專(zhuān)利名稱：壓電-電流變直線步進(jìn)馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電-電流變直線步進(jìn)馬達(dá)，屬機(jī)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)有的壓電直線馬達(dá)，如美國(guó)專(zhuān)利US4736131公開(kāi)的，采用三個(gè)壓電堆雜構(gòu)成的壓電直線馬達(dá)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由基體101，箝位器102和壓電體103組成，其優(yōu)點(diǎn)是具有大行程、大推力的特點(diǎn)，但它的具有放大位移量的箝位機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊振動(dòng)，而且馬達(dá)的功耗，有2/3都消耗在箝位器上。此外，磨損及噪聲也是其存在的問(wèn)題之一。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用壓電體的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)、電流變效應(yīng)箝位的新型直線步進(jìn)馬達(dá)，使其具有高驅(qū)動(dòng)力、高機(jī)械分辨力和高電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)，而且無(wú)磨損、無(wú)沖擊振動(dòng)。
本發(fā)明的內(nèi)容是壓電/電流變直線步進(jìn)馬達(dá)，由箝位器、壓電/電致伸縮元件和絕緣導(dǎo)軌組成。箝位器由箝位極板、電流變流體和基體組成。箝位極板裝接在壓電/電致伸縮元件的兩端，并架在絕緣導(dǎo)軌上，構(gòu)成馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)源，絕緣導(dǎo)軌放置在基體底部?jī)蓚?cè)。箝位極板和基座之間充滿電流變流體，基體是零電位，箝位極板接高電位。
電流變流體是一種高絕緣液體，其間懸浮有大量的具有較高極化特性的微細(xì)顆粒，當(dāng)電流變流體置于高電場(chǎng)下，液體中的顆粒能在瞬間形成具有抗剪能力的顆粒鏈或質(zhì)點(diǎn)纖維，使流體呈現(xiàn)“弱固體”狀態(tài)，并表現(xiàn)出類(lèi)似固體的性質(zhì)。一當(dāng)電場(chǎng)去掉，便又在瞬間恢復(fù)流體原狀。通常電流變流體從液到固/固到液響應(yīng)時(shí)間周期，小于1ms，甚至僅為幾十μs。
由于電流變流體受電場(chǎng)控制時(shí)能可逆以液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)，或從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，利用這種效應(yīng)可以構(gòu)成直線步進(jìn)馬達(dá)的箝位器。當(dāng)在箝位極板與基座之間施加高電場(chǎng)(1-3KV/mm)時(shí)，電流變流體將在瞬間(小于1ms)轉(zhuǎn)變?yōu)槿豕虘B(tài)，同時(shí)把馬達(dá)的箝位極板同基座固成一體，從而使馬達(dá)箝位。性能良好的電流變流體在E＝3KV/mm的電場(chǎng)下，其屈服強(qiáng)度為5-60KPa，工作電流密度為0.1μA-2μA/cm2。因此，對(duì)于一個(gè)面積為10cm2的箝位元件，箝位時(shí)所傳遞的推力為0.5-6Kg，箝位時(shí)所消耗的功率僅為3mW-60mW;而采用多層壓電體作箝位器，傳遞同樣的推力所消耗的功率通常是電流變流體的十到幾百倍。運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)箝位器交替箝位，配合中間壓電/電致伸縮元件的伸縮運(yùn)動(dòng)，使馬達(dá)能以步進(jìn)方式運(yùn)行。
使用電流變箝位的壓電/電致伸縮直線馬達(dá)，和通常利用壓電致動(dòng)器、電磁力箝位馬達(dá)相比，它只需要沿軸向運(yùn)動(dòng)方向提供用于驅(qū)動(dòng)的一種振動(dòng)模式，不存在垂直于軸向用于箝位的第二種振動(dòng)模式及所帶來(lái)的沖擊動(dòng)作和沖擊噪聲。因此更適用于超精密機(jī)械定位場(chǎng)合。采用電流變流體做箝位器，避免了通常壓電馬達(dá)所需要的高精密加工工藝，在工藝上有條件做成大行程，同時(shí)具有高精密定位性能，因此，直線運(yùn)動(dòng)的壓電/電致伸縮-電流變馬達(dá)具有大行程、低速度、高精密定位的性能和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是已有技術(shù)示意2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意3是圖2的側(cè)視4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例圖5是圖4的側(cè)視圖下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明內(nèi)容。圖2和圖3中1a、1b是箝位極板，2是壓電/電致伸縮元件，3是槽形基體，3a、3b是絕緣導(dǎo)軌，4是電流變流體。