本發(fā)明涉及一種差動(dòng)式直線壓電電機(jī)，屬于壓電作動(dòng)器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著微/納米技術(shù)的發(fā)展，眾多工程技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切需要亞微米級(jí)、微/納米級(jí)的精密作動(dòng)器。但由于傳統(tǒng)電磁電機(jī)需要減速裝置，在微型化、高功重比的發(fā)展方向上很難突破。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型功能材料為這些應(yīng)用提出了新的解決方案，其中，逆壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及具有優(yōu)越性能的壓電陶瓷(pzt)材料的出現(xiàn)使得壓電精密作動(dòng)器的研究得到了廣泛關(guān)注，并在精密作動(dòng)領(lǐng)域顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。

直線壓電電機(jī)主要包括共振型超聲電機(jī)和非共振型步進(jìn)電機(jī)。共振型超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的共振，并將彈性體的微變形通過(guò)摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或動(dòng)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。由于超聲電機(jī)在共振狀態(tài)下運(yùn)行，致使其性能受環(huán)境影響較大，同時(shí)對(duì)定子的加工精度要求較高。非共振型步進(jìn)電機(jī)是利用壓電疊層的精確位移輸出特性，結(jié)合慣性沖擊原理或者尺蠖原理，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)件連續(xù)、精密的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。與共振式壓電電機(jī)相比，非共振狀態(tài)具有較寬的工作頻帶，對(duì)周圍環(huán)境的抗干擾性強(qiáng)；且對(duì)電機(jī)定子的尺寸和加工精度要求不太高，易于保證電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。但是慣性沖擊型和尺蠖原理非共振直線電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)要求較為苛刻、驅(qū)動(dòng)力很小。

現(xiàn)有的壓電精密致動(dòng)領(lǐng)域存在行程和精度的一對(duì)矛盾，即大行程(mm量級(jí))的壓電作動(dòng)器具有的定位精度較低(μm量級(jí))；而納米精度(含10nm量級(jí))的壓電作動(dòng)器通常具有較小行程(0.1mm量級(jí))。為解決上述問(wèn)題，出現(xiàn)了直線壓電電機(jī)主要包括共振型超聲電機(jī)和非共振型壓電電機(jī)。共振型超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的共振，并將彈性體的微變形通過(guò)摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或動(dòng)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。由于共振型超聲電機(jī)在共振狀態(tài)下運(yùn)行，致使其性能受環(huán)境影響較大，同時(shí)為保證能夠有效激發(fā)定子的共振狀態(tài)，需要保證定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)定子的加工精度要求較高。

非共振型步進(jìn)電機(jī)是利用壓電疊層的精確位移輸出特性，結(jié)合慣性沖擊原理或者尺蠖原理，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)件連續(xù)、精密的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。與共振式壓電電機(jī)相比，非共振狀態(tài)具有較寬的工作頻帶，對(duì)周圍環(huán)境的抗干擾性強(qiáng)；且對(duì)電機(jī)定子的尺寸和加工精度要求不太高，易于保證電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。非共振型電機(jī)中的尺蠖原理和慣性沖擊原理電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求苛刻、對(duì)電機(jī)的加工精度要求高。非共振摩擦驅(qū)動(dòng)原理型壓電作動(dòng)器能夠解決驅(qū)動(dòng)信號(hào)苛刻和加工精度要求高的問(wèn)題，但是在保證大行程的同時(shí)，并沒(méi)有很好地解決高分辨率的難題。

近年來(lái)，南京航空航天大學(xué)黃衛(wèi)清教授團(tuán)隊(duì)提出了一系列摩擦驅(qū)動(dòng)原理型壓電直線電機(jī)，通常利用兩個(gè)壓電疊層的非共振輸出實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子在非共振狀態(tài)下具有較大振幅。當(dāng)采用相位差π/2的正弦波信號(hào)分別激勵(lì)兩個(gè)壓電疊層，就可以在驅(qū)動(dòng)足端部實(shí)現(xiàn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而利用摩擦驅(qū)動(dòng)原理，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)子的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。該類電機(jī)在非共振狀態(tài)下工作，能夠解決其他非共振型直線電機(jī)所具有的驅(qū)動(dòng)信號(hào)苛刻和加工精度要求高等問(wèn)題。同時(shí)利用了摩擦驅(qū)動(dòng)原理可以實(shí)現(xiàn)大行程，一般為幾十毫米。

