[发明专利]一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达及其控制方法

说明书

本发明提供了一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，包括滑板、XY形变压电体和基座，所述XY形变压电体设置于基座与滑板之间，其一端与基座固定，另一端与滑板固定，其特征在于还包括X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体之间相互固定，形成X方向形变和Y方向形变独立可控结构，称为垂直形变结构，设置将所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板同时相压的正压力。对于该马达，本发明同时提出了相应的控制方法。本发明具有结构简单、推力大、定位精度高、无电磁干扰、移动范围大等优点。

技术领域

本发明涉及一种二维压电步进器，特别涉及一种利用相向摩擦减小驱动阻力的二维压电马达，属于压电定位器技术领域。

背景技术

压电马达因其体积小、精度高、断电自锁等优势，被应用于各种需要精确定位的领域，如光学调焦、微机电产品加工等。但是，同传统的电磁马达相比，压电马达往往输出推力较小。要实现广泛应用，仍需要在保证高精度、高刚性的同时努力增加自身推力。

为了增加推力，我们于2014年提出并实现了一种利用相向摩擦力压制成的五压电体叠堆压电马达，详见美国科技期刊《科学仪器评论》(Review of ScientificInstrument)2014年85期第056108页以及专利公开号为CN104953889B的已授权发明专利，其技术特征是：包括平行双轨体，垫片，两左、两右、一中共五个压电体，两个左压电体通过各自中部的垫片把中压电体左端夹在中间，两个右压电体通过各自中部的垫片把中压电体右端夹在中间，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外垫片，构成双端三叠堆；该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。工作时，两个左压电体静止而两个右压电体进行伸缩振动，右压电体两端始终受到方向相反且大小近似相等的滑动摩擦力，从而总摩擦力减小，使得双端三叠堆的左端受到的摩擦力大于右端的。此时，中压电体伸长，两个右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。接着，所述两个左压电体做伸缩振动(从而总摩擦力减小)而两个右压电体静止，同时中压电体收缩，带动两个左压电体的外垫片在平行双轨体上沿该收缩的方向滑动。至此，实现一次步进。该马达利用四个左右压电体两端的方向始终相反且大小近似相等的滑动摩擦力可以相互抵消的方式，有效减小了该压电马达工作时受到的外界摩擦阻力(外界摩擦阻力可以减小到原阻力的1/12)，从而增加了马达的推力输出。

但是，该发明结构相对复杂，需要五个压电体，并且只能驱动物体在一个维度上运动。若需实现二维驱动，只能通过将两个叠堆马达层叠在一起的方式实现，这会显著增加系统的复杂性和不稳定性。

发明内容

本发明针对上述技术问题提出一种具有高刚性和高精度的二维压电马达及其控制方法，并充分运用相向摩擦减小驱动阻力的原理增加本发明马达的推力输出。

本发明实现上述目的的结构方案是：

一种利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，包括滑板、XY形变压电体和基座，所述XY形变压电体设置于基座与滑板之间，其一端与基座固定，其另一端与滑板固定，其特征在于还包括X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体，所述X伸缩形变压电体和Y伸缩形变压电体之间相互固定，形成X方向形变和Y方向形变独立可控结构，称为垂直形变结构，设置将所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板同时相压的正压力。

所述利用相向摩擦减阻力的二维压电马达，其滑板可以是由伸缩压电材料制成的，增加马达推力输出。滑板与垂直形变结构之间相压的正压力优选通过增设弹簧产生弹力的方式实现。可在所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端固定受力片，并以受力片与滑板相压，便于调节将所述垂直形变结构与滑板之间的压力。并且，本发明二维压电马达在结构上优选设置于所述X伸缩形变压电体形变的两端和Y伸缩形变压电体形变的两端与滑板之间的四个正压力等值，这种对称结构更有利于马达的驱动控制。

本发明实现针对上述结构方案的控制方案是：