一种高频谐振压电惯性驱动直线位移平台的制作方法

本发明涉及压电精密驱动微位移平台设备领域，具体涉及一种高频谐振压电惯性驱动直线位移平台。

背景技术：

微纳科技的迅猛发展，涉及对微小对象进行精密定位操作的场合越来越多，如半导体制造中投影曝光的移动定位、材料科学中纳米结构的装配表征、生物医学工程中细胞细菌的捕捉注射等，这些场合都需要利用高性能的驱动机构来实现纳米级高分辨率、毫米级大行程的精密运动。压电驱动具有位移分辨率高、能量密度大、响应速度快、抗干扰能力强等突出优势，在微纳精密驱动领域占据着相当重要的地位。

压电元件自身的位移输出能力极低，通过机械放大后的位移输出也非常有限，难以满足毫米级大行程精密运动的需求，而通过将压电元件周期性的振动转换为运动部件单方向的连续位移，压电驱动机构理论上可获得无限的运动行程。该类大行程压电驱动机构根据工作状态可分为谐振式和非谐振式两类，具有不同的优缺点和适用场合。谐振式压电驱动机构主要包括行波马达和驻波马达，通过压电元件高频、高振幅的固有简谐振动驱动运动部件实现平滑位移，运动速度快、驱动力大，但位移分辨率较低，适用于功率驱动场合；非谐振式压电驱动机构主要包括尺蠖马达和惯性马达，通过压电元件低频、低振幅的特殊周期振动驱动运动部件实现步进位移，位移分辨率高，但运动速度较慢、驱动力较小，适用于精密定位场合。由于工作原理的差异，上述两类压电驱动机构往往无法通过单一的结构设计同时实现功率驱动和精密定位的双重功能，难以满足精密定位操作场合日益复杂的应用需求。

传统压电惯性驱动机构由于只能工作在低频、低振幅的非谐振状态，功率输出能力较低，应用场合因此受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高频谐振压电惯性驱动直线位移平台，该平台压电结构至少存在两个有效的纵向固有振动模态，并可通过结构参数调整实现两个模态的固有振动频率匹配，从而合成谐振状态下的特殊周期振动，驱动平台实现谐振惯性直线位移。

一种高频谐振压电惯性驱动直线位移平台，其特征在于：包括基体、第一压电驱动器、第二压电驱动器、主惯性体、辅惯性体，所述基体的前侧面中心通过第一压电驱动器设置有主惯性体，所述基体的后侧面中心通过第二压电驱动器设置有辅惯性体，所述第一压电驱动器、第二压电驱动器分别与基体、主惯性体、辅惯性体之间刚性连接构成惯性动子，该惯性动子的同相固有振动频率为反相固有振动频率的两倍；所述惯性动子通过基体滑动安装在基座上。

所述基体质量为辅惯性质量的1～2倍，主惯性体质量为辅惯性体质量的2～6倍。

所述反相固有振动模态下，主惯性体和辅惯性体运动方向相反，基体与辅惯性体运动方向相同；所述同相固有振动模态下，主惯性体和辅惯性体运动方向相同，与基体运动方向相反。

所述第一压电驱动器和第二电压驱动器均为多层堆叠式压电陶瓷，所述基体前侧的第一压电驱动器用于激励反相固有振动，所述基体后侧的第二压电驱动器用于激励同相固有振动。

所述惯性动子通过基体下端面左右两侧的滑口安装在基座上端面左右两侧的导轨上。

本发明中，惯性动子存在两个有效的纵向固有振动模态：反相固有振动模态和同相固有振动模态。两个模态的固有振动频率与基体、主惯性体、辅惯性体的质量有关，改变基体、主惯性体、辅惯性体的质量比值可调整惯性动子反相固有振动频率与同相固有振动频率的比值为1:2。为保证基体获得较大的纵向振动幅值，设置基体质量为辅惯性体质量的1～2倍，主惯性体质量为辅惯性体质量的2～6倍。

本发明中，第一压电驱动器和第二电压驱动器均采用多层堆叠式压电陶瓷，结构刚度大、驱动能力强，可提高两个模态的固有振动频率和振动幅值。为简化直线位移平台的激励电路，两个固有振动模态可由两个压电驱动器分别激励；为使基体激发较大的纵向振动幅值，使用基体前侧的压电驱动器激励反相固有振动，使用基体后侧的压电驱动器激励同相固有振动。

