具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，一种基于差动运动原理的压电驱动器，包括基座1、差动单元、动子单元及初始间隙调整单元；所述动子单元和初始间隙调整单元分别通过螺钉固定在基座1上，所述差动单元竖直固定在初始间隙调整单元上；所述差动单元包括差动柔性铰链4、左压电叠堆5、右压电叠堆8，左压电叠堆5和右压电叠堆8分别通过预紧螺钉9对称安装在差动柔性铰链4内，实现差动运动的合成和输出；所述动子单元包括导轨6以及滑动连接在导轨6上的滑块7，滑块7在差动柔性铰链4输出的差动运动的驱动下在导轨6上滑动，并通过初始间隙调整单元调节差动柔性铰链4的驱动脚406与滑块7之间的初始间隙。

进一步地，如图2、图3所示，所述初始间隙调整单元包括微调机构2、立板3，微调机构2包括微调旋钮201、定位孔202、锁紧螺钉203、下滑台204和上滑台205，下滑台204通过螺钉固定在所述基座1上，上滑台205滑动连接在下滑台204上并可通过锁紧螺钉203进行限位，微调旋钮201通过支架固定在下滑台204末端并与上滑台205抵接，用于调节上滑台205与下滑台204的相对位移量，上滑台205上设有若干定位孔202，所述立板3通过螺钉和定位孔202固定在上滑台205的上表面，所述差动柔性铰链4通过螺钉固定在立板3的立面上。通过旋动微调机构2的微调旋钮201实现差动柔性铰链4的驱动脚406与动子单元的滑块7之间的初始间隙的调节，通过调节锁紧螺钉203实现微调机构2的自锁。

如图4所示，进一步地，所述差动单元包括差动柔性铰链4、左压电叠堆5、右压电叠堆8及两个预紧螺钉9，所述差动柔性铰链4整体为对称结构，包括固定架401、固定孔402、压电叠堆安装槽403、预紧螺定安装孔404、Z形柔性铰链组405和驱动脚406。所述固定架401为C字形结构，在其上均匀分布着4个固定孔402；所述压电叠堆安装槽403嵌入在固定架401中，其前端为设有U形凹槽的并联对称结构，并与Z形柔性铰链组405相连，其后端为H形结构，与固定架401相连；所述Z形柔性铰链组405将压电叠堆安装槽403与驱动脚406相连，Z形柔性铰链组405由4条对称分布的Z形铰链组成，Z形铰链一端连接驱动脚406，另一端连接电叠堆安装槽403；所述差动柔性铰链4通过固定架401上的固定孔402和螺钉固定在立板3的前端面。所述预紧螺钉9通过预紧螺钉安装孔404作用在压电叠堆安装槽403的后端面上，用于调节压电叠堆的预紧力。所述左压电叠堆5和右压电叠堆8分别通过两个预紧螺钉9平行且对称地安装在差动柔性铰链4的两个压电叠堆安装槽403内，通过调节两个预紧螺钉9，可分别调节左压电叠堆5、右压电叠堆8与压电叠堆安装槽403之间的预紧力。

进一步地，所述动子单元包括导轨6、滑块7，所述导轨6通过螺钉固定在基座1的凸台上，所述滑块7在驱动脚406输出的差动运动的驱动作用下在导轨6上滑动。

如图5所示，为本发明压电驱动器输出的菱形轨迹对应的电信号的时序控制图，此菱形轨迹是本发明输出的所有差动运动的包络线。其中，U_L为左压电叠堆5的驱动电信号，U_R为右压电叠堆8的驱动电信号。

如图6所示，为本发明输出的差动运动对应的协同驱动电信号的时序控制图，其中，协同驱动电信号的相位差影响差动运动轨迹的整体形状尺寸，卸载电压影响差动运动轨迹的y方向形状尺寸，推动电压影响差动运动轨迹的x方向形状尺寸。通过同时向左压电叠堆5和右压电叠堆8施加协同驱动电信号，Z形柔性铰链组405将产生弹性变形，可以合成并输出差动运动以实现抑制回退运动的功能。

