[发明专利]一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电步进器，特别涉及一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达及控制方法，属于压电马达技术领域。

背景技术

压电马达是一种能够把每一步产生的微观小压电位移累加成一个宏观大位移的压电定位器，可同时拥有微观纳米级超高定位精度和宏观厘米级大行程，是现今精密测量、纳米器件加工、生物DNA分子或基因操纵、原子/分子操纵、乃至亚原子结构成像领域必不可少的定位工具，可把初始随意放置的被控物体（如：探针）以原子精度送到宏观远处与之纳米级近距离作用的待测物体（如DNA分子、各种样品）。其现今的发展趋势是高刚性、大推力、集成化、结构简单可靠、适用于极端物理条件（极低温、强磁场、超高真空）等。

我们2009年提出的一种“双压电体并排推动的三摩擦力步进器”（发明专利授权号：ZL200910116492.X）是朝着这方面推进的一个典型代表。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，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。此即为双压电体并排推动的三摩擦力步进器工作的“摩擦力关系”。该步进器在所述三个正压力对滑杆产生的最大静摩擦力都相等时（称为“最佳摩擦力关系”），能给出最大推力。

该步进器也具有一些重要的缺点，包括：（1）推力小：步进时，总有一个摩擦力是阻力，且该阻力是很大的，在最佳摩擦力条件下等于另两个摩擦力，从而只剩下一个摩擦力产生外推力了，所以，该马达能产生的推力较小；（2）一体性差：若两压电体为一体设置，则一方会阻止另一方的独立形变，相互间伸缩的独立性差，推力与步长都会降低；（3）最佳摩擦力关系难以精确满足：由于滑杆两头的总正压力不等（最佳摩擦力条件下一头的总正压力是另一头的两倍），最佳摩擦力关系难以精确满足，这会进一步损失推力和步长等关键性能。

本发明提出一种全新的工作原理：利用夹持住滑杆的两压电体在滑杆上相向搓动时的总动态摩擦力远远低于它们不搓动时的总最大静摩擦力，通过交替改变“搓动”与“不搓动”的状态获得很大的净推力。不仅如此，由于“搓动”不需要很大的相对位移，所以，所用的压电体可以采用一体设置而不会形成显著的一方阻止另一方独立形变的问题。此外，对于两头均可“搓动”的设计（本发明的第二独立权利要求），最佳摩擦力条件来自两头正压力相等时，这样的正压力条件是很容易满足的。

发明内容

为了解决现有双压电体并排推动的三摩擦力步进器推力小的问题，提供一种大推力的利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持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：

一种利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达，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。

本发明的结构特点也在于：

所述滑杆通过滑杆弹性和/或基座弹性和/或增设弹性体与基座弹性相压，所述滑杆通过滑杆弹性和/或两压电体弹性和/或增设弹性体与两压电体的自由端弹性相压。

所述两压电体为整体设置，或者所述两压电体与基座三者为整体设置。

所述两压电体为管形体轴截面分出的两个半管状压电体，它们围合起来固定站立于环形基座上，构成管形双压电体结构，该管形双压电体结构中的所述两半管状压电体或为分体设置或为一体设置，所述滑杆或者共轴地置于所述管形双压电体结构之内，或者共轴地套于所述管形双压电体结构之外。

所述利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达，其特征是在每个压电体自由端与滑杆间增设固定于该压电体自由端的传力块并以传力块对滑杆产生所述正压力。

本发明利用相向搓动降低摩擦力的双端夹持压电马达控制方法的特点是以如下时序分别控制所述的两压电体，完成一步的步进：