融合切變壓電致動器復(fù)合驅(qū)動模式的壓電直線馬達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電馬達(dá)微納米精密驅(qū)動技術(shù)，尤其涉及一種融合切變壓電致動器的復(fù)合壓電驅(qū)動定子結(jié)構(gòu)和微、納米復(fù)合驅(qū)動模式的壓電直線馬達(dá)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電馬達(dá)是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)和彈性體的超聲振動，通過定子和動子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅諧振動轉(zhuǎn)換為運動體宏觀的旋轉(zhuǎn)或直線運動，從而直接推動負(fù)載。壓電馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點，得到了廣泛運用。壓電馬達(dá)主要包括諧振壓電換能器和滑動組件。壓電換能器稱為定子、滑動組件中可運動部件稱為動子。壓電換能器在諧振頻率下將輸入的電能轉(zhuǎn)換為定子的特定微觀運動的機(jī)械能；滑動組件通過摩擦獲得機(jī)械能，使動子產(chǎn)生宏觀旋轉(zhuǎn)或直線運動。
[0003]目前，直線壓電馬達(dá)換能器普遍采用一階伸長二階彎曲模式(L1B2)、同形的一階面內(nèi)彎曲模式(BlBl)、以及面內(nèi)一階等諧振動模式(M.Guo，et al.，IEEEUFFC, 2010, 57 (2596) ；P.Ci, et al., IEEE UFFC, 2014, 61 (159) ；Z.Chen, et al., IEEEUFFC, 2013，60(115))。以L1B2諧振模式的壓電馬達(dá)為例，施加特定高頻率的交流電壓，使壓電馬達(dá)換能器工作在第一階縱向諧振模式(LI)和第二階彎曲諧振模式(B2)，通過產(chǎn)生的第一階縱向諧振和第二階彎曲諧振耦合簡并合成微觀的橢圓軌跡運動，再通過橢圓運動和接觸摩擦推動滑塊組件中的動子做宏觀直線運動。壓電直線馬達(dá)可廣泛應(yīng)用于線性精密定位，如鏡頭變焦、聚焦驅(qū)動等。但是，現(xiàn)有采用的L1B2諧振模式的直線壓電馬達(dá)存在以下的問題:壓電馬達(dá)為了實現(xiàn)快速、長行程直線運動，其壓電換能器定子需要工作在諧振模式下，而諧振時壓電馬達(dá)換能器因高頻下諧振動，導(dǎo)致壓電馬達(dá)驅(qū)動速度過快，難以實現(xiàn)亞微米、納米尺度的精密定位。
[0004]壓電致動器是一種利用壓電工作原理、在壓電元件上施加直流電壓可直接產(chǎn)生亞微米和納米的微位移和驅(qū)動，因而可用于微納米精密定位與驅(qū)動。但是其缺點是:在直流或交流電壓驅(qū)動下，壓電致動器只能產(chǎn)生小的應(yīng)變或微位移，或簡單的微納米范圍的線性往復(fù)位移；不能產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)的橢圓運動和實現(xiàn)宏觀的連續(xù)直線運動。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有的壓電馬達(dá)換能器一般采用諧振的工作模式，即通過施加一特定頻率的交流電壓，通過激發(fā)壓電換能器定子工作在高頻諧振動模態(tài)，獲得所需要的微觀的、循環(huán)往復(fù)的橢圓質(zhì)點運動，最終通過滑動組件中的動子獲得連續(xù)的宏觀直線運動。但工作在高頻諧振模態(tài)的壓電馬達(dá)很難產(chǎn)生亞微米和納米運動。