專(zhuān)利名稱(chēng)：雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器、其控制方法及控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電電動(dòng)機(jī)，更具體地說(shuō)是一種由壓電體和在壓電體上設(shè)置控制電極構(gòu)成壓電致動(dòng)器、由控制器提供控制信號(hào)使壓電致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)納米定位的壓電電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的壓電電動(dòng)機(jī)(piezoelectric motor)種類(lèi)很多，但沒(méi)有一種形式能夠同時(shí)擁有壓電材料所提供的絕大多數(shù)重要優(yōu)點(diǎn)，包括低價(jià)格、結(jié)構(gòu)牢固、體積小、易集成、大行程、雙向可控推進(jìn)、納米精度、強(qiáng)推力、大工作溫區(qū)、可工作于超低溫度、超高真空和超強(qiáng)磁場(chǎng)等極端物理環(huán)境中。造成缺乏全能型壓電電動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵原因是這些要求在很多地方相互抵觸，例如大行程需要多個(gè)壓電致動(dòng)器(piezoelectric actuator)相互牽扯配合按一定步調(diào)周期性步進(jìn)，這就不容易同時(shí)滿足微型化、集成化和低成本要求。再如強(qiáng)推力要求壓電致動(dòng)器的一端被較牢固地固定，這與大工作溫區(qū)和大行程就難兼容，因?yàn)榇蠊ぷ鳒貐^(qū)和大行程走都要求壓電致動(dòng)器不能被牢固地固定。這使得自1975年第一個(gè)壓電電動(dòng)機(jī)尺蠖電動(dòng)機(jī)(inchworm motor)在美國(guó)發(fā)明以來(lái)一直很難找出一種方案使壓電電動(dòng)機(jī)能同時(shí)擁有上述重要優(yōu)點(diǎn)。下面以?xún)蓚€(gè)最具代表性的例子來(lái)闡述壓電電動(dòng)機(jī)的原理和缺陷。
根據(jù)美國(guó)專(zhuān)利號(hào)3,902,084和3,902,085介紹，尺蠖電動(dòng)機(jī)的推進(jìn)原理是左、中、右三個(gè)壓電致動(dòng)器一字連接并有一軸桿(shaft)從它們中間穿過(guò)，在各自的電壓信號(hào)作用下，左壓電致動(dòng)器先握緊軸桿而右壓電致動(dòng)器不握軸桿，接著中壓電致動(dòng)器伸長(zhǎng)并推動(dòng)左壓電致動(dòng)器連同其緊握的軸桿一起遠(yuǎn)離位置固定的右壓電致動(dòng)器，然后右壓電致動(dòng)器握緊軸桿而左壓電致動(dòng)器不握，進(jìn)而中壓電致動(dòng)器收縮并將左壓電致動(dòng)器拉回到初始位置，這導(dǎo)致了軸桿被向左推進(jìn)了一步，如此往復(fù)不停地向左推動(dòng)軸桿并可精確控制推動(dòng)距離；類(lèi)似地，可通過(guò)改變致動(dòng)器信號(hào)順序而反向推動(dòng)軸桿。
從中可以看出，尺蠖電動(dòng)機(jī)的推進(jìn)要依靠壓電體的可控伸縮特性去輪流握緊和不握軸桿，這使得尺蠖電動(dòng)機(jī)不能在很大的溫區(qū)內(nèi)工作，因?yàn)檩S桿和壓電體熱脹冷縮的性質(zhì)不同且壓電體的伸縮范圍只有微米量級(jí)，致使壓電體在溫差很大時(shí)不能保證都以合適的握力和正確的步調(diào)握緊和不握軸桿，會(huì)出現(xiàn)壓電致動(dòng)器因握力過(guò)小而打滑或過(guò)大而碎裂。除此重大缺陷外，尺蠖電動(dòng)機(jī)每走一步需要握緊、伸長(zhǎng)、不握、收縮四個(gè)動(dòng)作，這至少需三塊壓電體，三個(gè)控制信號(hào)，故尺蠖電動(dòng)機(jī)體積較大，結(jié)構(gòu)和信號(hào)控制都比較復(fù)雜，不利于集成，價(jià)格也很高。
1993年發(fā)明的剪切壓電電動(dòng)機(jī)(shear piezoelectric motor)可以解決尺蠖電動(dòng)機(jī)工作溫區(qū)窄的缺陷。根據(jù)國(guó)際專(zhuān)利號(hào)WO 93/19494介紹，剪切壓電電動(dòng)機(jī)的工作原理為一系列剪切壓電致動(dòng)器(shear piezoelectric actuator)被彈力壓靠在待移動(dòng)物體的表面，它們以摩擦力夾住待移動(dòng)物體，若其中某一剪切壓電致動(dòng)器被通以電壓信號(hào)，它產(chǎn)生的切向形變使得它在待移動(dòng)物體上的接觸點(diǎn)沿切向滑移，但不會(huì)移動(dòng)整個(gè)待移動(dòng)物體因?yàn)閱蝹€(gè)剪切壓電致動(dòng)器滑移產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力不足以克服剩余的多個(gè)剪切壓電致動(dòng)器產(chǎn)生的總靜摩擦力，故可以先后一個(gè)個(gè)地使所有的剪切壓電致動(dòng)器朝著同一方向滑離原接觸點(diǎn)而不使待移動(dòng)物體移離原來(lái)位置，但是當(dāng)所有剪切壓電致動(dòng)器上的信號(hào)同時(shí)撤銷(xiāo)而導(dǎo)致所有剪切壓電致動(dòng)器形變同時(shí)復(fù)原時(shí)，待移動(dòng)物體將朝剪切壓電致動(dòng)器復(fù)原的方向移動(dòng)一步因?yàn)榇藭r(shí)所有剪切壓電致動(dòng)器將同時(shí)朝復(fù)原的方向?qū)Υ苿?dòng)物體產(chǎn)生相同方向的摩擦力，如此往復(fù)可一步步地推動(dòng)待移動(dòng)物體。
