两路可独立处理的信号而不会相互影响，其中的一路输出至半波整流器形成半个周期的信号而另半个周期的信号为维持低电平信号，构成第一路控制信号，另一路缓冲器输出至相移设为90度的相移整流器，经90度相移和半波整流后形成第二路控制信号，其中90度相移和半波整流的次序可以对调，得到第二路控制信号；两路控制信号被分别用于控制左右两个压电致动器的形变，二者波形相同，相位相差90度，这使得二者之间有1/4周期是第一路上升同时第二路下降，这一阶段对应于左右两个压电致动器同时形变复原，该1/4周期两侧的两个1/4周期分别为第一路维持不变同时第二路上升和第二路维持不变同时第一路下降，分别对应于左压电致动器维持原状同时右压电致动器伸长和右压电致动器维持原状同时左压电致动器收缩。以此实现驱动器功能。
左右压电致动器上的伸长和收缩信号也可以对调，实现反向移动。上面是用一个90度相移器实现第一、第二路控制信号之间的90度相移，也可在上述两个缓冲器之后各接一个相移整流器并使得该两个相移整流器相互之间的相移为90度，同样可使第一、第二路控制信号之间相移90度。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在1、本发明工作温区大由于二连体中左右两个压电致动器与基体之间的压力为重力、弹力、电磁力等长作用范围力，即使在温度变化很大时也不会在各压电致动器与基体之间产生过小或过大的压力导致打滑不走或压损毁；2、本发明行程大原则上只要往复不停步进，行程可无穷长，实际应用将受限于基体长度；
3、本发明结构简单仅仅依靠两个压电致动器即可实现行走，控制信号也仅需两个即可；4、本发明易于微型化和集成因左右两个压电致动器不是分开的，而是固定连接成一体，且所需控制信号少(仅两个)，非常易于做小和集成；5、本发明成本低通过简化结构，更少地使用压电致动器使成本得以降低；6、本发明推力大二连体各区中仅一个区的摩擦力f1是阻力，另两个区的摩擦力f2、f3之和为抵住二连体不让其倒退的抵抗力，并非阻力。设左右压电致动器的最大推力均为F0，则本发明的推力F为F0克服阻力后的净推力F0-f1与净抵抗力f2+f3-f1之间的小者。使各区的摩擦力相等并增大可提高F，但过大会因阻力大而减小F，最大推力发生在f1＝f2＝f3＝F0/2时，此时F＝F0/2可以高达上千牛顿；7、本发明可工作于双向对抗(bipolar antagonistic)的主动回置(active reset)模式以消除因突然变速引起的毁坏性内振动，这也是现有压电电动机所不具备的；8、本发明适用于各种极端物理条件极低温、超高真空、强磁场，超低噪音，因为极端物理条件一般只能保持在很小的空间内，而本发明正好适于小体积应用且可做成与各极端条件相兼容。
9、使用本发明控制器的成本比使用其它已经商品化的信号发生器、波形发生器或函数发生器要低得多，因前者只产生选定的波形，且其两路控制信号不是独立的，只是两个相互90度相移了的信号。
10、本发明具有广泛的应用前景，随着纳米科技的发展，出现了越来越多的将压电电动机应用于基因操纵、纳米器件、微加工、微型机器人，特别是极端物理条件下的扫描探针显微镜技术，这常常需要使用能同时具备工作温度区大、推力大、体积小、行程大、控制简单，定位精度高的压电电动机。现有技术不能同时提供这些要求。本发明可解决这一难题，且制作成本很低。
图1A是本发明二连体基本结构示意图。
图1B是本发明分电极二连体结构示意图。
图1C是本发明采用叠堆式二连体结构示意图。
图2是本发明基本型驱动器结构示意图。
图3是本发明施力体型驱动器结构示意图。
图4是本发明受力垫型驱动器结构示意图。
图5是本发明管型二连体结构示意图。