如图7至图9所示，图7为本发明在不同协同驱动电信号相位差下输出的差动运动的轨迹形状；图8为本发明在保持协同驱动电信号相位差、推动电压不变时，在不同卸载电压下输出的差动运动的轨迹形状；图9为本发明在保持协同驱动电信号相位差、卸载电压不变时，在不同推动电压下输出的差动运动的轨迹形状。

以下介绍本发明的差动运动原理：

当只向左压电叠堆5施加电压U_l时，其伸长量可以表示为：

x_l＝n_ld₃₃U_l

其中，n_l为左压电叠堆5具有的压电陶瓷片的层数，d₃₃为其压电常数，U_l为施加于其上的电压幅值。

之后，此位移x_l经差动柔性铰链4放大后于驱动脚处输出：

x_lout＝A_xx_l

y_lout＝A_yx_l

其中，A_x、A_y分别为差动柔性铰链4沿x轴、y轴的位移放大倍数。

同理，当只向右压电叠堆8施加电压U_r时，其伸长量和驱动脚的输出位移可分别表示为：

x_r＝n_rd₃₃U_r

x_rout＝A_xx_r

y_rout＝A_yx_r

同样，n_r为右压电叠堆8具有的压电陶瓷片的层数，d₃₃为其压电常数，U_r为施加于其上的电压幅值。

当同时分别向左压电叠堆5和右压电叠堆8施加电压U_l、U_r时，差动柔性铰链4将上述左压电叠堆5产生的位移x_l、右压电叠堆8产生的位移x_r进行合成，并于驱动脚处输出，用于驱动滑块7在导轨6上滑动。则输出运动可以表示为：

x_out＝x_lout-x_rout＝A_x(x_l-x_r)

y_out＝y_lout+y_rout＝A_y(x_l+x_r)

此即为差动运动原理，上两式表明驱动脚406沿x轴方向的输出x_out取决于左压电叠堆5产生的位移x_l和右压电叠堆8产生的位移x_r的位移之差x_l-x_r，而驱动脚沿y轴方向的输出y_out取决于左压电叠堆5产生的位移x_l和右压电叠堆8产生的位移x_r的位移之和x_l+x_r。

以正向驱动为例，当改变三角波电压的相位差时，基于差动运动原理，驱动脚的输出轨迹随相位差的变化如图6所示，其运动方向为顺时针。进一步地，对三角波电压波形进行改进，如图5所示，当分别改变卸载电压U_unload和推动电压U_push的幅值时，驱动脚的输出轨迹的变化分别如图7和图8所示，同样地，其运动方向也为顺时针。

参见图5和图9所示，本发明一种基于差动运动原理的压电驱动器的控制方法，包括以下步骤：

一、在0时刻时，驱动器处于初始状态，驱动脚406处于位置A，调节微调机构2的旋钮，改变驱动脚406与滑块7之间初始间隙Δy，并同时测量滑块7的输出位移，当输出位移曲线中无水平迟滞部分时，相应的间隙被定义为零间隙，如图10所示，此后，扩大初始间隙Δy至合适程度，并调节锁紧螺钉203将初始间隙Δy固定，本例以30微米为例。如图10中(a)所示。

二、第一阶段：在0～t₁时间段内，随着驱动电压U_r的增加，右压电叠堆8将缓慢伸长并推动差动柔性铰链4产生弹性变形，在此期间，驱动脚406从位置A经历位移x₁和y₁到达位置B。在此过程中，相位差被定义为在本例中，相位差如图10中(b)所示。

三、第二阶段：在t₁～t₂时间段内，驱动电压U_l和U_r保持同步增长，相应地，左压电叠堆5和右压电叠堆8产生相同的伸长量，在此期间，驱动脚406沿y轴正向运动位移y₂，直至与滑块7接触于位置C，并产生接触力P。如图10中(c)所示。