由于上述剪切壓電致動(dòng)器都是通過(guò)長(zhǎng)作用范圍的彈簧彈力夾住待移動(dòng)物體而不是以應(yīng)力直接夾住物體，故在溫差很大時(shí)也不會(huì)在剪切壓電致動(dòng)器和被夾物體間產(chǎn)生過(guò)大或過(guò)小的夾力，更不會(huì)導(dǎo)致剪切壓電致動(dòng)器碎裂。但是，這種剪切壓電電動(dòng)機(jī)依然有重大缺陷，包括需要至少四個(gè)剪切壓電致動(dòng)器才能夾住并一步步地推動(dòng)物體，這使得整個(gè)系統(tǒng)包括控制電路也更加復(fù)雜和昂貴；各壓電致動(dòng)器是分開(kāi)的，不利于壓電電動(dòng)機(jī)的微型化、集成、以及在小空間中的應(yīng)用；剪切壓電材料的切向推力一般較小，由此很難產(chǎn)生較大的推力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器、其控制方法及控制器，通過(guò)采用僅兩個(gè)壓電致動(dòng)器和合理利用摩擦力，克服現(xiàn)有壓電電動(dòng)機(jī)不能同時(shí)擁有大工作溫區(qū)、雙向大范圍行走、強(qiáng)推力、納米定位精度、小體積、易集成、成本低這些重要性能的缺點(diǎn)。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器沿形變方向以機(jī)械串聯(lián)的方式固定連接構(gòu)成各自獨(dú)立可控的二連體；所述二連體沿其形變方向以各壓電致動(dòng)器的中截面為界分為三個(gè)區(qū)，包括位于兩中截面之間的中區(qū)和分處在其兩側(cè)的左區(qū)及右區(qū)，設(shè)置與所述二連體在其形變方向上為滑動(dòng)配合的基體，在垂直于二連體形變方向上設(shè)置將二連體或固定于其上的受力墊與基體相壓的正壓力，二連體形變時(shí)在基體與二連體三個(gè)區(qū)中分別形成摩擦力，其中任一個(gè)區(qū)的最大靜摩擦力不大于其它兩個(gè)區(qū)最大靜摩擦力之和；
所述基體與二連體三個(gè)區(qū)之間的摩擦力形成在基體與二連體之間和/或基體與受力墊之間。
本發(fā)明雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也于所述二連體中左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的壓電體為分體設(shè)置。
所述二連體中左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的壓電體為整體設(shè)置。
設(shè)置套管結(jié)構(gòu)，所述套管結(jié)構(gòu)至少有如下兩種形式a、所述基體為外套管，所述二連體為平行套于其內(nèi)的桿狀二連體；b、所述二連體為外套管，所述基體為平行套于其內(nèi)的桿狀基體。
以所述基體為支撐體，二連體或受力墊安置在所述基體上，所述正壓力來(lái)自于二連體或受力墊的重力；或來(lái)自于二連體或受力墊與基體間的電磁力；或來(lái)自于二連體或受力墊與基體間的彈性?shī)A持力。
在所述二連體或受力墊上設(shè)置施力體，所述施力體是以其自身重力，或電磁力，或彈性?shī)A持力在二連體與基體之間或在受力墊與基體之間形成正壓力。
所述左區(qū)、右區(qū)和中區(qū)的最大靜摩擦力相等。
本發(fā)明雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器控制方法的特點(diǎn)是以如下時(shí)序分別控制左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器，完成驅(qū)動(dòng)器向右的一次步進(jìn)a、左壓電致動(dòng)器輸入收縮控制信號(hào)，同時(shí)右壓電致動(dòng)器輸入控制信號(hào)維持不變；b、左壓電致動(dòng)器輸入控制信號(hào)維持不變，同時(shí)右壓電致動(dòng)器輸入伸長(zhǎng)控制信號(hào)；c、左壓電致動(dòng)器輸入伸長(zhǎng)控制信號(hào)，同時(shí)右壓電致動(dòng)器輸入收縮控制信號(hào)。
本發(fā)明雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器的控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置波形發(fā)生器，波形發(fā)生器的輸出信號(hào)一路依次經(jīng)過(guò)緩沖器和半波整流器輸出控制電壓V1；另一路依次經(jīng)過(guò)緩沖器和由相移器與半波整流器串聯(lián)構(gòu)成的相移整流器之后，輸出控制電壓V2，設(shè)置相移器的相移為90度，以所述控制電壓V1和V2分別作為二連體中左右壓電致動(dòng)器的電極輸入信號(hào)。
本發(fā)明雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器的控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于設(shè)置波形發(fā)生器，波形發(fā)生器的輸出信號(hào)分成兩路，兩路信號(hào)首先經(jīng)過(guò)緩沖器，再經(jīng)過(guò)相移整流器分別輸出控制電壓V1和控制電壓V2，設(shè)置兩路相移整流器之間的相位差為90度，以所述控制電壓V1和V2分別作為二連體中左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器電極輸入信號(hào)。
本發(fā)明的雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)控制信號(hào)協(xié)同工作，分別加在左、右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的形變控制電極上，以高電壓代表伸長(zhǎng)控制信號(hào)而以低電壓代表收縮控制信號(hào)；或?qū)τ跇O性相反的壓電致動(dòng)器則是以低電壓代表伸長(zhǎng)控制信號(hào)而以高電壓代表收縮控制信號(hào)。這兩路控制信號(hào)可以來(lái)自一個(gè)信號(hào)發(fā)生器、波形發(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器的兩個(gè)通道，或來(lái)自?xún)蓚€(gè)相位差恒定的信號(hào)發(fā)生器、波形發(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器，也可以使用本發(fā)明控制器，將控制器的兩路控制信號(hào)分別加在左右壓電致動(dòng)器形變控制電極上。
