CN104393786B - 一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种利用滑杆惯性产生步进的单端夹持的压电马达，包括压电扫描管，基座，滑杆，传力块(两个刚性传力块和一个可调柔性传力块)。压电扫描管固定站立于基座上，在压电扫描管上面自由端设置传力块，通过传力块设置滑杆与压电扫描管自由端之间的正压力，正压力对滑杆的产生的摩擦力满足：压电扫描管自由端传力块对滑杆的正压力所产生的最大静摩擦力刚好略大于滑杆的重力。本发明结构简单、紧凑和牢固，驱动力很大，非常适合于在极低温和强磁场等对压电结构和材料要求比较严格的极端条件下使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种微驱动***，特别涉及一种基于压电效应的微型压电马达，属于压电***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***，主要利用压电陶瓷、电致伸缩材料的声震动和微小变形将电能转换为机械部件移动。由于具有纳米级定位精度、毫米级行程、结构简单牢固，驱动力大等优点，被广泛应用于纳米技术、微机械和微***、通讯传感技术、半导体技术、光电子技术、电子扫描技术、微生物技术和航空航天等领域，特别是极低温和超强磁场等极端条件下的纳米科学研究中的理想定位装置。
目前使用较为广泛的压电马达由美国加州大学的S.H.Pan发明，具体是利用六个具有剪切压电效应的压电叠堆的依次形变来推动固定于中心的滑竿上下移动，存在的缺陷是需要六个独立的较高电压信号才能驱动，对驱动设备的要求较高，而且此款压电马达的加工制作较为复杂。B.L.Blackford和F.Mugele等人发明的惯性压电马达，利用磁体产生的磁场将滑块固定在轨道上，然后脉冲电压信号和滑块的惯性驱动压电马达步进，这种惯性压电马达的缺陷是引入了磁场来固定滑块，不适宜在磁力显微镜和强磁场等对马达结构材料具有要求的环境中使用。
发明内容
为了解决现有压电马达所存在的问题，本发明提供了一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达，利用一路较低电压信号即可产生较大驱动能力，大大降低了压电马达的复杂性和制造成本。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种利用滑杆惯性产生步进的单端夹持压电马达，包括压电扫描管，基座，滑杆和传力块，所述压电扫描管固定站立于基座上，在压电扫描管上面自由端设置传力块，通过传力块设置滑杆与压电扫描管自由端之间的正压力，正压力对滑杆的产生的摩擦力满足：压电扫描管自由端传力块对滑杆的正压力所产生的最大静摩擦力刚好略大于滑杆的重力。
作为本发明的进一步改进，所述传力块分为刚性传力块和柔性传力块，所述滑杆通过增设的刚性传力块与压电扫描管结构的自由端刚性相压，通过增设的可调柔性传力块与压电扫描管结构的自由端柔性相压。
作为本发明的进一步改进，所述刚性传力块为石英棒，所述柔性传力块为铍铜弹簧片。
作为本发明的进一步改进，刚性传力块为石英棒。
作为本发明的进一步改进，所述压电扫描管为一体设置。
作为本发明的进一步改进，在压电扫描管自由端与滑杆间增设固定于该压电体自由端的刚性传力块和可调柔性传力块，通过可调柔性传力块可以调整其对滑杆的正压力大小，刚性传力块必须在压电扫描管结构上相对于可调柔性传力块位置的另一侧对称放置，刚性传力块和柔性传力块对滑杆产生所述正压力。
利用滑杆惯性产生步进的单端夹持压电马达的控制方法其特征是：以如下时序分别控制所述的压电扫描管，完成一次步进：
a、在压电扫描管上施加脉冲电压信号，使压电扫描管突然伸长或缩短，由于滑竿的惯性作用，滑杆将不随压电扫描管的自由端产生位移。
b、脉冲电压信号施加完成后，缓慢撤回施加在压电扫描管上的电压信号，使得压电扫描管恢复原长，压电扫描管结构自由端在恢复原长的过程中，通过静摩擦力将带动上述滑杆产生位移。
有益效果：
1、本发明利用利用两个石英短棒和一个铍铜弹簧片共同夹持固定中心的滑竿，结构非常简单、紧凑和牢固，非常适合植入极低温和强磁场等对压电马达结构和材料要求比较严格的极端条件中使用。
2、本发明所述的压电马达仅需一路低压脉冲信号进行驱动，减少了驱动电压信号通道，降低了压电马达的制作成本。
3、本发明利用滑杆的惯性进行工作，具有较大的驱动能力。
附图说明
图1(a)本发明所述一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达的A-A′面剖视图；
图1(b)本发明所述一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达的俯视图；