箝位極板1a、1b對(duì)稱地連接在壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)元件2的兩端，并與基體3平行的置放在絕緣導(dǎo)軌3a、3b上，箝位極板1a、1b與基體之間，充滿了電流變流體4。壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)元件2，在電壓作用下能沿軸向伸縮。當(dāng)一高壓電信號(hào)被加到箝位極板1a或1b上時(shí)，(基體為零電位)，則極板1a或1b與基座之間的電流變流體，將在瞬間變?yōu)楣虘B(tài)，從而將箝位極板固定在基體上，實(shí)現(xiàn)了箝位。運(yùn)行時(shí)，首先將一高壓脈沖施加到箝位極板1a上，使1a與基體之間的電流變流體變?yōu)楣虘B(tài)，1a被箝位，之后將另一電壓脈沖施加到壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)元件2上，使2伸長(zhǎng)并推動(dòng)箝位極板1b向右移動(dòng)一步，保持2伸長(zhǎng)，將高壓脈沖加到1b上，使1b與基體之間電流變流體也變成固態(tài)，1b被箝位;再去掉1a上的電壓，1a與基體之間已成固態(tài)的電流變流體又在瞬間恢復(fù)為液態(tài)，使1a自由;之后，去掉壓電/電致伸縮元件2上的電壓，因1b已箝位，結(jié)果2恢復(fù)原長(zhǎng)的同時(shí)，也帶動(dòng)箝位極板1a向右移動(dòng)一步。這樣馬達(dá)已完成一步運(yùn)行。以后重復(fù)以上步驟，馬達(dá)將一直向右運(yùn)動(dòng)下去。如果將以上運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)進(jìn)行、則馬達(dá)將向左運(yùn)動(dòng)。馬達(dá)的運(yùn)行速度可通過(guò)改變施加壓電/電致伸縮元件上的電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)，也可通過(guò)改變方波源頻率來(lái)調(diào)節(jié)，精密的控制驅(qū)動(dòng)電壓的幅值，可獲得亞、次亞微米的步距。
圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖5是圖4的側(cè)視圖。圖4和圖5中，5是電流變流體，6a、6b是園筒狀箝位器，6a-1、6b-1是箝位極板，7是圓筒狀基體，8是壓電/電致伸縮元件，它是一個(gè)多層致動(dòng)器。9是絕緣導(dǎo)軌，10是半球形尾。從圖中可以看出，這種馬達(dá)為園柱狀結(jié)構(gòu)，圓筒狀的箝位器6a、6b有更大的箝位面積6a-1、6a-2，因而能獲得更大的箝位力。園筒狀箝位極板對(duì)稱聯(lián)接在壓電/電致伸縮動(dòng)力元件8的兩端，它們構(gòu)成馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)裝置，絕緣導(dǎo)軌9將驅(qū)動(dòng)裝置同基體7分開(kāi)一間隙，并使其內(nèi)充滿電流變流體5。10為半球形尾，10在液體中可減少反向運(yùn)行阻力和起防撞保護(hù)作用。絕緣導(dǎo)軌有四根，沿園周均勻分置于園筒狀基體上。
權(quán)利要求
1.一種壓電-電流變直線步進(jìn)馬達(dá)，其特征在于所述的馬達(dá)由箝位器、壓電/電致伸縮元件、基體和絕緣導(dǎo)軌組成，所述的箝位器由箝位極板、電流變流體和基體組成；所述的箝位極板裝接在壓電/電致伸縮元件的兩端，并與基體平行地安置在絕緣導(dǎo)軌上，構(gòu)成馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)源，絕緣導(dǎo)軌裝置在基體底部?jī)蓚?cè)；所述的箝位極板和基體之間充滿電流變流體；基體是零電位，箝位極板接高電位。
2.一種如權(quán)利要求1所述的直線步進(jìn)馬達(dá)，其特征在于其中所述的基體為園筒狀;所述的箝位極板是園筒片狀;所述的絕緣導(dǎo)軌有四根，沿園周均勻分置于園筒狀基體上，所述的壓電電致伸縮元件為一多層致動(dòng)器，園片狀箝位極板對(duì)稱聯(lián)接在壓電伸縮致動(dòng)元件兩端，構(gòu)成馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)源，并與圓筒狀基體同軸的安裝在其內(nèi)的絕緣導(dǎo)軌上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電-電流變直線步進(jìn)馬達(dá)。這種馬達(dá)由箝位器，壓電/電致伸縮元件和絕緣導(dǎo)軌組成。箝位器由箝位極板、電流變流體和基體組成。箝位極板裝接在壓電/電致伸縮元件的兩端，并架在絕緣導(dǎo)軌上，構(gòu)成馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)源。箝位極板和基體之間充滿電流變流體。由于電流變流體在變電場(chǎng)控制下能可逆，從液體到固體相互轉(zhuǎn)化，從而使馬達(dá)箝位或松動(dòng)。壓電-電流變直線步進(jìn)馬達(dá)適于大行程、低速度、高精密定位的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02N2/00GK1066941SQ9210526
公開(kāi)日1992年12月9日 申請(qǐng)日期1992年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月2日
發(fā)明者董蜀湘, 李龍土, 周鐵英, 桂治輪, 張孝文 申請(qǐng)人:清華大學(xué)