現(xiàn)有的非共振摩擦驅(qū)動(dòng)原理型直線電機(jī)但是在保證大行程的同時(shí)，并沒(méi)有很好地解決高分辨率的難題，目前該類型電機(jī)的分辨率通常為微米級(jí)?，F(xiàn)有的非共振摩擦驅(qū)動(dòng)型電機(jī)兩壓電疊層的位移輸出具有耦合性，電機(jī)定子驅(qū)動(dòng)足在垂直于導(dǎo)軌方向和平行于導(dǎo)軌方向的位移輸出特性往往與兩個(gè)壓電疊層都相關(guān)，因此不容易獨(dú)立控制電機(jī)定子在兩個(gè)方向的位移輸出性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供解決現(xiàn)有的壓電精密致動(dòng)領(lǐng)域存在行程和精度的一對(duì)矛盾，即大行程(mm量級(jí))的壓電作動(dòng)器具有的定位精度較低(μm量級(jí))；而納米精度(含10nm量級(jí))的壓電作動(dòng)器通常具有較小行程(0.1mm量級(jí))。設(shè)計(jì)一種驅(qū)動(dòng)足，采用橫向振動(dòng)塊和縱向振動(dòng)框結(jié)構(gòu)，這能夠保證平行于導(dǎo)軌方向的位移輸出與垂直于導(dǎo)軌方向的位移輸出具有解耦特性，有利于獨(dú)立控制兩個(gè)方向的壓電元件的位移輸出，從而能夠獨(dú)立控制電機(jī)定子在兩個(gè)方向的位移輸出性能。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種差動(dòng)式直線壓電電機(jī)，所述電機(jī)包括定子、動(dòng)子及底座，所述動(dòng)子通過(guò)導(dǎo)軌連接在底座上，所述定子設(shè)置于底座上，定子包括驅(qū)動(dòng)足以及彈性?shī)A持機(jī)構(gòu)，在彈性?shī)A持機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力下，定子上的驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子在整個(gè)電機(jī)工作周期中始終保持緊密接觸；

所述驅(qū)動(dòng)足包括橫向振動(dòng)塊、縱向振動(dòng)框、固定板、一組平行動(dòng)子導(dǎo)軌布置的橫向壓電疊層和一個(gè)垂直于動(dòng)子導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層，所述一組橫向壓電疊層包括第一橫向壓電疊層和第二橫向壓電疊層，

所述橫向振動(dòng)塊設(shè)置于縱向振動(dòng)框內(nèi)部，橫向振動(dòng)塊的一側(cè)通過(guò)第一橫向壓電疊層與縱向振動(dòng)框預(yù)緊連接、另一側(cè)通過(guò)第二橫向壓電疊層與縱向振動(dòng)框預(yù)緊連接；

所述固定板平行設(shè)置在所述縱向振動(dòng)框的下方，固定板和縱向振動(dòng)框之間通過(guò)所述縱向壓電疊層連接。

所述彈性?shī)A持機(jī)構(gòu)包括：支座以及兩片預(yù)壓板簧，其中，所述的支座上設(shè)有沿垂直導(dǎo)軌方向布置的通槽，驅(qū)動(dòng)足設(shè)置在所述通槽內(nèi)，所述通槽的上、下兩端分別設(shè)有一片所述預(yù)壓板簧，在預(yù)壓板簧的夾緊力下，定子上的驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子在整個(gè)電機(jī)工作周期中始終保持緊密接觸。

每片所述預(yù)壓板簧包括：環(huán)形框架結(jié)構(gòu)、柔性鉸鏈和方板；環(huán)形框架結(jié)構(gòu)的短邊和方板通過(guò)柔性鉸鏈連接，環(huán)形框架上設(shè)有與支座固定連接的圓孔，方板上設(shè)有與驅(qū)動(dòng)足固定連接的通孔。

所述支座上位于通槽的兩側(cè)分別設(shè)有與底座相固定以及導(dǎo)向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下兩端分別設(shè)有用于與兩片預(yù)壓板簧固定連接的螺紋孔。