图1(c)本发明所述一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达的B-B′面剖视图；
图2本发明所述一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达的工作原理图；
图3本发明所述一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达向下步进示意图。
图中：压电扫描管1；基座2；滑杆3；刚性传力块4；柔性传力块5。
具体实施方式
如图1(a)、1(b)中所示，本发明所述一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达包括压电扫描管，基座，滑杆和传力块，其中：
所述压电扫描管固定站立于基座上，在压电扫描管上面自由端设置传力块，通过传力块设置滑杆与压电扫描管自由端之间的正压力，正压力对滑杆的产生的摩擦力满足：压电扫描管自由端传力块对滑杆的正压力所产生的最大静摩擦力刚好略大于滑杆的重力。
所述传力块分为刚性传力块和柔性传力块，所述滑杆通过增设的刚性传力块与压电扫描管结构的自由端刚性相压，通过增设的可调柔性传力块与压电扫描管结构的自由端柔性相压。
所述刚性传力块为石英棒，所述柔性传力块为铍铜弹簧片。
所述可调柔性传力块可以调整其对滑杆的正压力大小，刚性传力块必须在压电扫描管上相对于可调柔性传力块位置的另一侧对称放置。
如图2和3所示，本发明所述一种利用滑杆惯性产生步进的压电马达的工作原理是：
T0时刻，压电扫描管未加电压，石英短棒和铍铜弹簧片共同夹持固定中心滑杆，由于滑杆与石英棒和铍铜弹簧片间的最大静摩擦力大于滑杆自身重力，滑杆将相对于压电扫描管保持静止状态。
T1时刻，开始施加一正向脉冲电压信号至压电扫描管，由于压电材料的压电效应，压电扫描管将沿轴向突然伸长，而滑杆由于惯性作用，将继续保持原来的静止状态，因此，滑杆将相对于固定于压电扫描管内壁的传力块产生向下的相对滑动。
T2时刻，脉冲电压信号施加完成，压电扫描管伸长完成处于静止状态，而滑动的滑杆由于惯性将继续相对于传力块下滑一段距离到达一个新的位置点后静止。
T2-T3时刻，缓慢撤回施加于压电扫描管上的电压信号，压电扫描管将逐渐恢复至未伸缩状态，在此过程中，由于滑杆与传力块间的最大静摩擦力大于滑杆本身重力，滑杆将随压电扫描管的自由端一起向下运动，进而完成了一次向下步进。
按照T1-T3时刻对应的步骤，往复操作，可驱动滑杆不断向下连续步进。
滑杆向上步进的工作原理与之相同，只是所施加的驱动电压信号的相位角比向上步进的驱动电压相位角相差180°。
Claims (6)
1.一种利用滑杆惯性产生步进的单端夹持压电马达，包括压电扫描管(1)，基座(2)，滑杆(3)，传力块，其特征是：压电扫描管(1)固定站立于基座(2)上，在压电扫描管(1)上面自由端设置传力块，通过传力块设置滑杆(3)与压电扫描管(1)自由端之间的正压力，正压力对滑杆(3)的产生的摩擦力满足：压电扫描管(1)自由端传力块对滑杆(3)的正压力所产生的最大静摩擦力刚好略大于滑杆(3)的重力；所述的传力块分为刚性传力块(4)和柔性传力块(5)，所述滑杆(3)通过增设的刚性传力块与压电扫描管(1)结构的自由端刚性相压，通过增设的可调柔性传力块与压电扫描管(1)结构的自由端柔性相压。
2.根据权利要求1所述利用滑杆惯性产生步进的单端夹持压电马达，其特征是：柔性传力块(5)为铍铜片。
3.根据权利要求2所述利用滑杆惯性产生步进的单端夹持压电马达，其特征是：刚性传力块(4)为石英棒。
4.根据权利要求1所述利用滑杆惯性产生步进的单端夹持压电马达，其特征是：所述压电扫描管(1)为一体设置。
5.根据权利要求1或2或3或4所述利用滑杆惯性产生步进的单端夹持压电马达，其特征是：在压电扫描管(1)自由端与滑杆(3)间增设固定于该压电体自由端的刚性传力块和可调柔性传力块，通过可调柔性传力块可以调整其对滑杆(3)的正压力大小，刚性传力块必须在压电扫描管(1)结构上相对于可调柔性传力块位置的另一侧对称放置，刚性传力块和柔性传力块对滑杆(3)产生所述正压力。
6.根据权利要求1或2或3或4所述利用滑杆惯性产生步进的单端夹持压电马达，其特征是：各部件以如下时序分别控制所述的压电扫描管(1)，完成一次 步进：
a、在压电扫描管(1)上施加脉冲电压信号，使压电扫描管(1)突然伸长或缩短，由于滑竿(3)的惯性作用，滑杆(3)将不随压电扫描管(1)的自由端产生位移；
b、脉冲电压信号施加完成后，缓慢撤回施加在压电扫描管(1)上的电压信号，使得压电扫描管(1)恢复原长，压电扫描管(1)结构自由端在恢复原长的过程中，通过静摩擦力将带动上述滑杆(3)产生位移。
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