四、第三阶段：在t₂～t₃时间段内，驱动电压U_l继续增长，而U_r开始下降，二者变化幅度相同，且此变化幅值被定义为推动电压U_push，在本例中，驱动电压被设置为U_push＝50V。在此期间，左压电叠堆5伸长，而右压电叠堆8收缩，二者变化程度相同。在这一过程中，驱动脚406沿x轴正向从位置C运动至位置D，由于相对运动的存在，静摩擦力f将产生并作为驱动力驱动滑块7沿x轴正向产生与驱动脚406相同的位移x₂。如图10中(d)所示。

五、第四阶段：在t₃～t₄时间段内，与第三阶段电压变化相反，驱动电压U_l和U_r保持同步下降(此下降的电压幅值被定义为卸载电压U_unload，在本例中被设置为U_unload＝60V)，则左压电叠堆5和右压电叠堆8产生相同的收缩量，在此期间，驱动脚406沿y轴负向从位置D运动至位置E，相应地产生位移y3，并与滑块7分离，在此过程中，滑块7始终保持静止因为驱动脚406与滑块7在x轴方向上没有产生相对运动。如图10中(e)所示。

六、第五阶段：在t₄～t₅时间段内，与第四阶段电压变化相反，相当于粘滑压电驱动器工作工程中的“滑”阶段，驱动脚406沿x轴负向从位置E迅速地移动位移x₂至位置B，为下一个循环做准备。在此过程中，驱动脚406与滑块7始终保持分离状态，因此滑块7不会产生回退运动，即从驱动原理上抑制了回退运动。如图10中(f)所示。

七、在t₅～t_n-1时间段内，驱动器将重复步骤三至步骤六，因此，驱动脚406将相应产生周期性的差动运动，与滑块7周期性的接触和分离，进而驱动滑块7在导轨6上进行长行程、无回退的直线运动。

八、在t_n-1～t_n时间段内，当滑块运行至目标点时，驱动脚406从位置E经历位移x₃和y₄返回至位置A，标志着此次驱动过程的结束。上述过程仅以正向驱动为例，同理，将左压电叠堆5和右压电叠堆8的驱动电信号U_L和U_R相互对换即可实现滑块7的反向驱动。如图10中(g)所示。

通过调节左压电叠堆5和右压电叠堆8的驱动电信号U_L和U_R的频率，即可实现对滑块7的运动速度的调控。

参见图11所示，为本发明的右压电叠堆8在驱动频率为1Hz，电压幅值为150V的三角波电压单独作用下，在初始间隙Δy为0微米至20微米范围内，调节10微米，滑块7的输出位移随时间变化的实验曲线图。从图中可以看出，当调节微调机构2的旋钮对初始间隙Δy从0微米开始，依次扩大10微米时，滑块7的输出位移曲线中的水平停滞部分相应增大。

参见图12所示，为本发明在初始间隙为30微米，驱动频率为1Hz的协同驱动电信号作用下，在卸载电压U_unload为0V至60V范围内，依次调节10V，滑块7的输出位移随时间变化的实验曲线图。从图中可以看出，滑块7输出位移曲线中的回退运动部分随着卸载电压U_unload的增大而逐渐减小，表明驱动器的回退运动正在被逐渐抑制，当卸载电压U_unload大于50V时，驱动器的回退运动被完全抑制。

参见图13及图14所示，图13为本发明在卸载电压U_unload为60V，初始间隙Δy为30微米，驱动频率为1Hz的协同驱动电信号作用下，在推动电压U_push为10V至90V范围内，依次调节10V，滑块7的输出位移随时间变化的实验曲线图；图14为本发明在推动电压U_push为50V，卸载电压U_unload为60V，初始间隙Δy为30微米的协同驱动电信号作用下，在驱动频率为1Hz至10Hz范围内，对驱动频率依次调节1Hz，滑块7的输出位移随时间变化的实验曲线图；可以看出，在保持初始间隙Δy、卸载电压U_unload不变的前提下，改变推动电压U_push与驱动频率其一时，驱动器的回退运动均得到了有效的抑制。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。