图6是本发明控制器电路原理示意图。
图7是本发明控制器输出波形示意图。
图中标号1形变方向、2A左压电致动器、2B右压电致动器、3连接体、4二连体、5A左区、5B右区、5C中区、6基体、7施力体、8受力垫。
以下通过具体实施方式
，结构附图对本发明作进一步描述具体实施方式
实施例1基本型双压电体线性纳米定位压电驱动器参见图1A，左右两个压电致动器沿形变方向1以机械串联(mechanically in series)的方式固定连接于连接体3上，构成各自独立可控的二连体4；或如图1B将一个压电致动器的电极一分为二形成两个分别称为左压电致动器2A和右压电致动器2B的沿原形变方向1形变、且与连接体3为整体构件的压电致动器，构成二连体4。所述形变是指压电形变。
如图1A和1B所示，左压电致动器2A和右压电致动器2B沿其形变方向分别以各自的中截面为界，将二连体分为三个区，包括位于两中截面之间的中区5C和分处在其两侧的左区5A及右区5B；二连体中各电极的位置和形状可以任意，但要保证左右两个压电致动器在同一方向上各自的形变独立可控，例如图1A和图1B给出的二连体4，其左右两个压电致动器为块状，各压电致动器的一对电极E1、E2和E3、E4分别位于各压电致动器相对的两个侧面，而图1C给出的二连体4，其左压电致动器2A和右压电致动器2B均为压电叠堆(piezo stack)致动器，它们各自的一对电极E1、E2和E3、E4分别为两组相互穿插的平行连通电极；其它类型的压电致动器包括片状(piezo plate)、管状、柱状、环状、剪切压电(shear piezo)及其组合均可用来构筑本实施例中的二连体，只要其左右两个压电致动器在同一方向上各自形变独立可控即可。左右两个压电致动器的大小、形状不限，只是太小的左、右压电致动器其形变也小，做成的压电电动机的步距和推力较小。上述左右两个压电致动器上可各自独立加控制电压，也可将左压电致动器的一个电极同右压电致动器的一个电极之间电连接构成电压公共端而在各压电致动器的另一个电极上加控制电位。
接着，将上述二连体的左区、中区和右区与基体之间以压力相互作用，通过调节上述各区与基体之间压力的大小、静摩擦系数的大小和/或压力作用面积的大小以满足其中任一区与基体的最大静摩擦力不大于其它两个区最大静摩擦力之和。
调节二连体各区与基体之间压力的大小可以使用下列方法或其组合1、如图2，以左区、中区和/或右区自身的重量压于基体上；
2、如图3，在左区、中区和/或右区上设置施力体7，以其重力调节所述区与基体的压力；3、如图3，在左区、中区和/或右区与基体间安装弹性体作为施力体7将各区压于基体上；4、如图3，在左区、中区和/或右区上安装与基体之间有电磁力作用的施力体7将各区压于基体上；5、以基体的一部分将左区、中区和/或右区压于基体上，即施力体与基体为一体。
6、如图4，在左区、中区和/或右区上固定受力垫8，以受力垫8与基体相压并通过调节该压力来满足上述最大静摩擦力关系，该压力可来自其所在区原先与基体的压力，也可来自受力垫本身对基体产生的作用力包括受力垫重力、电磁力、弹性夹持力，还可来自外施力体将受力垫压于基体的压力，或来自基体对受力垫的弹性夹持力；该受力垫在其与基体摩擦力方向上足够硬使其在该摩擦力作用下的形变小于该二连体中各压电致动器的形变。
调节二连体各区与基体之间静摩擦系数的大小可以使用下列方法或其组合1、选用能满足上述最大静摩擦力关系的材料制作基体、二连体、和/或受力垫；2、在左区、中区、右区和/或受力垫与基体的接触处加能满足上述最大静摩擦力关系的润滑剂；3、使用能满足上述最大静摩擦力关系的粗糙度制成左区、中区、右区和/或受力垫与基体相压的接触面。