本發(fā)明的工作原理為二連體中的左壓電致動(dòng)器被通以收縮控制信號(hào)而開(kāi)始收縮，此時(shí)右壓電致動(dòng)器狀態(tài)不變。此時(shí)二連體中的左區(qū)被應(yīng)力拉向中區(qū)，因作用力與反作用力原理，中區(qū)也同時(shí)被拉向左區(qū)，但中區(qū)連接著暫無(wú)內(nèi)應(yīng)力的右區(qū)，由于左壓電致動(dòng)器的內(nèi)應(yīng)力大于左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)在基體上的最大靜摩擦力，那么最后總有一個(gè)區(qū)要被拉動(dòng)，因?yàn)橹挥邪l(fā)生了形變才能減緩左壓電致動(dòng)器的內(nèi)應(yīng)力，到底誰(shuí)被拉動(dòng)就要看左、中、右區(qū)各自最大靜摩擦力的大小和方向；設(shè)二連體被壓于基體上導(dǎo)致左、中和右區(qū)都受到壓力作用且左區(qū)與基體的最大靜摩擦力小于中區(qū)和右區(qū)與基體的最大靜摩擦力之和，那么左區(qū)將被中區(qū)和右區(qū)聯(lián)合起來(lái)向右拉動(dòng)，二連體的質(zhì)心右移。
接著，右壓電致動(dòng)器被加以伸長(zhǎng)控制信號(hào)開(kāi)始伸長(zhǎng)，而左壓電致動(dòng)器狀態(tài)不變，因設(shè)定右區(qū)與基體的最大靜摩擦力小于中區(qū)和左區(qū)與基體最大靜摩擦力之和，那么右區(qū)將被中區(qū)和左區(qū)聯(lián)合起來(lái)向右推動(dòng)，二連體的質(zhì)心進(jìn)一步右移。
再接著，左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器上的控制信號(hào)同時(shí)復(fù)原，即左壓電致動(dòng)器伸長(zhǎng)、同時(shí)右壓電致動(dòng)器收縮，設(shè)定中區(qū)與基體的最大靜摩擦力小于左區(qū)和右區(qū)與基體最大靜摩擦力之和，那么中區(qū)被左區(qū)和右區(qū)聯(lián)合起來(lái)推向右方導(dǎo)致二連體的質(zhì)心進(jìn)一步右移；至此，左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器恢復(fù)原狀，但整個(gè)二連體的質(zhì)心已經(jīng)右移。重復(fù)以上過(guò)程即可不停地推動(dòng)二連體向右移動(dòng)。
上述左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)與基體間的最大靜摩擦力的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)靜摩擦系數(shù)、壓力以及該壓力的作用面積來(lái)滿足上述最大靜摩擦力關(guān)系使二連體的質(zhì)心右移。
類(lèi)似地，可以通過(guò)改變左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器上的控制信號(hào)順序使得二連體的形變順序?yàn)樽髩弘娭聞?dòng)器伸長(zhǎng)而右壓電致動(dòng)器不變-左壓電致動(dòng)器不變而右壓電致動(dòng)器收縮-左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器同時(shí)復(fù)原，從而向左移動(dòng)并可以往復(fù)進(jìn)行產(chǎn)生步進(jìn)。
二連體的左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)上可固定受力墊，以受力墊與基體以壓力相互作用，該受力墊在其與基體摩擦力方向上必須足夠地硬使其在該摩擦力作用下的形變小于該二連體中各壓電致動(dòng)器的形變，才使其能憑借各壓電致動(dòng)器的形變?cè)诨w上小步距地滑移行走。受力墊的作用包括1、保護(hù)二連體與基體使其在摩擦作用下?lián)p壞?。?、定義二連體各區(qū)與基體壓力的作用面積；3、通過(guò)材料的選擇，設(shè)置二連體各區(qū)與基體間的靜摩擦系數(shù)；
4、受力墊與基體的壓力可以來(lái)自原先二連體各區(qū)與基體的壓力，也可來(lái)自受力墊本身對(duì)基體產(chǎn)生的作用力，包括受力墊重力、電磁力、彈性?shī)A持力，還可來(lái)自外在施力體將受力墊壓向基體的壓力，或來(lái)自基體對(duì)受力墊的彈性?shī)A持力，這豐富了實(shí)現(xiàn)上述產(chǎn)生步進(jìn)的最大靜摩擦力關(guān)系的手段。
滿足上述產(chǎn)生步進(jìn)的最大靜摩擦力關(guān)系的方法有很多種，包括根據(jù)最大靜摩擦力公式最大靜摩擦力＝壓力×靜摩擦系數(shù)，選擇能滿足上述最大靜摩擦力關(guān)系的壓力和靜摩擦系數(shù)來(lái)制成施力體、基體和/或受力墊；上述最大靜摩擦力公式只是一個(gè)近似公式，實(shí)際最大靜摩擦力還與壓力作用面積有關(guān)。故，可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓力，靜摩擦系數(shù)和/或壓力作用面積來(lái)滿足上述最大靜摩擦力關(guān)系。