所述橫向振動(dòng)塊在垂直導(dǎo)軌方向上通過(guò)兩個(gè)平行布置的懸臂柔性梁與縱向振動(dòng)框連接。

所述一組橫向壓電疊層和縱向振動(dòng)框之間設(shè)有平行于導(dǎo)軌方向安裝的導(dǎo)向塊。

所述導(dǎo)向塊在垂直導(dǎo)軌方向上通過(guò)柔性鉸鏈與縱向振動(dòng)框柔性連接，在縱向振動(dòng)框的外部設(shè)置有用于調(diào)節(jié)所述一組橫向壓電疊層與縱向振動(dòng)框之間松緊度的預(yù)緊螺栓。

所述固定板與縱向振動(dòng)框之間位于所述縱向壓電疊層的兩側(cè)對(duì)稱布置有用于將縱向壓電疊層和縱向振動(dòng)框之間預(yù)緊連接的預(yù)緊彈簧。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于所述的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)的工作方法，分別用對(duì)稱的三角形周期信號(hào)激勵(lì)平行于導(dǎo)軌方向第一橫向壓電疊層、第二橫向壓電疊層，用對(duì)稱的矩形周期信號(hào)激勵(lì)垂直于導(dǎo)軌方向的縱向壓電疊層，由于橫向振動(dòng)塊在驅(qū)動(dòng)階段和回程階段的位移相等，但是驅(qū)動(dòng)階段時(shí)定子和動(dòng)子之間的摩擦力大于回程階段時(shí)定子和動(dòng)子之間的摩擦力，從而在驅(qū)動(dòng)階段和回程階段電機(jī)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)存在一個(gè)位移差，即差動(dòng)式位移。

包括正向差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)過(guò)程和反向差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)過(guò)程：其中，

正向差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)過(guò)程：在一個(gè)作動(dòng)周期內(nèi)，電機(jī)的動(dòng)作時(shí)序如下：

驅(qū)動(dòng)階段，前半個(gè)周期內(nèi)，用對(duì)稱的矩形周期信號(hào)激勵(lì)垂直于導(dǎo)軌方向的縱向壓電疊層，縱向壓電疊層的激勵(lì)電壓為最大值，縱向壓電疊層迅速伸長(zhǎng)，電機(jī)定子和動(dòng)子之間的接觸正壓力最大；同時(shí)用相位相差半個(gè)周期的三角波信號(hào)分別激勵(lì)第一橫向壓電疊層和第二橫向壓電疊層，使得第一橫向壓電疊層伸長(zhǎng)、而第二橫向壓電疊層回縮，從而通過(guò)定子和動(dòng)子接觸面的摩擦力帶動(dòng)動(dòng)子向右運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的位移為δx1；

回程階段：后半個(gè)周期內(nèi)，縱向壓電疊層的激勵(lì)電壓為最小值，相對(duì)于驅(qū)動(dòng)階段大幅下降，縱向壓電疊層迅速收縮直至初始狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)定子和動(dòng)子之間的接觸正壓力最?。煌瑫r(shí)用與驅(qū)動(dòng)階段相位相反的兩個(gè)三角波信號(hào)激勵(lì)第一橫向壓電疊層、第二橫向壓電疊層，使得第一橫向壓電疊層回縮、而第二橫向壓電疊層持續(xù)伸長(zhǎng)，從而通過(guò)定子和動(dòng)子接觸面的摩擦力帶動(dòng)動(dòng)子向左運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位移為δx2；

綜上，由于橫向振動(dòng)塊在驅(qū)動(dòng)階段和回程階段的位移相等，但是驅(qū)動(dòng)階段時(shí)定子和動(dòng)子之間的摩擦力大于回程階段時(shí)定子和動(dòng)子之間的摩擦力，所以δx1>δx2，從而動(dòng)子在整體上實(shí)現(xiàn)正向的差動(dòng)位移δx；

反向差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)過(guò)程：反過(guò)來(lái)，如果在驅(qū)動(dòng)階段，縱向壓電疊層的激勵(lì)電壓為最小值，在回程階段，縱向壓電疊層的激勵(lì)電壓為最大值，其他條件不變；則能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)子沿反向有一差動(dòng)位移δx。