与已有技术相比，本发明的优点为：本发明采用非对称的主辅惯性体设置在基体的前后两侧，不增加惯性动子结构设计的复杂度，获得反相固有振动、同相固有振动两个有效的纵向固有振动，并可通过调整基体、主辅惯性体的质量方便地匹配两个固有振动频率，使用两个多层堆叠式压电陶瓷分别激励两个固有振动模态，不增加激励电路复杂度，从而合成谐振状态下基体的高频、高振幅特殊周期振动，实现功率驱动功能。同时，该直线位移平台亦可工作在传统非谐振状态，驱动基体低频、低振幅步进位移，实现精密定位功能。

附图说明

图1为本发明直线位移平台的结构示意图。

图2为本发明惯性动子的等效力学模型。

图3为本发明惯性动子的纵向固有振动模态。

图4为本发明固有振动频率比值与质量比值的关系图。

图5为本发明基体谐振状态下合成的非对称振动波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

新型高频谐振压电惯性驱动直线位移平台利用多个模态的固有振动合成谐振状态下的特殊周期振动，大幅提升压电元件的工作频率和振动幅值，可极大提高运动速度和驱动力，综合驱动性能有望得到进一步完善。然而，合成谐振状态下的特殊周期振动，需要通过结构设计获得多个有效的固有振动模态，并通过结构参数调整实现多模态的固有振动频率匹配，新颖的结构设计和可靠的参数调整成为研制高频谐振压电惯性驱动直线位移平台所面临的主要问题。下面，对本申请技术方案进行详细说明。

如图1-5所示：一种高频谐振压电惯性驱动直线位移平台，包括基体1、第一压电驱动器2、第二压电驱动器3、主惯性体4、辅惯性体5，基体1的前侧面中心通过第一压电驱动器2设置有主惯性体4，基体1的后侧面中心通过第二压电驱动器3设置有辅惯性体5，第一压电驱动器2、第二压电驱动器3分别与基体1、主惯性体4、辅惯性体5之间刚性连接构成惯性动子，该惯性动子的同相固有振动频率为反相固有振动频率的两倍；惯性动子通过基体1滑动安装在基座6上。

基体1质量为辅惯性质量5的1～2倍，主惯性体4质量为辅惯性体质量5的2～6倍。

反相固有振动模态下，主惯性体4和辅惯性体5运动方向相反，基体1与辅惯性体5运动方向相同；同相固有振动模态下，主惯性体4和辅惯性体5运动方向相同，与基体1运动方向相反。

第一压电驱动器2和第二电压驱动器3均为多层堆叠式压电陶瓷，基体1前侧的第一压电驱动器2用于激励反相固有振动，基体1后侧的第二压电驱动器3用于激励同相固有振动。

惯性动子通过基体1下端面左右两侧的滑口7安装在基座6上端面左右两侧的导轨8上。

具体工作过程及原理：

本发明惯性动子振动时，基体1、主惯性体4、辅惯性体5等效为质量m0、m1、m2，其位移分别为x0、x1、x2，第一压电驱动器2、第一压电驱动器3等效为刚度k，惯性动子构成质量-弹簧系统，如图2所示，其运动学方程表示为：

求解该质量-弹簧系统，存在两个固有频率，其表达式为：

即惯性动子存在两个有效的纵向固有振动模态。如图3所示，频率f1对应反相固有振动模态，主惯性体4和辅惯性体5运动方向相反，基体1与辅惯性体5运动方向相同；频率f2对应同相固有振动模态，主惯性体4和辅惯性体5运动方向相同，与基体1运动方向相反。两个模态的固有振动频率与基体1、主惯性体4、辅惯性体5的质量有关，如图4所示，改变基体1、主惯性体4、辅惯性体5的质量比值可调整惯性动子反相固有振动频率f1与同相固有振动频率f2的比值为1:2。为保证基体1获得较大的纵向振动幅值，设置基体1质量为辅惯性体5质量的1～2倍，主惯性体4质量为辅惯性体5质量的2～6倍。

第一压电驱动器2和第二电压驱动器3均采用多层堆叠式压电陶瓷，结构刚度大、驱动能力强，可提高两个模态的固有振动频率和振动幅值。为简化直线位移平台的激励电路，两个固有振动模态可由第一压电驱动器2和第二电压驱动器3分别驱动。为使基体1激发较大的纵向振动幅值，使用基体1前侧的第一压电驱动器2激励频率f1的反相固有振动，使用基体1后侧的第二压电驱动器3激励频率f2的同相固有振动。如图5所示，基体1在两个固有频率下的简谐振动合成谐振状态下的非对称振动波形，基体1下端面左右两侧的滑口7与基座6上端面左右两侧的导轨8之间产生非对称的滑动摩擦，从而驱动惯性动子沿着导轨实现单方向连续直线位移。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。