一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种高刚性大推力自配合压电步进器，属于压电定位器技术领域。
【背景技术】
[0002]压电步进器是一种能够同时实现纳米级别定位精度和厘米级别行程的压电定位器。它主要依靠压电形变效应的累加效果来产生移动。由于其小体积和高定位精度的优点，压电步进器被广泛应用于精密仪器控制、原子/分子成像、微电子制造乃至航空航天、生物医学等诸多领域，已经成为现代科学研究和工业生产中不可或缺的工具。
[0003]压电步进器发展至今，一直朝着高刚性、小体积、高定位精度和大推力的方向发展。然而在技术上想要同时实现这几个重要指标的改进却非常困难，因为它们之间是相互矛盾的:大推力和小体积矛盾，高刚性和小体积矛盾，大推力和高定位精度矛盾等等。
[0004]我们2012年提出了一种新原理的压电马达:“利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及其控制法”，(见中国专利申请号:“201210338648.0”以及我们在美国《科学仪器评论》(Review of Scientific Instrument, 2012 年第 83 期 115111 页)上发表的论文，该论文已将这一发明正式命名为“TunaDrive”，即:“金枪鱼马达”)，其技术特征为:包括两个压电体、基座、滑杆，其特征是所述两压电体按伸缩方向平行设置并排地固定站立于基座上，设置与两压电体在其伸缩方向上为滑动配合的滑杆，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，这三个正压力对滑杆产生的摩擦力满足:两压电体自由端与滑杆间的最大静摩擦力之和大于基座与滑杆间的最大静摩擦力，且当两压电体自由端在滑杆上相向搓动时对滑杆产生的动态总摩擦力小于基座与滑杆间的最大静摩擦力。这个发明的优点是尺寸小、推力大、刚性强、摩擦力条件容易得到满足。
[0005]该步进器存在几个重要缺陷:(I)刚性和紧凑性仍然不够高。因为两个压电体只有底部固定在基座上，上方的压电体没有被固定，而且被弹簧片向外挤，使得步进器整体刚性不足。上述发明中还有一种技术方案采用了完整的压电扫描管代替两个压电体，然而压电扫描管是空心的而且壁厚通常只有0.5_左右，所以容易碎裂，导致弹簧片在夹持时不能施加很大的弹力，从而降低了步进器的刚性和紧凑性。(2)行程小。因为滑竿的弹力会随着其位置的变化而变化。在步进器步进过程中，当滑竿的位置超出一定范围后，其弹力就不再满足步进的工作条件，步进器便不再工作。(3)推力不足够大。虽然这个步进器在推力上相比其他步进器已经有很大提高，但在实际应用中推力仍然不够大。(4)噪音大。因为在步进过程中，滑竿和固定环之间的高频率滑动摩擦会在空心的扫描管中产生很大的噪音。这对于原子分辨率成像会形成很大影响。
[0006]本发明提出一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，大幅改善上述现有技术的利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达中的这四个问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了在不增加体积的条件下，大幅提高现有技术的利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达的刚性，行程和推力并降低其噪音，提出一种利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达及其控制方法。
[0008]本发明实现上述目的的技术方案是:
[0009]本发明利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括三个压电体:其中的两个称为左压电体，余下的一个称为中压电体，所述两个左压电体把中压电体的左端夹在中间，两个左压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，这三个压电体的压电形变方向相同，两个左压电体两端的外侧和中压电体右端的两个外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的三压电体称为单端三叠堆；所述单端三叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当所述两个左压电体静止时，其外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和；当所述两个左压电体进行伸缩振动时，其外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和小于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。
[0010]所述的三压电体都为压电片叠堆。
[0011]本发明实现上述目的的技术方案也可以是:
[0012]本发明利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括三个压电体:分别称为左压电体、右压电体和中压电体，所述左压电体叠置于中压电体的左端，左压电体的中部与中压电体之间有一垫片，所述右压电体叠置于中压电体的右端，右压电体的中部与中压电体之间有一垫片，这三个压电体的压电形变方向相同，左、右压电体两端的外侧和中压电体左、右端外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的三压电体称为双端二叠堆；所述双端二叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当左、右压电体一个静止，另一个做伸缩振动时，中压电体左右两端受到的总摩擦力满足:振动端小于静止端。
[0013]所述的三压电体都为压电片叠堆。
[0014]本发明实现上述目的的技术方案也可以是:
[0015]本发明利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达，包括平行双轨体、垫片，其特征是还包括五个压电体:其中的两个称为左压电体，两个称为右压电体，余下的一个称为中压电体，所述两个左压电体把中压电体的左端夹在中间，两个左压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，所述两个右压电体把中压电体的右端夹在中间，两个右压电体的中部与中压电体之间各有一垫片，这五个压电体的压电形变方向相同，四个左、右压电体两端的外侧固定有垫片，称为外垫片，如此构成的五压电体称为双端三叠堆；所述双端三叠堆通过其外垫片被平行双轨体弹性地夹持于其双轨之间；当所述两个左压电体静止而两个右压电体进行伸缩振动时，两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于两个右压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和；当所述两个左压电体进行伸缩振动而两个右压电体静止时，两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和小于两个右压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。
[0016]所述的五压电体都为压电片叠堆。
[0017]本发明利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的工作原理是(两个左压电体夹持于中压电体左端的三压电体情况):先让所述两个左压电体静止，同时中压电体伸长，这样，中压电体的外垫片就会在平行双轨体上沿该伸长的方向滑动，因为此时两个左压电体的外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和大于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。接着，让所述两个左压电体做伸缩振动，同时中压电体收缩，这样，两个左压电体的外垫片就会在平行双轨体上沿该收缩的方向滑动，因为此时两个左压电体外垫片与平行双轨体之间的摩擦力总和会因为有相向摩擦力的抵消而减小，可减小到小于中压电体外垫片与平行双轨体之间的最大静摩擦力总和。如此重复，所述的单端三叠堆就会沿着平行双轨体步进了。类似的原理也能让其反向行走。
[0018]对于本发明另一方案的利用相向摩擦力压制成的叠堆压电马达的工作原理是(左、右压电体分别叠置在中压电体双端的一侧的三压电体情况):先让所述左压电体静止而右压电体做伸缩振动，同时中压电体伸长，这样，右