本發(fā)明控制器的工作原理為波形發(fā)生器產(chǎn)生周期性的過(guò)零方波、正弦波、三角波或梯形波信號(hào)，該信號(hào)在同時(shí)經(jīng)過(guò)兩個(gè)緩沖器緩沖后形成兩路可獨(dú)立處理的信號(hào)而不會(huì)相互影響，其中的一路輸出至半波整流器形成半個(gè)周期的信號(hào)而另半個(gè)周期的信號(hào)為維持低電平信號(hào)，構(gòu)成第一路控制信號(hào)，另一路緩沖器輸出至相移設(shè)為90度的相移整流器，經(jīng)90度相移和半波整流后形成第二路控制信號(hào)，其中90度相移和半波整流的次序可以對(duì)調(diào)，得到第二路控制信號(hào)；兩路控制信號(hào)被分別用于控制左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的形變，二者波形相同，相位相差90度，這使得二者之間有1/4周期是第一路上升同時(shí)第二路下降，這一階段對(duì)應(yīng)于左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器同時(shí)形變復(fù)原，該1/4周期兩側(cè)的兩個(gè)1/4周期分別為第一路維持不變同時(shí)第二路上升和第二路維持不變同時(shí)第一路下降，分別對(duì)應(yīng)于左壓電致動(dòng)器維持原狀同時(shí)右壓電致動(dòng)器伸長(zhǎng)和右壓電致動(dòng)器維持原狀同時(shí)左壓電致動(dòng)器收縮。以此實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器功能。
左右壓電致動(dòng)器上的伸長(zhǎng)和收縮信號(hào)也可以對(duì)調(diào)，實(shí)現(xiàn)反向移動(dòng)。上面是用一個(gè)90度相移器實(shí)現(xiàn)第一、第二路控制信號(hào)之間的90度相移，也可在上述兩個(gè)緩沖器之后各接一個(gè)相移整流器并使得該兩個(gè)相移整流器相互之間的相移為90度，同樣可使第一、第二路控制信號(hào)之間相移90度。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明工作溫區(qū)大由于二連體中左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器與基體之間的壓力為重力、彈力、電磁力等長(zhǎng)作用范圍力，即使在溫度變化很大時(shí)也不會(huì)在各壓電致動(dòng)器與基體之間產(chǎn)生過(guò)小或過(guò)大的壓力導(dǎo)致打滑不走或壓損毀；2、本發(fā)明行程大原則上只要往復(fù)不停步進(jìn)，行程可無(wú)窮長(zhǎng)，實(shí)際應(yīng)用將受限于基體長(zhǎng)度；
3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單僅僅依靠?jī)蓚€(gè)壓電致動(dòng)器即可實(shí)現(xiàn)行走，控制信號(hào)也僅需兩個(gè)即可；4、本發(fā)明易于微型化和集成因左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器不是分開(kāi)的，而是固定連接成一體，且所需控制信號(hào)少(僅兩個(gè))，非常易于做小和集成；5、本發(fā)明成本低通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，更少地使用壓電致動(dòng)器使成本得以降低；6、本發(fā)明推力大二連體各區(qū)中僅一個(gè)區(qū)的摩擦力f1是阻力，另兩個(gè)區(qū)的摩擦力f2、f3之和為抵住二連體不讓其倒退的抵抗力，并非阻力。設(shè)左右壓電致動(dòng)器的最大推力均為F0，則本發(fā)明的推力F為F0克服阻力后的凈推力F0-f1與凈抵抗力f2+f3-f1之間的小者。使各區(qū)的摩擦力相等并增大可提高F，但過(guò)大會(huì)因阻力大而減小F，最大推力發(fā)生在f1＝f2＝f3＝F0/2時(shí)，此時(shí)F＝F0/2可以高達(dá)上千牛頓；7、本發(fā)明可工作于雙向?qū)?bipolar antagonistic)的主動(dòng)回置(active reset)模式以消除因突然變速引起的毀壞性?xún)?nèi)振動(dòng)，這也是現(xiàn)有壓電電動(dòng)機(jī)所不具備的；8、本發(fā)明適用于各種極端物理?xiàng)l件極低溫、超高真空、強(qiáng)磁場(chǎng)，超低噪音，因?yàn)闃O端物理?xiàng)l件一般只能保持在很小的空間內(nèi)，而本發(fā)明正好適于小體積應(yīng)用且可做成與各極端條件相兼容。
9、使用本發(fā)明控制器的成本比使用其它已經(jīng)商品化的信號(hào)發(fā)生器、波形發(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器要低得多，因前者只產(chǎn)生選定的波形，且其兩路控制信號(hào)不是獨(dú)立的，只是兩個(gè)相互90度相移了的信號(hào)。
10、本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用前景，隨著納米科技的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的將壓電電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于基因操縱、納米器件、微加工、微型機(jī)器人，特別是極端物理?xiàng)l件下的掃描探針顯微鏡技術(shù)，這常常需要使用能同時(shí)具備工作溫度區(qū)大、推力大、體積小、行程大、控制簡(jiǎn)單，定位精度高的壓電電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)有技術(shù)不能同時(shí)提供這些要求。本發(fā)明可解決這一難題，且制作成本很低。