本發(fā)明一種差動(dòng)式直線壓電電機(jī)及其工作方法相對(duì)于現(xiàn)有超聲電機(jī)而言，具有的有益效果是：

本發(fā)明定子上的所述驅(qū)動(dòng)足包括兩組對(duì)稱布置的壓電疊層和一組垂直布置的壓電疊層，分別為定子驅(qū)動(dòng)足提供平行與導(dǎo)軌方向和垂直于導(dǎo)軌方向的微幅振動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)足在平行于導(dǎo)軌方向具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)和對(duì)稱位移輸出特性；這種對(duì)稱位移輸出特性使得電機(jī)正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)的性能一致性更優(yōu)；

所述驅(qū)動(dòng)足采用了橫向振動(dòng)塊和縱向振動(dòng)框結(jié)構(gòu)，這能夠保證平行于導(dǎo)軌方向的位移輸出與垂直于導(dǎo)軌方向的位移輸出具有解耦特性，有利于獨(dú)立控制兩個(gè)方向的壓電元件的位移輸出；

本發(fā)明分別用對(duì)稱的周期信號(hào)激勵(lì)平行于導(dǎo)軌方向的第一橫向壓電疊層、第二橫向壓電疊層，用非對(duì)稱的周期信號(hào)激勵(lì)垂直于導(dǎo)軌方向的縱向壓電疊層，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子和動(dòng)子之間的摩擦驅(qū)動(dòng)特性在驅(qū)動(dòng)階段和回程階段具有明顯差異，從而使得動(dòng)子在驅(qū)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)距離大于在回程階段的運(yùn)動(dòng)距離，上述非對(duì)稱的位移輸出特性使得在驅(qū)動(dòng)階段和回程階段，電機(jī)定子和動(dòng)子之間存在著不同的摩擦驅(qū)動(dòng)特性；從而在驅(qū)動(dòng)階段和回程階段電機(jī)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)存在一個(gè)位移差，即差動(dòng)式位移。由于該電機(jī)在0～1khz頻率范圍內(nèi)具有明顯不同的差動(dòng)摩擦特性，所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率從低頻到高頻變化時(shí)，該類電機(jī)的定位精度也從納米級(jí)向微米級(jí)漸變，這有望部分代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的宏微結(jié)合的定位平臺(tái)。

因此，本發(fā)明相對(duì)于超聲電機(jī)而言，具有非共振、寬頻域的特點(diǎn)，能夠在較寬頻域范圍內(nèi)分別容易實(shí)現(xiàn)納米級(jí)和微米級(jí)的位移分辨率，同時(shí)兼具制作成本低、壽命長(zhǎng)和斷電自鎖的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2的本發(fā)明所述的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)定子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所述的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)足結(jié)構(gòu)示意圖，

圖4是圖3的a-a剖視圖，

圖5是圖3的仰視圖。

圖6是本發(fā)明所述的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)預(yù)壓板簧結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明所述的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)支座結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是圖7的俯視圖；

圖9是本發(fā)明所述的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)三組壓電疊層的電激勵(lì)信號(hào)。

圖10是本發(fā)明所述的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖1至圖3中：1-動(dòng)子；2-定子；3-底座；(4，7)-預(yù)壓板簧；5-驅(qū)動(dòng)足；6-支座；8-第二橫向壓電疊層；(9，12，19)-導(dǎo)向塊；(10，13，18)-預(yù)緊螺栓；11-縱向振動(dòng)框；14-固定板；15-擋板；16-預(yù)緊彈簧；17-縱向壓電疊層；20-第一橫向壓電疊層；21-橫向振動(dòng)塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)結(jié)構(gòu)，包括動(dòng)子1、定子2及底座3；動(dòng)子1通過(guò)螺栓固定在底座的側(cè)板上；定子2通過(guò)螺栓固定在底座的底板上；通過(guò)控制定子2在底座的前后位置可控制定子2與動(dòng)子1之間初始?jí)毫Φ拇笮　?/p>

如圖2所示的彈性?shī)A持機(jī)構(gòu)為兩片對(duì)稱布置的預(yù)壓板簧。

如圖6所示，預(yù)壓板簧包括環(huán)形框架結(jié)構(gòu)、柔性鉸鏈和方板；環(huán)形框架結(jié)構(gòu)的短邊和方板通過(guò)柔性鉸鏈連接；環(huán)形框架設(shè)有螺紋孔，可以與支座6固定連接；方板上有與驅(qū)動(dòng)足5固定連接的螺紋孔。該預(yù)壓彈簧在平行于其長(zhǎng)邊方向上具有較大剛度，能保證驅(qū)動(dòng)足在平行于導(dǎo)軌方向的穩(wěn)定性；該預(yù)壓板簧在平行于板簧厚度方向的剛度較小，能夠保證在垂直于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較大的彈性變形，該彈性變形保證電機(jī)定子和動(dòng)子在整個(gè)驅(qū)動(dòng)階段均處于接觸狀態(tài)。