调节二连体各区与基体之间压力作用面积的大小可以使用如下方法以满足上述最大静摩擦力关系的接触面积使基体与左区、中区和右区二连体和/或受力垫相压。
工作原理如图2，将二连体4以其自身重力或外压力压到基体6上，并且在该二连体的左区5A、中区5C和右区5B都与基体6有压力作用；通过选择左区、中区和右区与基体6之间压力的大小、压力作用面积SA和SC和SB的大小和/或静摩擦系数的大小使得左区、中区和右区中任何一个区与基体的最大静摩擦力都不大于另两区与基体的最大静摩擦力之和。工作时，左压电致动器2A被加以收缩控制信号而右压电致动器2B状态不变，在收缩应力的作用下左区5A被中区5C和右区5B的摩擦力联合起来拉向右方，因为左区5A的最大静摩擦力小于中区5C和右区5B的最大静摩擦力之和，左压电致动器2A质心右移；接着右压电致动器2B被加以伸长信号而左压电致动器2A状态不变，在右压电致动器2B伸长应力的作用下右区5B被中区5C和左区5A的摩擦力联合起来推向右方，因为右区5B的最大静摩擦力小于中区5C和左区5A的最大静摩擦力之和，右压电致动器2B质心右移；接着左压电致动器2A被加以伸长信号而同时右压电致动器2B被加以收缩信号，二连体4状态复原，这时，二连体4的中区5C因其最大静摩擦力小于左区5A和右区5B最大静摩擦力之和，将向右移动；至此，二连体4形变已复原但质心已右移，如此重复可推动二连体4一步步右行。类似地，如果左右压电致动器的形变顺序为左压电致动器伸长而右压电致动器不变-左压电致动器不变而右压电致动器收缩-左右压电致动器同时复原，二连体4质心向左移，如此重复可推动二连体一步步左行。
上述为二连体各区最大静摩擦力都小于另两区最大静摩擦力之和的情形。若二连体中左区、中区和右区中有一个区的最大静摩擦力等于(而非小于)另两个区最大静摩擦力之和，则该区在应力作用下被另两个区联合拉动时也同样会反向拉动另两个区的联合使得二连体质心移动不大，但是该区的最大静摩擦力同另两个区中任何一个区的最大静摩擦力相加必定大于剩下那个区的最大静摩擦力，所以该剩下那个区总会被拉动而不会反向拉动其余两个区的联合，故在左形变右不变-右反向形变左不变-左右同时复原这三步中虽有一步对二连体的质心移动贡献不大，但另两步依然有贡献，这同样能使二连体每一步的总位移不为零，使二连体朝设定方向移动。当二连体各区的最大静摩擦力相等时，行走步子大而有力，驱动效率高。
具体实施中，通过调节各区与基体间压力、静摩擦系数、压力作用面积来满足摩擦力关系。
实施例2施力体型驱动器如果以二连体本身的重力作为它在基体上的压力来产生摩擦力进而产生推动力，这种推动力往往比较小，不能满足很多实际的需要，特别是需要在竖直方向驱动时。本实施例是通过添加施力体，以施力体将二连体的左区、中区和/或右区压靠到基体上，这使二连体对基体产生更大的压力以产生更大的摩擦力，进而产生更大的推力。
如图3，将二连体4置于基体6上并在二连体4的左区、中区和/或右区上作用以施力体7，该施力体7以弹力、重力和/或电磁力将二连体4压到基体6上并且使得二连体4在它的左区5A、中区5C和右区5B都和基体6有压力作用。各区上的施力体可为一体或分开的不同物体或为基体的一部分，工作原理同实施例1。
实施例3受力垫型驱动器如图4，本实施例是在上述实施例的基础上在二连体4的左区5A、中区5C和/或右区5B上固定受力垫8并以受力垫8与基体6以压力作用，用以保护二连体4或基体6，改变各区与基体6之间的压力、改变该压力的作用面积、改变静摩擦系数，总之可调节二连体4各区与基体6之间的最大静摩擦力。该受力垫8与基体6之间的压力来自其所在区原先与基体的压力，也可来自其本身对基体产生的作用力包括其重力、电磁力、弹性夹持力，还可来自外施力体将其压于基体的压力，或来自基体对其的弹性夹持力。