圖1A是本發(fā)明二連體基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1B是本發(fā)明分電極二連體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1C是本發(fā)明采用疊堆式二連體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明基本型驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明施力體型驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明受力墊型驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明管型二連體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明控制器電路原理示意圖。
圖7是本發(fā)明控制器輸出波形示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1形變方向、2A左壓電致動(dòng)器、2B右壓電致動(dòng)器、3連接體、4二連體、5A左區(qū)、5B右區(qū)、5C中區(qū)、6基體、7施力體、8受力墊。
以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，結(jié)構(gòu)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述具體實(shí)施方式
實(shí)施例1基本型雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器參見(jiàn)圖1A，左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器沿形變方向1以機(jī)械串聯(lián)(mechanically in series)的方式固定連接于連接體3上，構(gòu)成各自獨(dú)立可控的二連體4；或如圖1B將一個(gè)壓電致動(dòng)器的電極一分為二形成兩個(gè)分別稱(chēng)為左壓電致動(dòng)器2A和右壓電致動(dòng)器2B的沿原形變方向1形變、且與連接體3為整體構(gòu)件的壓電致動(dòng)器，構(gòu)成二連體4。所述形變是指壓電形變。
如圖1A和1B所示，左壓電致動(dòng)器2A和右壓電致動(dòng)器2B沿其形變方向分別以各自的中截面為界，將二連體分為三個(gè)區(qū)，包括位于兩中截面之間的中區(qū)5C和分處在其兩側(cè)的左區(qū)5A及右區(qū)5B；二連體中各電極的位置和形狀可以任意，但要保證左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器在同一方向上各自的形變獨(dú)立可控，例如圖1A和圖1B給出的二連體4，其左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器為塊狀，各壓電致動(dòng)器的一對(duì)電極E1、E2和E3、E4分別位于各壓電致動(dòng)器相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面，而圖1C給出的二連體4，其左壓電致動(dòng)器2A和右壓電致動(dòng)器2B均為壓電疊堆(piezo stack)致動(dòng)器，它們各自的一對(duì)電極E1、E2和E3、E4分別為兩組相互穿插的平行連通電極；其它類(lèi)型的壓電致動(dòng)器包括片狀(piezo plate)、管狀、柱狀、環(huán)狀、剪切壓電(shear piezo)及其組合均可用來(lái)構(gòu)筑本實(shí)施例中的二連體，只要其左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器在同一方向上各自形變獨(dú)立可控即可。左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的大小、形狀不限，只是太小的左、右壓電致動(dòng)器其形變也小，做成的壓電電動(dòng)機(jī)的步距和推力較小。上述左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器上可各自獨(dú)立加控制電壓，也可將左壓電致動(dòng)器的一個(gè)電極同右壓電致動(dòng)器的一個(gè)電極之間電連接構(gòu)成電壓公共端而在各壓電致動(dòng)器的另一個(gè)電極上加控制電位。
接著，將上述二連體的左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)與基體之間以壓力相互作用，通過(guò)調(diào)節(jié)上述各區(qū)與基體之間壓力的大小、靜摩擦系數(shù)的大小和/或壓力作用面積的大小以滿足其中任一區(qū)與基體的最大靜摩擦力不大于其它兩個(gè)區(qū)最大靜摩擦力之和。
調(diào)節(jié)二連體各區(qū)與基體之間壓力的大小可以使用下列方法或其組合1、如圖2，以左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)自身的重量壓于基體上；
2、如圖3，在左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)上設(shè)置施力體7，以其重力調(diào)節(jié)所述區(qū)與基體的壓力；3、如圖3，在左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)與基體間安裝彈性體作為施力體7將各區(qū)壓于基體上；4、如圖3，在左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)上安裝與基體之間有電磁力作用的施力體7將各區(qū)壓于基體上；5、以基體的一部分將左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)壓于基體上，即施力體與基體為一體。
