融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及压电马达微纳米精密驱动技术，尤其涉及一种融合切变压电致动器的复合压电驱动定子结构和微、纳米复合驱动模式的压电直线马达及其制备方法。
【背景技术】
[0002]压电马达是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅谐振动转换为运动体宏观的旋转或直线运动，从而直接推动负载。压电马达具有结构紧凑、体积小等优点，得到了广泛运用。压电马达主要包括谐振压电换能器和滑动组件。压电换能器称为定子、滑动组件中可运动部件称为动子。压电换能器在谐振频率下将输入的电能转换为定子的特定微观运动的机械能；滑动组件通过摩擦获得机械能，使动子产生宏观旋转或直线运动。
[0003]目前，直线压电马达换能器普遍采用一阶伸长二阶弯曲模式(L1B2)、同形的一阶面内弯曲模式(BlBl)、以及面内一阶等谐振动模式(M.Guo，et al.，IEEEUFFC, 2010, 57 (2596) ；P.Ci, et al., IEEE UFFC, 2014, 61 (159) ；Z.Chen, et al., IEEEUFFC, 2013，60(115))。以L1B2谐振模式的压电马达为例，施加特定高频率的交流电压，使压电马达换能器工作在第一阶纵向谐振模式(LI)和第二阶弯曲谐振模式(B2)，通过产生的第一阶纵向谐振和第二阶弯曲谐振耦合简并合成微观的椭圆轨迹运动，再通过椭圆运动和接触摩擦推动滑块组件中的动子做宏观直线运动。压电直线马达可广泛应用于线性精密定位，如镜头变焦、聚焦驱动等。但是，现有采用的L1B2谐振模式的直线压电马达存在以下的问题:压电马达为了实现快速、长行程直线运动，其压电换能器定子需要工作在谐振模式下，而谐振时压电马达换能器因高频下谐振动，导致压电马达驱动速度过快，难以实现亚微米、纳米尺度的精密定位。
[0004]压电致动器是一种利用压电工作原理、在压电元件上施加直流电压可直接产生亚微米和纳米的微位移和驱动，因而可用于微纳米精密定位与驱动。但是其缺点是:在直流或交流电压驱动下，压电致动器只能产生小的应变或微位移，或简单的微纳米范围的线性往复位移；不能产生循环往复的椭圆运动和实现宏观的连续直线运动。
[0005]综上所述，现有的压电马达换能器一般采用谐振的工作模式，即通过施加一特定频率的交流电压，通过激发压电换能器定子工作在高频谐振动模态，获得所需要的微观的、循环往复的椭圆质点运动，最终通过滑动组件中的动子获得连续的宏观直线运动。但工作在高频谐振模态的压电马达很难产生亚微米和纳米运动。即使通过某些特殊的控制方法可以产生亚微米或纳米运动，但一般是以丧失动子驱动力为代价的。而压电致动器工作在直流电压下可产生简单压电应变，虽然可以产生亚微米、纳米微位移和大的驱动力，但却不能产生宏观的连续直线运动。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种融合了切变压电致动器的复合驱动模式的压电直线马达及其制备方法。所说的压电直线马达拥有一个复合压电定子，包括一个谐振压电换能器和一个直流切变压电致动器；所说的压电马达可以根据工作需要工作在谐振驱动、直流驱动或复合驱动模式，不仅可以产生宏观的连续直线运动，还可以产生亚微米和纳米运动以及产生大的驱动力。本发明的压电直线马达，具有结构简单、制作方便等特点，可有效克服现有压电直线马达的不足。
[0007]本发明的原理是:发明一种包括切变压电致动器与谐振模式压电换能器的复合结构压电定子和复合驱动模式的压电直线马达；压电直线马达的复合结构压电定子可以工作在谐振或直流驱动模式；当压电马达需要产生宏观的大行程位移时，启动压电复合定子的压电换能器部分，使其工作在交流电压下的特定频率的谐振模式；当压电马达需要产生亚微米、纳米微位移时，启动压电复合定子的切变压电致动器部分，在直流工作电压下可以产生所需要的微纳米精密运动和同时产生大的驱动力。本发明提供了一种融合切变压电致动器与谐振压电换能器的复合定子结构压电马达，有效弥补了现有谐振模式压电直线马达在微位移方面的缺陷。
[0008]本发明提供的技术方案是:
