[发明专利]融合切变压电致动器复合驱动模式的压电直线马达

说明书

技术领域

本发明涉及压电马达微纳米精密驱动技术，尤其涉及一种融合切变压电致动器的复合压电驱动定子结构和微、纳米复合驱动模式的压电直线马达及其制备方法。

背景技术

压电马达是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅谐振动转换为运动体宏观的旋转或直线运动，从而直接推动负载。压电马达具有结构紧凑、体积小等优点，得到了广泛运用。压电马达主要包括谐振压电换能器和滑动组件。压电换能器称为定子、滑动组件中可运动部件称为动子。压电换能器在谐振频率下将输入的电能转换为定子的特定微观运动的机械能；滑动组件通过摩擦获得机械能，使动子产生宏观旋转或直线运动。

目前，直线压电马达换能器普遍采用一阶伸长二阶弯曲模式(L1B2)、同形的一阶面内弯曲模式(B1B1)、以及面内一阶等谐振动模式(M.Guo,et al.,IEEE UFFC,2010,57(2596)；P.Ci,et al.,IEEE UFFC,2014,61(159)；Z.Chen,et al.,IEEE UFFC,2013,60(115))。以L1B2谐振模式的压电马达为例，施加特定高频率的交流电压，使压电马达换能器工作在第一阶纵向谐振模式(L1)和第二阶弯曲谐振模式(B2)，通过产生的第一阶纵向谐振和第二阶弯曲谐振耦合简并合成微观的椭圆轨迹运动，再通过椭圆运动和接触摩擦推动滑块组件中的动子做宏观直线运动。压电直线马达可广泛应用于线性精密定位，如镜头变焦、聚焦驱动等。但是，现有采用的L1B2谐振模式的直线压电马达存在以下的问题：压电马达为了实现快速、长行程直线运动，其压电换能器定子需要工作在谐振模式下，而谐振时压电马达换能器因高频下谐振动，导致压电马达驱动速度过快，难以实现亚微米、纳米尺度的精密定位。

压电致动器是一种利用压电工作原理、在压电元件上施加直流电压可直接产生亚微米和纳米的微位移和驱动，因而可用于微纳米精密定位与驱动。但是其缺点是：在直流或交流电压驱动下，压电致动器只能产生小的应变或微位移，或简单的微纳米范围的线性往复位移；不能产生循环往复的椭圆运动和实现宏观的连续直线运动。

综上所述，现有的压电马达换能器一般采用谐振的工作模式，即通过施加一特定频率的交流电压，通过激发压电换能器定子工作在高频谐振动模态，获得所需要的微观的、循环往复的椭圆质点运动，最终通过滑动组件中的动子获得连续的宏观直线运动。但工作在高频谐振模态的压电马达很难产生亚微米和纳米运动。即使通过某些特殊的控制方法可以产生亚微米或纳米运动，但一般是以丧失动子驱动力为代价的。而压电致动器工作在直流电压下可产生简单压电应变，虽然可以产生亚微米、纳米微位移和大的驱动力，但却不能产生宏观的连续直线运动。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种融合了切变压电致动器的复合驱动模式的压电直线马达及其制备方法。所说的压电直线马达拥有一个复合压电定子，包括一个谐振压电换能器和一个直流切变压电致动器；所说的压电马达可以根据工作需要工作在谐振驱动、直流驱动或复合驱动模式，不仅可以产生宏观的连续直线运动，还可以产生亚微米和纳米运动以及产生大的驱动力。本发明的压电直线马达，具有结构简单、制作方便等特点，可有效克服现有压电直线马达的不足。

本发明的原理是：发明一种包括切变压电致动器与谐振模式压电换能器的复合结构压电定子和复合驱动模式的压电直线马达；压电直线马达的复合结构压电定子可以工作在谐振或直流驱动模式；当压电马达需要产生宏观的大行程位移时，启动压电复合定子的压电换能器部分，使其工作在交流电压下的特定频率的谐振模式；当压电马达需要产生亚微米、纳米微位移时，启动压电复合定子的切变压电致动器部分，在直流工作电压下可以产生所需要的微纳米精密运动和同时产生大的驱动力。本发明提供了一种融合切变压电致动器与谐振压电换能器的复合定子结构压电马达，有效弥补了现有谐振模式压电直线马达在微位移方面的缺陷。

本发明提供的技术方案是：