6、如圖4，在左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)上固定受力墊8，以受力墊8與基體相壓并通過(guò)調(diào)節(jié)該壓力來(lái)滿足上述最大靜摩擦力關(guān)系，該壓力可來(lái)自其所在區(qū)原先與基體的壓力，也可來(lái)自受力墊本身對(duì)基體產(chǎn)生的作用力包括受力墊重力、電磁力、彈性?shī)A持力，還可來(lái)自外施力體將受力墊壓于基體的壓力，或來(lái)自基體對(duì)受力墊的彈性?shī)A持力；該受力墊在其與基體摩擦力方向上足夠硬使其在該摩擦力作用下的形變小于該二連體中各壓電致動(dòng)器的形變。
調(diào)節(jié)二連體各區(qū)與基體之間靜摩擦系數(shù)的大小可以使用下列方法或其組合1、選用能滿足上述最大靜摩擦力關(guān)系的材料制作基體、二連體、和/或受力墊；2、在左區(qū)、中區(qū)、右區(qū)和/或受力墊與基體的接觸處加能滿足上述最大靜摩擦力關(guān)系的潤(rùn)滑劑；3、使用能滿足上述最大靜摩擦力關(guān)系的粗糙度制成左區(qū)、中區(qū)、右區(qū)和/或受力墊與基體相壓的接觸面。
調(diào)節(jié)二連體各區(qū)與基體之間壓力作用面積的大小可以使用如下方法以滿足上述最大靜摩擦力關(guān)系的接觸面積使基體與左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)二連體和/或受力墊相壓。
工作原理如圖2，將二連體4以其自身重力或外壓力壓到基體6上，并且在該二連體的左區(qū)5A、中區(qū)5C和右區(qū)5B都與基體6有壓力作用；通過(guò)選擇左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)與基體6之間壓力的大小、壓力作用面積SA和SC和SB的大小和/或靜摩擦系數(shù)的大小使得左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)中任何一個(gè)區(qū)與基體的最大靜摩擦力都不大于另兩區(qū)與基體的最大靜摩擦力之和。工作時(shí)，左壓電致動(dòng)器2A被加以收縮控制信號(hào)而右壓電致動(dòng)器2B狀態(tài)不變，在收縮應(yīng)力的作用下左區(qū)5A被中區(qū)5C和右區(qū)5B的摩擦力聯(lián)合起來(lái)拉向右方，因?yàn)樽髤^(qū)5A的最大靜摩擦力小于中區(qū)5C和右區(qū)5B的最大靜摩擦力之和，左壓電致動(dòng)器2A質(zhì)心右移；接著右壓電致動(dòng)器2B被加以伸長(zhǎng)信號(hào)而左壓電致動(dòng)器2A狀態(tài)不變，在右壓電致動(dòng)器2B伸長(zhǎng)應(yīng)力的作用下右區(qū)5B被中區(qū)5C和左區(qū)5A的摩擦力聯(lián)合起來(lái)推向右方，因?yàn)橛覅^(qū)5B的最大靜摩擦力小于中區(qū)5C和左區(qū)5A的最大靜摩擦力之和，右壓電致動(dòng)器2B質(zhì)心右移；接著左壓電致動(dòng)器2A被加以伸長(zhǎng)信號(hào)而同時(shí)右壓電致動(dòng)器2B被加以收縮信號(hào)，二連體4狀態(tài)復(fù)原，這時(shí)，二連體4的中區(qū)5C因其最大靜摩擦力小于左區(qū)5A和右區(qū)5B最大靜摩擦力之和，將向右移動(dòng)；至此，二連體4形變已復(fù)原但質(zhì)心已右移，如此重復(fù)可推動(dòng)二連體4一步步右行。類(lèi)似地，如果左右壓電致動(dòng)器的形變順序?yàn)樽髩弘娭聞?dòng)器伸長(zhǎng)而右壓電致動(dòng)器不變-左壓電致動(dòng)器不變而右壓電致動(dòng)器收縮-左右壓電致動(dòng)器同時(shí)復(fù)原，二連體4質(zhì)心向左移，如此重復(fù)可推動(dòng)二連體一步步左行。
上述為二連體各區(qū)最大靜摩擦力都小于另兩區(qū)最大靜摩擦力之和的情形。若二連體中左區(qū)、中區(qū)和右區(qū)中有一個(gè)區(qū)的最大靜摩擦力等于(而非小于)另兩個(gè)區(qū)最大靜摩擦力之和，則該區(qū)在應(yīng)力作用下被另兩個(gè)區(qū)聯(lián)合拉動(dòng)時(shí)也同樣會(huì)反向拉動(dòng)另兩個(gè)區(qū)的聯(lián)合使得二連體質(zhì)心移動(dòng)不大，但是該區(qū)的最大靜摩擦力同另兩個(gè)區(qū)中任何一個(gè)區(qū)的最大靜摩擦力相加必定大于剩下那個(gè)區(qū)的最大靜摩擦力，所以該剩下那個(gè)區(qū)總會(huì)被拉動(dòng)而不會(huì)反向拉動(dòng)其余兩個(gè)區(qū)的聯(lián)合，故在左形變右不變-右反向形變左不變-左右同時(shí)復(fù)原這三步中雖有一步對(duì)二連體的質(zhì)心移動(dòng)貢獻(xiàn)不大，但另兩步依然有貢獻(xiàn)，這同樣能使二連體每一步的總位移不為零，使二連體朝設(shè)定方向移動(dòng)。當(dāng)二連體各區(qū)的最大靜摩擦力相等時(shí)，行走步子大而有力，驅(qū)動(dòng)效率高。
具體實(shí)施中，通過(guò)調(diào)節(jié)各區(qū)與基體間壓力、靜摩擦系數(shù)、壓力作用面積來(lái)滿足摩擦力關(guān)系。
實(shí)施例2施力體型驅(qū)動(dòng)器如果以二連體本身的重力作為它在基體上的壓力來(lái)產(chǎn)生摩擦力進(jìn)而產(chǎn)生推動(dòng)力，這種推動(dòng)力往往比較小，不能滿足很多實(shí)際的需要，特別是需要在豎直方向驅(qū)動(dòng)時(shí)。本實(shí)施例是通過(guò)添加施力體，以施力體將二連體的左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)壓靠到基體上，這使二連體對(duì)基體產(chǎn)生更大的壓力以產(chǎn)生更大的摩擦力，進(jìn)而產(chǎn)生更大的推力。
如圖3，將二連體4置于基體6上并在二連體4的左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)上作用以施力體7，該施力體7以彈力、重力和/或電磁力將二連體4壓到基體6上并且使得二連體4在它的左區(qū)5A、中區(qū)5C和右區(qū)5B都和基體6有壓力作用。各區(qū)上的施力體可為一體或分開(kāi)的不同物體或?yàn)榛w的一部分，工作原理同實(shí)施例1。
