CN101741277B - 一种直线型压电马达 - Google Patents

Abstract

一种直线型压电马达，包括有底座、定子和滑块，滑块的底部通过轴承支撑，其特征在于：定子为环形定子，包括有圆环金属块和圆环压电陶瓷，金属块上还设置有和滑块相抵的金属驱动角，压电陶瓷沿圆周等间隔地设置有4m个分区，m为正整数，每两个相邻的分区为一组电极且极化方向相同，相邻两组电极的极化方向相反，金属驱动角设置在任意一组电极上，压电陶瓷的所有分区的一半连接有激励电压，连接有激励电压的分区为沿压电陶瓷的圆周间隔设置。与现有技术相比，本发明在定子上设置金属驱动角，打破了定子的对称性，由于定子对称性的破坏，使得定子的两个同阶的面外弯曲振动的谐振频率存在一定的差值，仅通过单相电源就能够直接驱动定子，驱动电路更为简单。

Description

一种直线型压电马达

技术领域

本发明涉及一种超声波马达，特别是一种直线型压电马达。

背景技术

压电马达(又称超声电机)是20世纪80中期发展起来的一种全新概念的新型驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应激发某种特定模态的超声振动，从而将电能转换为弹性体的超声振动(机械能)，并将摩擦传动转换成运动体的回转或直线运动。

压电马达与传统电磁式马达相比，具有转速低、转矩大、结构紧凑、体积小、噪声小等优点，由于压电马达不需要磁铁和线圈，因而不受磁场干扰，被广泛应用在工业、民用及航空航天等领域当中。压电马达按照运动形式来划分，可以分为旋转型和直线型两种类型。其中，直线型压电马达相比于旋转型的马达，它的定位精度非常高，广泛应用在一些对定位精度要求比较高的场合，如电子扫描隧道显微镜、光栅衍射、干涉光谱扫描、X-Y定位平台、医疗中的药剂注射、生物医学研究中的细胞穿刺等。

早在1987年，日本佳能公司就研制出第一台用压电马达实现变焦的相机，成功地将压电马达应用到EOS(Electro Optical System)系列全时手动高档相机，至今，佳能公司已在37种型号的相机上安装了压电马达以实现相机的变焦。日本佳能公司最先采用的这种压电马达是利用环形定子进行两个相互正交的一阶面外弯曲振动，由于环形定子具有完全对称的结构，两个面外弯曲振动的谐振频率是相同的，因此，该马达必须采用两个相位相差90度的两相电源驱动，对电源的要求较高，电源驱动***复杂。

而其他类型的直线型压电马达，如已有的专利号为ZL200410101574.4的中国发明专利《压电陶瓷金属复合板面内振动直线超声电机》则公开了这样一种直线超声电机，该电机由定子、输出力矩的动子以及给动子加压的预压力机构组成，定子由八片压电陶瓷片以及金属板构成，金属板的侧面上设有驱动足；该各压电陶瓷片对称粘贴在金属板的两表面上，且均沿着定子的厚度方向极化，该压电陶瓷片接激励电极的表面涂有外电极，用于沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向施加电场。上述专利是利用压电陶瓷的d₃₁效应在定子上激励出弯振和纵振的复合振动，它同样需要用两相电源来激励纵振动和弯曲振动，而且，这类直线型压电马达在设计的时候要调节定子的纵振动和弯曲振动的谐振频率一致，使得定子的尺寸变化受很大的限制，间接导致这类直线型压电马达的体积比较大，不利于集成化，还有待于作进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种能用单相电源直接驱动且体积更小而利于集成化的直线型压电马达。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该直线型压电马达，包括有底座以及设置在该底座内的定子和滑块，所述滑块的底部通过轴承支撑，其特征在于：所述的定子为环形定子，该定子包括有圆环金属块和设置在该圆环金属块上的圆环压电陶瓷，所述圆环金属块的圆周上还设置有一沿该圆环金属块的径向向外凸起的金属驱动角，该金属驱动角和所述滑块相抵，所述圆环压电陶瓷沿圆周等间隔地设置有4m个分区，其中，m为正整数，每两个相邻的所述分区为一组电极且极化方向相同，而相邻两组电极的极化方向则相反，该圆环压电陶瓷采用沿厚度方向极化，所述的金属驱动角设置在任意一组所述电极上，并且，所述圆环压电陶瓷上设置的所有所述分区的一半连接有激励电压，该连接有所述激励电压的分区为沿所述圆环压电陶瓷的圆周间隔设置。