[0009]一种融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，包括谐振压电换能器、切变压电致动器、驱动电路、滑块(动子)、固定在切变压电致动器上的摩擦头和外围部件等；所述外围部件包括弹性固支、弹性压紧部件、夹具和滑动组件；其中，所述谐振压电换能器和切变压电致动器紧密粘接在一起，形成压电直线马达的复合压电驱动定子；复合压电驱动定子被弹性固支固定在夹具中，在弹性压紧部件的作用下，使得复合压电驱动定子通过固定在切变压电致动器上的摩擦头与滑动组件中的滑块紧密接触；所述谐振压电换能器和切变压电致动器均有上表面电极和下表面电极。
[0010]针对上述融合切变压电致动器与谐振压电换能器的复合压电驱动定子结构，进一步地:复合压电驱动定子的形状可根据谐振压电换能器的谐振动工作模式，设计为矩形或正方形；复合压电驱动定子的材料可以选为压电陶瓷材料或者压电单晶材料；复合压电驱动定子的结构可以设计为压电陶瓷或压电单晶材料本身，或者为弹性金属片与压电陶瓷(或压电单晶)材料构成的复合板结构。
[0011]针对上述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达，进一步地，
[0012]摩擦头为一个或两个；一个摩擦头粘接在切变压电致动器的正中位置，或者是两个摩擦头粘接在切变驱动器正面的两边位置；
[0013]摩擦头的形状为球形、半球形、圆柱形或者其他形状，由耐磨材料制作得到；所述弹性压紧部件为能够提供预紧力的装置，优选地，弹性压紧部件为金属弹簧；
[0014]谐振压电换能器的谐振模式为一阶伸长二阶弯曲模式(L1B2)、同形的一阶面内弯曲模式(BlBl)和同形的一阶面内对角弯曲模式(FDB)等谐振模式中的一种；
[0015]谐振压电换能器整体沿厚度方向极化；谐振压电换能器的上表面电极被划分为多个相同面积的电极区域，分别为第一电极区域、第二电极区域、第三电极区域和第四电极区域，谐振压电换能器的下表面电极为一体结构的第五电极区域。
[0016]谐振压电换能器上表面的第一电极区域、第二电极区域、第三电极区域和第四电极区域连接压电直线马达驱动电路提供的一个或多个交流输入电压，下表面的电极区域作为电压接地端，激发谐振压电换能器产生谐振动模式；
[0017]所述切变压电致动器整体沿长度方向极化，而直流电压则是沿厚度方向施加；切变压电致动器的上表面电极和下表面电极区域均为一个，上表面电极区域连接驱动电路提供的直流输入电压，下表面电极区域作为电压接地端，使得切变压电致动器产生横向剪切应变，驱动滑块产生左或右向的亚微米或纳米精确位移。
[0018]本发明还提供制备上述融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达的方法，包括如下步骤:
[0019]I)利用高性能压电陶瓷或压电单晶材料，制备矩形或正方形谐振压电换能器；谐振压电换能器整体沿厚度方向极化；
[0020]根据谐振压电换能器的谐振工作模式，利用高性能压电陶瓷或压电单晶材料，制备具有一定长宽比的矩形或正方形谐振压电换能器；谐振压电换能器整体沿厚度方向极化；
[0021]2)利用高性能压电陶瓷或压电单晶材料，制备矩形切变压电致动器；切变压电致动器的长度与宽度设计的与谐振压电换能器的宽度与厚度一致；
[0022]根据剪切应变和所需要的微位移设计，利用高性能压电陶瓷或压电单晶材料制备矩形切变压电致动器；为了将切变压电致动器与谐振压电换能紧密复合在一起，切变压电致动器的长度与宽度设计的与谐振压电换能器的宽度与厚度一致；
[0023]3)沿长度方向极化切变压电致动器，磨去极化用的端面电极；沿厚度方向的上表面和下表面上分别被上表面电极和下表面电极；
[0024]4)将切变压电致动器与谐振压电换能器紧密粘接在一起构成复合压电驱动定子；复合压电驱动定子需工作在谐振压电换能器的特定谐振工作模式上；
[0025]利用环氧树脂将切变压电致动器与谐振压电换能器紧密粘接在一起构成复合压电驱动定子；注意谐振压电换能器和压电致动器的尺寸设计，它们复合后构成的复合压电驱动定子还需要工作在谐振压电换能器的特定谐振工作模式上；
[0026]5)在复合压电驱动定子的切变压电致动器一侧端部粘接驱动用的摩