所述的定子2包括驅(qū)動(dòng)足5、支座6以及預(yù)壓板簧；驅(qū)動(dòng)足5的上、下兩端分別通過(guò)螺栓固定在預(yù)壓板簧的方板上；預(yù)壓板簧的環(huán)形框架通過(guò)螺栓固定在支座上。

如圖3～圖5所示，所述驅(qū)動(dòng)足5包括橫向振動(dòng)塊21、縱向振動(dòng)框11、固定板14、導(dǎo)向塊、擋板15和三組壓電疊層；橫向振動(dòng)塊21由兩平行懸臂柔性梁支撐，橫向振動(dòng)塊21的兩側(cè)安裝有平行于導(dǎo)軌布置的第一橫向壓電疊層20和第二橫向壓電疊層8，第二橫向壓電疊層8和第一橫向壓電疊層20的另外一側(cè)分別布置平行于導(dǎo)軌方向的導(dǎo)向塊，導(dǎo)向塊避免了壓電疊層直接與預(yù)緊螺栓接觸，起保護(hù)壓電疊層的作用；

進(jìn)一步的，第一橫向壓電疊層20和第二橫向壓電疊層8分別由懸臂柔性梁支持，在平行于導(dǎo)軌方向方向有較大的柔性，橫向振動(dòng)塊21及第一橫向壓電疊層和第二橫向壓電疊層均安裝在縱向振動(dòng)框11內(nèi)；縱向振動(dòng)框11為u形剛性結(jié)構(gòu)，有利于保持幾何結(jié)構(gòu)的不變性。

縱向振動(dòng)框11通過(guò)兩平行預(yù)緊彈簧16與固定板14連接，縱向振動(dòng)框11與固定板14之間安裝有垂直于導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層17；與橫向布置的壓電疊層一樣的原理，縱向壓電疊層17下方布置導(dǎo)向塊；縱向壓電疊層17和導(dǎo)向塊通過(guò)擋板15固定；導(dǎo)向塊避免縱向壓電疊層與預(yù)緊螺栓直接接觸，導(dǎo)向塊設(shè)計(jì)平行于壓電疊層的柔性鉸鏈，消除預(yù)緊時(shí)產(chǎn)生的切向力。

擋板15通過(guò)螺栓固定在固定板14上；平行于導(dǎo)軌布置的第一橫向壓電疊層20和第二橫向壓電疊層8均與橫向振動(dòng)塊21通過(guò)預(yù)緊螺栓壓緊，垂直于導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層17通過(guò)柔性預(yù)緊彈簧16結(jié)構(gòu)的預(yù)變形與縱向振動(dòng)框11壓緊。

總體上，電機(jī)定子具有“推拉式”框架結(jié)構(gòu)，框架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)平行于導(dǎo)軌方向的運(yùn)動(dòng)；在縱向壓電疊層17的作用下，縱向振動(dòng)框11連同其內(nèi)部各部分結(jié)構(gòu)一起作垂直于導(dǎo)軌方向的運(yùn)動(dòng)。因此，這種“推拉式”框架結(jié)構(gòu)能夠保證橫向振動(dòng)塊21的位移輸出與縱向振動(dòng)框11垂直方向的位移輸出具有解耦特性，有利于獨(dú)立控制的第一橫向壓電疊層20、第二橫向壓電疊層8、以及縱向壓電疊層17的位移輸出，提高電機(jī)的定位精度。

如圖7～圖8所示的差動(dòng)式直線壓電電機(jī)支座，中間為通槽，兩側(cè)設(shè)有起固定與導(dǎo)向作用的通孔,通過(guò)控制定子2在底座3的前后位置可控制定子與動(dòng)子之間初始?jí)毫Φ拇笮?；上下兩?cè)分別有四個(gè)螺紋孔；支座的上、下兩端分別與上下板簧的外圍連接。