为了达到最好的振动效果，作为优选，所述的金属驱动角设置在任意一组所述电极的两个相邻分区的正中间为佳。

作为优选，所述圆环金属块的至少一个侧面上设置有所述的圆环压电陶瓷，并且，该圆环压电陶瓷和所述圆环金属块之间通过采用环氧树脂粘接固定于一体。采用环氧树脂固定能够保证压电陶瓷连接的可靠性，为了减小马达的体积，可以只在圆环金属块的一侧面粘接压电陶瓷，但是，为了降低马达的驱动电压，也可以在圆环金属块的两个侧面分别粘结一个同样的压电陶瓷。

为了保证金属驱动角的连接可靠性，防止驱动角在工作中脱落，作为进一步优选，所述的金属驱动角为一横截面呈矩形的凸块，该金属驱动角和所述圆环金属块为一体加工成型。

为了减小压电马达的整体体积，使得马达的安装结构更为紧凑，提高各部件之间的集成化，所述的底座为一顶部敞口的矩形框架结构，该底座在敞口的顶部通过可调节螺钉连接有上压块，所述上压块通过橡胶弹性片和所述定子的外圆周相抵。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在定子上设置有金属驱动角，该金属驱动角打破了定子的对称性，由于定子对称性的破坏，使得定子的两个同阶的面外弯曲振动的谐振频率不一致并存在一定的差值，当只用两个面外弯曲振动的谐振频率的中间频率f₀进行激励时，这个激振频率f₀能够同时实现定子上的两个相互正交的一阶面外弯曲振动，因此，本发明不需要两相电源驱动，仅通过单相电源就能够直接驱动定子，驱动电路更为简单，马达的整体连接结构简化，环形定子和底座的配合使得整机结构更为紧凑，更加利于集成化。

附图说明

图1为本发明实施例的压电马达装配结构示意图。

图2为本发明实施例的定子结构示意图。

图3为图2所示定子的侧视图。

图4为本发明实施例的压电陶瓷所采用的激励方式结构示意图。

图5为本发明实施例的环形定子在图4所示激励方式下的面外弯曲振动示意图。

图6为本发明实施例采用阻抗分析仪测试获得的环形定子振动模态的阻抗与相位频谱。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～图4所示，本发明实施例的直线型压电马达，该压电马达克服了目前直线型压电马达体积大、驱动电路复杂等缺点，提供了一个薄片式(马达的整体厚度可以＜3mm)、可控性好，容易和其它的电子设备集成在一起，价格低廉的直线型压电马达，可以广泛应用在定位平台，光学准直等领域中。

本实施例的直线型压电马达包括有一呈矩形框架结构的底座1，该底座内设置有环形定子2、滑块3和轴承4，其中，底座1的顶部敞口，该底座1在敞口的顶部通过可调节螺钉5连接有一个上压块6，通过旋动螺钉5可以调节上压块6和底座1底部之间的距离，从而将设置在底座1内的定子和滑块3压紧，并且，上压块6通过橡胶弹性片7和环形定子2的外圆周相抵。

环形定子2包括有圆环压电陶瓷21和圆环金属块22，其中，圆环压电陶瓷21通过环氧树脂粘接在环形金属块22的其中一侧上，在圆环金属块22的外周上沿径向向外凸出有一横截面呈矩形的金属驱动角23，该金属驱动角23和圆环金属块22一体加工成型，圆环压电陶瓷21沿圆周等间隔地划分成8个分区211，每两个相邻的分区211做为一组电极，共有四组电极，每组电极内两个分区211的极化方向相同，而相邻两组电极的极化方向则相反，参见图2；在本实施例中，圆环压电陶瓷21沿圆周间隔划分的分区211数目可以为4m，其中，m为正整数，并且，该圆环压电陶瓷21采用沿厚度方向极化，金属驱动角23设置在任意一组电极的两个相邻分区的正中间。

这里，圆环压电陶瓷21的化学组成采用现有技术，可以为：Pb(ZrxTi1-x)O3，(1-x)(KNa)NbO3-xLiNbO3，(1-x)(BiNa)TiO3-xBaTiO3，(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其中x表示不同压电陶瓷的化学组分，其最优的化学组分在固溶体的准同型相界附近。

本实施例圆环压电陶瓷21的其中四个分区211上分别施加有一个高频的交流电压作为激励电压，并且这些连接有激励电压的分区211为沿圆环压电陶瓷21的圆周间隔设置，电压的施加方式参见图4，圆环压电陶瓷21上的正负号表示压电陶瓷21的极化方向，并且相邻的两个分区之间不存在反馈电极；