實(shí)施例3受力墊型驅(qū)動(dòng)器如圖4，本實(shí)施例是在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上在二連體4的左區(qū)5A、中區(qū)5C和/或右區(qū)5B上固定受力墊8并以受力墊8與基體6以壓力作用，用以保護(hù)二連體4或基體6，改變各區(qū)與基體6之間的壓力、改變?cè)搲毫Φ淖饔妹娣e、改變靜摩擦系數(shù)，總之可調(diào)節(jié)二連體4各區(qū)與基體6之間的最大靜摩擦力。該受力墊8與基體6之間的壓力來(lái)自其所在區(qū)原先與基體的壓力，也可來(lái)自其本身對(duì)基體產(chǎn)生的作用力包括其重力、電磁力、彈性?shī)A持力，還可來(lái)自外施力體將其壓于基體的壓力，或來(lái)自基體對(duì)其的彈性?shī)A持力。
該受力墊8的硬度和形變方向須使得該受力墊8在其與基體6之間摩擦力作用下沿該摩擦力方向的形變小于左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的形變，否則該受力墊8就不能憑借左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的形變?cè)诨w6上滑移行走。
實(shí)施例4筒型基體驅(qū)動(dòng)器本實(shí)施例是在上述的基礎(chǔ)上將基體制成筒形并將二連體套在其內(nèi)，見(jiàn)圖4，基體6和施力體7為一個(gè)筒形整體，并將二連體4套于其內(nèi)。左區(qū)5A、中區(qū)5C和/或右區(qū)5B上還可固定與筒形基體6的內(nèi)壁有壓力作用的受力墊8。
實(shí)施例5管型驅(qū)動(dòng)器如圖5，將兩個(gè)共軸的且沿軸線方向伸縮獨(dú)立可控的管狀壓電致動(dòng)器2A、2B前后固定連接構(gòu)成中空的二連體4，基體6為穿過(guò)該二連體4的軸桿。二連體致動(dòng)器4的左區(qū)、中區(qū)和/或右區(qū)上還可固定與基體6有壓力作用的受力墊8。
實(shí)施例6控制器參見(jiàn)圖6，波形發(fā)生器WG產(chǎn)生周期性的過(guò)零方波、正弦波、三角波或梯形波，該波形被同時(shí)輸給第一緩沖器BUF1和第二緩沖器BUF2，被他們緩沖后形成兩路可獨(dú)立處理的信號(hào)而不會(huì)相互影響，其中第一緩沖器BUF1輸出至第一半波整流器RT1以保留半個(gè)周期的信號(hào)并維持另半個(gè)周期的信號(hào)為低電平信號(hào)，構(gòu)成第一路控制信號(hào)V1，第二緩沖器BUF2輸出至由相移器PS和第二整流器RT2串聯(lián)構(gòu)成的相移整流器PR，其中相移器PS和第二整流器RT2的位置可以互換，相移器PS的相移設(shè)為90度，第二緩沖器BUF2信號(hào)經(jīng)90度相移和半波整流后形成第二路控制信號(hào)V2。
上面是用一個(gè)90度相移器實(shí)現(xiàn)第一、第二路控制信號(hào)之間的90度相移，也可將上述第一緩沖器BUF1和第二緩沖器BUF2分別輸出至兩個(gè)相移整流器并使得該兩個(gè)相移整流器相互之間的相位差為90度，由該兩個(gè)相移整流器分別給出的第一、第二路控制信號(hào)，這同樣能實(shí)現(xiàn)整流和90度相移。
兩路控制信號(hào)V1和V2用于分別控制左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的形變，二者波形相同，相位相差90度，二者之間形成如圖7所示的有1/4周期T2是第一路上升U2同時(shí)第二路下降D2，這一階段對(duì)應(yīng)于左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器同時(shí)形變復(fù)原，該1/4周期T2兩側(cè)的兩個(gè)1/4周期T1、T3分別為第一路維持不變同時(shí)第二路上升和第二路維持不變同時(shí)第一路下降，分別對(duì)應(yīng)于左壓電致動(dòng)器維持原狀同時(shí)右壓電致動(dòng)器伸長(zhǎng)和右壓電致動(dòng)器維持原狀同時(shí)左壓電致動(dòng)器收縮。實(shí)現(xiàn)了二連體的移動(dòng)。左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器上的伸長(zhǎng)和收縮信號(hào)對(duì)調(diào)可實(shí)現(xiàn)反向移動(dòng)。
本實(shí)施例是以上升信號(hào)代表伸長(zhǎng)，以下降信號(hào)代表收縮；對(duì)于極性相反的壓電致動(dòng)器也可以以上升信號(hào)作為收縮控制信號(hào)，以下降信號(hào)作為伸長(zhǎng)控制信號(hào)。
本實(shí)施例的波形是以三角波為例的，但也適用于周期性的過(guò)零正弦波、方波和梯形波。
具體實(shí)施中還包括壓電致動(dòng)器均為壓電材料制成的壓電體，可以是片狀(piezo plate)、塊狀、管狀、柱狀、環(huán)狀、壓電疊堆(piezo stack)、剪切壓電(shear piezo)致動(dòng)器及其組合。
伸長(zhǎng)和收縮是壓電致動(dòng)器形變的兩種相對(duì)的形變狀態(tài)，可以是長(zhǎng)度的變化，也可以是角度的變化，比如剪切壓電致動(dòng)器就屬于后者。
左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器各電極的位置和形狀可以任意，只要保證左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器在同一方向上各自的形變獨(dú)立可控。
施力體為能產(chǎn)生壓力的物體。
施力體和基體可以是同一物體的不同部分也可以是不同物體。
權(quán)利要求