即使通過某些特殊的控制方法可以產(chǎn)生亞微米或納米運動，但一般是以喪失動子驅(qū)動力為代價的。而壓電致動器工作在直流電壓下可產(chǎn)生簡單壓電應(yīng)變，雖然可以產(chǎn)生亞微米、納米微位移和大的驅(qū)動力，但卻不能產(chǎn)生宏觀的連續(xù)直線運動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種融合了切變壓電致動器的復(fù)合驅(qū)動模式的壓電直線馬達(dá)及其制備方法。所說的壓電直線馬達(dá)擁有一個復(fù)合壓電定子，包括一個諧振壓電換能器和一個直流切變壓電致動器；所說的壓電馬達(dá)可以根據(jù)工作需要工作在諧振驅(qū)動、直流驅(qū)動或復(fù)合驅(qū)動模式，不僅可以產(chǎn)生宏觀的連續(xù)直線運動，還可以產(chǎn)生亞微米和納米運動以及產(chǎn)生大的驅(qū)動力。本發(fā)明的壓電直線馬達(dá)，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便等特點，可有效克服現(xiàn)有壓電直線馬達(dá)的不足。
[0007]本發(fā)明的原理是:發(fā)明一種包括切變壓電致動器與諧振模式壓電換能器的復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電定子和復(fù)合驅(qū)動模式的壓電直線馬達(dá)；壓電直線馬達(dá)的復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電定子可以工作在諧振或直流驅(qū)動模式；當(dāng)壓電馬達(dá)需要產(chǎn)生宏觀的大行程位移時，啟動壓電復(fù)合定子的壓電換能器部分，使其工作在交流電壓下的特定頻率的諧振模式；當(dāng)壓電馬達(dá)需要產(chǎn)生亞微米、納米微位移時，啟動壓電復(fù)合定子的切變壓電致動器部分，在直流工作電壓下可以產(chǎn)生所需要的微納米精密運動和同時產(chǎn)生大的驅(qū)動力。本發(fā)明提供了一種融合切變壓電致動器與諧振壓電換能器的復(fù)合定子結(jié)構(gòu)壓電馬達(dá)，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有諧振模式壓電直線馬達(dá)在微位移方面的缺陷。
[0008]本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:
[0009]一種融合切變壓電致動器復(fù)合驅(qū)動模式的壓電直線馬達(dá)，包括諧振壓電換能器、切變壓電致動器、驅(qū)動電路、滑塊(動子)、固定在切變壓電致動器上的摩擦頭和外圍部件等；所述外圍部件包括彈性固支、彈性壓緊部件、夾具和滑動組件；其中，所述諧振壓電換能器和切變壓電致動器緊密粘接在一起，形成壓電直線馬達(dá)的復(fù)合壓電驅(qū)動定子；復(fù)合壓電驅(qū)動定子被彈性固支固定在夾具中，在彈性壓緊部件的作用下，使得復(fù)合壓電驅(qū)動定子通過固定在切變壓電致動器上的摩擦頭與滑動組件中的滑塊緊密接觸；所述諧振壓電換能器和切變壓電致動器均有上表面電極和下表面電極。
[0010]針對上述融合切變壓電致動器與諧振壓電換能器的復(fù)合壓電驅(qū)動定子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步地:復(fù)合壓電驅(qū)動定子的形狀可根據(jù)諧振壓電換能器的諧振動工作模式，設(shè)計為矩形或正方形；復(fù)合壓電驅(qū)動定子的材料可以選為壓電陶瓷材料或者壓電單晶材料；復(fù)合壓電驅(qū)動定子的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計為壓電陶瓷或壓電單晶材料本身，或者為彈性金屬片與壓電陶瓷(或壓電單晶)材料構(gòu)成的復(fù)合板結(jié)構(gòu)。