因此，本实施例的驱动电路为单相输出的高频电路，当给间隔设置的其中四个分区(即压电陶瓷所有分区的一半)施加交流电压时，由于圆环压电陶瓷的逆压电效应，就可以激发环形定子2的面外一阶弯曲振动，这时滑块3就可以运动；当需要改变滑块3的运动方向时，只需对圆环压电陶瓷21的另外四个分区激励就可以达到目的。

如图5、图6所示，本实施例的工作原理为：

本实施例的直线型压电马达利用的是定子两个退化的面外弯曲振动合成驱动角上质点的椭圆运动，由于金属驱动角的引入，使得定子的对称性降低，由于对称性的破坏，定子的两个同阶的面外弯曲振动W′₁和W′₂的谐振频率不一致，即存在2～5kHz的差值，这里设定本实施例圆环定子的面外弯曲振动W′₁和W′₂的谐振频率分别为f₁和f₂，振动模态W′₁和W′₂在空间上存在45°的转角。

当用在两个面外弯曲振动W′₁和W′₂的谐振频率f₁和f₂的中间频率f₀进行激励时，这个激励频率f₀就会同时激励W′₁和W′₂进行弯曲振动，并采用阻抗分析仪测试获得环形定子振动模态的阻抗与相位频谱，参见图6；

这时，激励得到的W′₁和W′₂振动之间的相位相差为90°，假设W′₁和W′₂的振幅相等为A，若把W′₁和W′₂的振动沿X轴和Y轴进行分解，可以看到，W′₁的振动只在Y轴有分振动为：Acos ωT；而W′₂沿X轴和Y轴进行分解后，可以得到，W′₂沿X轴的分振动为Acos45°cos(ωt+90°)，W′₂沿Y轴的分振动则为为Asin45°cos(ωt+90°)。

于是，金属驱动角上质点沿X轴和Y轴的运动可以写为：

这个是一个典型的椭圆运动轨迹，实际上，由于通过f₀进行激振可以同时激发W′₁和W′₂两种模态的振动，这两种振动在环形定子的外圆周上会产生一个行波运动，即当金属驱动角做椭圆运动时就能够驱动和该金属驱动角相接触的滑块做水平移动。

因此，本实施例的金属驱动角存在主要有两个目的：(1)破坏环形定子的对称性，使得两个面外弯曲振动的谐振频率不一致；(2)放大环形定子外圆周行波的振幅，有利于提高电机的驱动力。从本实施例压电马达的上述工作原理中可以推出，金属驱动角的最优位置应该设置在圆环压电陶瓷的任意一组电机的两个分区的正中间。

Claims (3)

1.一种直线型压电马达，包括有底座(1)以及设置在该底座(1)内的定子(2)和滑块(3)，所述滑块(3)的底部通过轴承(4)支撑，其特征在于：所述的定子(2)为环形定子，该定子(2)包括有圆环金属块(22)和设置在该圆环金属块(22)上的圆环压电陶瓷(21)，所述圆环金属块(22)的圆周上还设置有一沿该圆环金属块(22)的径向向外凸起的金属驱动角(23)，该金属驱动角(23)和所述滑块(3)相抵，所述圆环压电陶瓷(21)沿圆周等间隔地设置有4m个分区(211)，其中，m为正整数，每两个相邻的所述分区为一组电极且极化方向相同，而相邻两组电极的极化方向则相反，该圆环压电陶瓷(21)采用沿厚度方向极化，所述的金属驱动角(23)设置在任意一组所述电极上，并且，所述圆环压电陶瓷(21)上设置的所有所述分区(211)的一半连接有激励电压，该连接有所述激励电压的分区为沿所述圆环压电陶瓷(21)的圆周间隔设置；所述的金属驱动角(23)为一横截面呈矩形的凸块，该金属驱动角(23)和所述圆环金属块(22)为一体加工成型；所述的底座(1)为一顶部敞口的矩形框架结构，该底座(1)在敞口的顶部通过可调节螺钉(5)连接有上压块(6)，所述上压块(6)通过橡胶弹性片(7)和所述定子(2)的外圆周相抵。

2.根据权利要求1所述的直线型压电马达，其特征在于：所述的金属驱动角(23)设置在任意一组所述电极的两个相邻分区的正中间。

3.根据权利要求1所述的直线型压电马达，其特征在于：所述圆环金属块(22)的至少一个侧面上设置有所述的圆环压电陶瓷(21)，并且，该圆环压电陶瓷(21)和所述圆环金属块(22)之间通过采用环氧树脂粘接固定于一体。

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