1.雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征是左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器沿形變方向以機(jī)械串聯(lián)的方式固定連接構(gòu)成各自獨(dú)立可控的二連體；所述二連體沿其形變方向以各壓電致動(dòng)器的中截面為界分為三個(gè)區(qū)，包括位于兩中截面之間的中區(qū)和分處在其兩側(cè)的左區(qū)及右區(qū)，設(shè)置與所述二連體在其形變方向上為滑動(dòng)配合的基體，在垂直于二連體形變方向上設(shè)置將二連體或固定于其上的受力墊與基體相壓的正壓力，二連體形變時(shí)在基體與二連體三個(gè)區(qū)中分別形成摩擦力，其中任一個(gè)區(qū)的最大靜摩擦力不大于其它兩個(gè)區(qū)最大靜摩擦力之和；所述基體與二連體三個(gè)區(qū)之間的摩擦力形成在基體與二連體之間和/或基體與受力墊之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征是所述二連體中左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的壓電體為分體設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征是所述二連體中左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的壓電體為整體設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征是設(shè)置套管結(jié)構(gòu)，所述套管結(jié)構(gòu)至少有如下兩種形式a、所述基體為外套管，所述二連體為平行套于其內(nèi)的桿狀二連體；b、所述二連體為外套管，所述基體為平行套于其內(nèi)的桿狀基體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征是以所述基體為支撐體，二連體或受力墊安置在所述基體上，所述正壓力來(lái)自于二連體或受力墊的重力；或來(lái)自于二連體或受力墊與基體間的電磁力；或來(lái)自于二連體或受力墊與基體間的彈性?shī)A持力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征是在所述二連體或受力墊上設(shè)置施力體，所述施力體是以其自身重力，或電磁力，或彈性?shī)A持力在二連體與基體之間或在受力墊與基體之間形成正壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征是所述左區(qū)、右區(qū)和中區(qū)的最大靜摩擦力相等。
8.一種權(quán)利要求1所述雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器的控制方法，其特征是以如下時(shí)序分別控制左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器，完成驅(qū)動(dòng)器向右的一次步進(jìn)a、左壓電致動(dòng)器輸入收縮控制信號(hào)，同時(shí)右壓電致動(dòng)器輸入控制信號(hào)維持不變；b、左壓電致動(dòng)器輸入控制信號(hào)維持不變，同時(shí)右壓電致動(dòng)器輸入伸長(zhǎng)控制信號(hào)；c、左壓電致動(dòng)器輸入伸長(zhǎng)控制信號(hào)，同時(shí)右壓電致動(dòng)器輸入收縮控制信號(hào)。
9.一種權(quán)利要求1所述雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器的控制器，其特征是設(shè)置波形發(fā)生器，波形發(fā)生器的輸出信號(hào)一路依次經(jīng)過(guò)緩沖器和半波整流器輸出控制電壓V1；另一路依次經(jīng)過(guò)緩沖器和由相移器與半波整流器串聯(lián)構(gòu)成的相移整流器之后，輸出控制電壓V2，設(shè)置相移器的相移為90度，以所述控制電壓V1和V2分別作為二連體中左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器的電極輸入信號(hào)。
10.一種權(quán)利要求1所述雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器的控制器，其特征是設(shè)置波形發(fā)生器，波形發(fā)生器的輸出信號(hào)分成兩路，兩路信號(hào)首先經(jīng)過(guò)緩沖器，再經(jīng)過(guò)相移整流器分別輸出控制電壓V1和控制電壓V2，設(shè)置兩路相移整流器之間的相位差為90度，以所述控制電壓V1和V2分別作為二連體中左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器電極輸入信號(hào)。
全文摘要
雙壓電體線性納米定位壓電驅(qū)動(dòng)器、其控制方法及控制器，其特征是左右兩個(gè)壓電致動(dòng)器沿形變方向以機(jī)械串聯(lián)的方式固定連接構(gòu)成各自獨(dú)立可控的二連體；二連體沿其形變方向分為中區(qū)、左區(qū)及右區(qū)，設(shè)置與二連體在其形變方向上滑動(dòng)配合的基體，在垂直于二連體形變方向上設(shè)置將二連體或固定于其上的受力墊與基體相壓的正壓力，在基體與二連體三個(gè)區(qū)中分別形成摩擦力，其中任一個(gè)區(qū)的最大靜摩擦力不大于其它兩個(gè)區(qū)最大靜摩擦力之和。本發(fā)明僅需兩個(gè)壓電致動(dòng)器，一體化結(jié)構(gòu)，易于微型化和集成，雙向可控行走，推力大，工作溫區(qū)大，行程大，精度高，還適合于在超低溫、超高真空、強(qiáng)磁場(chǎng)等極端物理環(huán)境中工作。
文檔編號(hào)H01L41/09GK1996737SQ20061016147
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者陸輕鈾, 侯玉斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)