该受力垫8的硬度和形变方向须使得该受力垫8在其与基体6之间摩擦力作用下沿该摩擦力方向的形变小于左右两个压电致动器的形变，否则该受力垫8就不能凭借左右两个压电致动器的形变在基体6上滑移行走。
实施例4筒型基体驱动器本实施例是在上述的基础上将基体制成筒形并将二连体套在其内，见图4，基体6和施力体7为一个筒形整体，并将二连体4套于其内。左区5A、中区5C和/或右区5B上还可固定与筒形基体6的内壁有压力作用的受力垫8。
实施例5管型驱动器如图5，将两个共轴的且沿轴线方向伸缩独立可控的管状压电致动器2A、2B前后固定连接构成中空的二连体4，基体6为穿过该二连体4的轴杆。二连体致动器4的左区、中区和/或右区上还可固定与基体6有压力作用的受力垫8。
实施例6控制器参见图6，波形发生器WG产生周期性的过零方波、正弦波、三角波或梯形波，该波形被同时输给第一缓冲器BUF1和第二缓冲器BUF2，被他们缓冲后形成两路可独立处理的信号而不会相互影响，其中第一缓冲器BUF1输出至第一半波整流器RT1以保留半个周期的信号并维持另半个周期的信号为低电平信号，构成第一路控制信号V1，第二缓冲器BUF2输出至由相移器PS和第二整流器RT2串联构成的相移整流器PR，其中相移器PS和第二整流器RT2的位置可以互换，相移器PS的相移设为90度，第二缓冲器BUF2信号经90度相移和半波整流后形成第二路控制信号V2。
上面是用一个90度相移器实现第一、第二路控制信号之间的90度相移，也可将上述第一缓冲器BUF1和第二缓冲器BUF2分别输出至两个相移整流器并使得该两个相移整流器相互之间的相位差为90度，由该两个相移整流器分别给出的第一、第二路控制信号，这同样能实现整流和90度相移。
两路控制信号V1和V2用于分别控制左右两个压电致动器的形变，二者波形相同，相位相差90度，二者之间形成如图7所示的有1/4周期T2是第一路上升U2同时第二路下降D2，这一阶段对应于左右两个压电致动器同时形变复原，该1/4周期T2两侧的两个1/4周期T1、T3分别为第一路维持不变同时第二路上升和第二路维持不变同时第一路下降，分别对应于左压电致动器维持原状同时右压电致动器伸长和右压电致动器维持原状同时左压电致动器收缩。实现了二连体的移动。左右两个压电致动器上的伸长和收缩信号对调可实现反向移动。
本实施例是以上升信号代表伸长，以下降信号代表收缩；对于极性相反的压电致动器也可以以上升信号作为收缩控制信号，以下降信号作为伸长控制信号。
本实施例的波形是以三角波为例的，但也适用于周期性的过零正弦波、方波和梯形波。
具体实施中还包括压电致动器均为压电材料制成的压电体，可以是片状(piezo plate)、块状、管状、柱状、环状、压电叠堆(piezo stack)、剪切压电(shear piezo)致动器及其组合。
伸长和收缩是压电致动器形变的两种相对的形变状态，可以是长度的变化，也可以是角度的变化，比如剪切压电致动器就属于后者。
左右两个压电致动器各电极的位置和形状可以任意，只要保证左右两个压电致动器在同一方向上各自的形变独立可控。
施力体为能产生压力的物体。
施力体和基体可以是同一物体的不同部分也可以是不同物体。
权利要求
1.双压电体线性纳米定位压电驱动器，其特征是左右两个压电致动器沿形变方向以机械串联的方式固定连接构成各自独立可控的二连体；所述二连体沿其形变方向以各压电致动器的中截面为界分为三个区，包括位于两中截面之间的中区和分处在其两侧的左区及右区，设置与所述二连体在其形变方向上为滑动配合的基体，在垂直于二连体形变方向上设置将二连体或固定于其上的受力垫与基体相压的正压力，二连体形变时在基体与二连体三个区中分别形成摩擦力，其中任一个区的最大静摩擦力不大于其它两个区最大静摩擦力之和；所述基体与二连体三个区之间的摩擦力形成在基体与二连体之间和/或基体与受力垫之间。