[0011]針對上述融合切變壓電致動器復(fù)合驅(qū)動模式的壓電直線馬達(dá)，進(jìn)一步地，
[0012]摩擦頭為一個或兩個；一個摩擦頭粘接在切變壓電致動器的正中位置，或者是兩個摩擦頭粘接在切變驅(qū)動器正面的兩邊位置；
[0013]摩擦頭的形狀為球形、半球形、圓柱形或者其他形狀，由耐磨材料制作得到；所述彈性壓緊部件為能夠提供預(yù)緊力的裝置，優(yōu)選地，彈性壓緊部件為金屬彈簧；
[0014]諧振壓電換能器的諧振模式為一階伸長二階彎曲模式(L1B2)、同形的一階面內(nèi)彎曲模式(BlBl)和同形的一階面內(nèi)對角彎曲模式(FDB)等諧振模式中的一種；
[0015]諧振壓電換能器整體沿厚度方向極化；諧振壓電換能器的上表面電極被劃分為多個相同面積的電極區(qū)域，分別為第一電極區(qū)域、第二電極區(qū)域、第三電極區(qū)域和第四電極區(qū)域，諧振壓電換能器的下表面電極為一體結(jié)構(gòu)的第五電極區(qū)域。
[0016]諧振壓電換能器上表面的第一電極區(qū)域、第二電極區(qū)域、第三電極區(qū)域和第四電極區(qū)域連接壓電直線馬達(dá)驅(qū)動電路提供的一個或多個交流輸入電壓，下表面的電極區(qū)域作為電壓接地端，激發(fā)諧振壓電換能器產(chǎn)生諧振動模式；
[0017]所述切變壓電致動器整體沿長度方向極化，而直流電壓則是沿厚度方向施加；切變壓電致動器的上表面電極和下表面電極區(qū)域均為一個，上表面電極區(qū)域連接驅(qū)動電路提供的直流輸入電壓，下表面電極區(qū)域作為電壓接地端，使得切變壓電致動器產(chǎn)生橫向剪切應(yīng)變，驅(qū)動滑塊產(chǎn)生左或右向的亞微米或納米精確位移。
[0018]本發(fā)明還提供制備上述融合切變壓電致動器復(fù)合驅(qū)動模式的壓電直線馬達(dá)的方法，包括如下步驟:
[0019]I)利用高性能壓電陶瓷或壓電單晶材料，制備矩形或正方形諧振壓電換能器；諧振壓電換能器整體沿厚度方向極化；
[0020]根據(jù)諧振壓電換能器的諧振工作模式，利用高性能壓電陶瓷或壓電單晶材料，制備具有一定長寬比的矩形或正方形諧振壓電換能器；諧振壓電換能器整體沿厚度方向極化；
[0021]2)利用高性能壓電陶瓷或壓電單晶材料，制備矩形切變壓電致動器；切變壓電致動器的長度與寬度設(shè)計的與諧振壓電換能器的寬度與厚度一致；
[0022]根據(jù)剪切應(yīng)變和所需要的微位移設(shè)計，利用高性能壓電陶瓷或壓電單晶材料制備矩形切變壓電致動器；為了將切變壓電致動器與諧振壓電換能緊密復(fù)合在一起，切變壓電致動器的長度與寬度設(shè)計的與諧振壓電換能器的寬度與厚度一致；
[0023]3)沿長度方向極化切變壓電致動器，磨去極化用的端面電極；沿厚度方向的上表面和下表面上分別被上表面電極和下表面電極；
[0024]4)將切變壓電致動器與諧振壓電換能器緊密粘接在一起構(gòu)成復(fù)合壓電驅(qū)動定子；復(fù)合壓電驅(qū)動定子需工作在諧振壓電換能器的特定諧振工作模式上；
[0025]利用環(huán)氧樹脂將切變壓電致動器與諧振壓電換能器緊密粘接在一起構(gòu)成復(fù)合壓電驅(qū)動定子；注意諧振壓電換能器和壓電致動器的尺寸設(shè)計，它們復(fù)合后構(gòu)成的復(fù)合壓電驅(qū)動定子還需要工作在諧振壓電換能器的特定諧振工作模式上；
[0026]5)在復(fù)合壓電驅(qū)動定子的切變壓電致動器一側(cè)端部粘接驅(qū)動用的摩