圖9為電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)三組壓電疊層的電激勵(lì)信號(hào)；激勵(lì)信號(hào)b1與激勵(lì)信號(hào)b2為相位差半個(gè)周期的三角波信號(hào)，分別為平行于導(dǎo)軌布置的第一橫向壓電疊層20和第二橫向壓電疊層8施加激勵(lì)電壓；激勵(lì)信號(hào)a為對(duì)稱矩形脈沖信號(hào)，為垂直于導(dǎo)軌布置的縱向壓電疊層17施加激勵(lì)電壓。

如圖10所示，結(jié)合差動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)本發(fā)明的正向差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)過(guò)程做進(jìn)一步論述，定義動(dòng)子向右，x正向的運(yùn)動(dòng)為正方向，動(dòng)子向左，x負(fù)向的運(yùn)動(dòng)為反方向：

本發(fā)明分別用對(duì)稱的周期信號(hào)和非對(duì)稱的周期信號(hào)激勵(lì)平行于導(dǎo)軌方向和垂直于導(dǎo)軌方向的壓電疊層，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定動(dòng)子之間的摩擦驅(qū)動(dòng)特性在驅(qū)動(dòng)階段和回程階段具有明顯差異，從而使得動(dòng)子在驅(qū)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)距離大于在回程階段的運(yùn)動(dòng)距離，具體過(guò)程如下：

正向差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)過(guò)程：在一個(gè)作動(dòng)周期內(nèi)，電機(jī)的動(dòng)作時(shí)序如下：

驅(qū)動(dòng)階段，前半個(gè)周期內(nèi)，縱向壓電疊層的激勵(lì)電壓為最大值，縱向壓電疊層迅速伸長(zhǎng)，電機(jī)定子和動(dòng)子之間的接觸正壓力最大；同時(shí)用相位相差半個(gè)周期的三角波信號(hào)分別激勵(lì)第一橫向壓電疊層和第二橫向壓電疊層，使得第一橫向壓電疊層伸長(zhǎng)、而第二橫向壓電疊層回縮，從而通過(guò)定子和動(dòng)子接觸面的摩擦力帶動(dòng)動(dòng)子向右運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的位移為δx1；

回程階段：后半個(gè)周期內(nèi)，縱向壓電疊層的激勵(lì)電壓為最小值，相對(duì)于驅(qū)動(dòng)階段大幅下降，縱向壓電疊層迅速收縮直至初始狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)定子和動(dòng)子之間的接觸正壓力最小；同時(shí)用與驅(qū)動(dòng)階段相位相反的兩個(gè)周期的三角波信號(hào)激勵(lì)第一橫向壓電疊層、第二橫向壓電疊層，使得第一橫向壓電疊層回縮、而第二橫向壓電疊層持續(xù)伸長(zhǎng)，從而通過(guò)定子和動(dòng)子接觸面的摩擦力帶動(dòng)動(dòng)子向左運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位移為δx2；

綜上，由于橫向振動(dòng)塊在驅(qū)動(dòng)階段和回程階段的位移相等，但是驅(qū)動(dòng)階段時(shí)定子和動(dòng)子之間的摩擦力大于回程階段時(shí)定子和動(dòng)子之間的摩擦力，并且，驅(qū)動(dòng)階段時(shí)間大于回程階段時(shí)間，所以δx1>δx2，從而動(dòng)子在整體上實(shí)現(xiàn)正向的差動(dòng)位移δx；

反向差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)過(guò)程：反過(guò)來(lái)，如果在驅(qū)動(dòng)階段，縱向壓電疊層的激勵(lì)電壓為最小值，在回程階段，縱向壓電疊層的激勵(lì)電壓為最大值，其他條件不變；則能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)動(dòng)子沿反向有一差動(dòng)位移δx。

由于該電機(jī)在0～1khz頻率范圍內(nèi)具有明顯不同的差動(dòng)摩擦特性，所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率從低頻到高頻變化時(shí)，該類電機(jī)的定位精度也從納米級(jí)向微米級(jí)漸變，這有望部分代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的宏微結(jié)合的定位平臺(tái)。因此，本發(fā)明具有非共振、寬頻域的特點(diǎn)，能夠在較寬頻域范圍內(nèi)分別容易實(shí)現(xiàn)納米級(jí)和微米級(jí)的位移分辨率，同時(shí)兼具制作成本低、壽命長(zhǎng)和斷電自鎖的優(yōu)點(diǎn)。