2.根据权利要求
1所述的双压电体线性纳米定位压电驱动器，其特征是所述二连体中左右两个压电致动器的压电体为分体设置。
3.根据权利要求
1所述的双压电体线性纳米定位压电驱动器，其特征是所述二连体中左右两个压电致动器的压电体为整体设置。
4.根据权利要求
1所述的双压电体线性纳米定位压电驱动器，其特征是设置套管结构，所述套管结构至少有如下两种形式a、所述基体为外套管，所述二连体为平行套于其内的杆状二连体；b、所述二连体为外套管，所述基体为平行套于其内的杆状基体。
5.根据权利要求
1所述的双压电体线性纳米定位压电驱动器，其特征是以所述基体为支撑体，二连体或受力垫安置在所述基体上，所述正压力来自于二连体或受力垫的重力；或来自于二连体或受力垫与基体间的电磁力；或来自于二连体或受力垫与基体间的弹性夹持力。
6.根据权利要求
1所述的双压电体线性纳米定位压电驱动器，其特征是在所述二连体或受力垫上设置施力体，所述施力体是以其自身重力，或电磁力，或弹性夹持力在二连体与基体之间或在受力垫与基体之间形成正压力。
7.根据权利要求
1所述的双压电体线性纳米定位压电驱动器，其特征是所述左区、右区和中区的最大静摩擦力相等。
8.一种权利要求
1所述双压电体线性纳米定位压电驱动器的控制方法，其特征是以如下时序分别控制左右两个压电致动器，完成驱动器向右的一次步进a、左压电致动器输入收缩控制信号，同时右压电致动器输入控制信号维持不变；b、左压电致动器输入控制信号维持不变，同时右压电致动器输入伸长控制信号；c、左压电致动器输入伸长控制信号，同时右压电致动器输入收缩控制信号。
9.一种权利要求
1所述双压电体线性纳米定位压电驱动器的控制器，其特征是设置波形发生器，波形发生器的输出信号一路依次经过缓冲器和半波整流器输出控制电压V1；另一路依次经过缓冲器和由相移器与半波整流器串联构成的相移整流器之后，输出控制电压V2，设置相移器的相移为90度，以所述控制电压V1和V2分别作为二连体中左右两个压电致动器的电极输入信号。
10.一种权利要求
1所述双压电体线性纳米定位压电驱动器的控制器，其特征是设置波形发生器，波形发生器的输出信号分成两路，两路信号首先经过缓冲器，再经过相移整流器分别输出控制电压V1和控制电压V2，设置两路相移整流器之间的相位差为90度，以所述控制电压V1和V2分别作为二连体中左右两个压电致动器电极输入信号。
专利摘要
双压电体线性纳米定位压电驱动器、其控制方法及控制器，其特征是左右两个压电致动器沿形变方向以机械串联的方式固定连接构成各自独立可控的二连体；二连体沿其形变方向分为中区、左区及右区，设置与二连体在其形变方向上滑动配合的基体，在垂直于二连体形变方向上设置将二连体或固定于其上的受力垫与基体相压的正压力，在基体与二连体三个区中分别形成摩擦力，其中任一个区的最大静摩擦力不大于其它两个区最大静摩擦力之和。本发明仅需两个压电致动器，一体化结构，易于微型化和集成，双向可控行走，推力大，工作温区大，行程大，精度高，还适合于在超低温、超高真空、强磁场等极端物理环境中工作。
文档编号H01L41/09GK1996737SQ200610161477
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月15日
发明者陆轻铀, 侯玉斌 申请人:中国科学技术大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan