專利名稱：一種直線型壓電馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波馬達(dá)，特別是一種直線型壓電馬達(dá)。
背景技術(shù)：
壓電馬達(dá)(又稱超聲電機(jī))是20世紀(jì)80中期發(fā)展起來的一種全新概念的新型驅(qū)
動(dòng)裝置，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)激發(fā)某種特定模態(tài)的超聲振動(dòng)，從而將電能轉(zhuǎn)換為
彈性體的超聲振動(dòng)(機(jī)械能)，并將摩擦傳動(dòng)轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。 壓電馬達(dá)與傳統(tǒng)電磁式馬達(dá)相比，具有轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、噪聲小
等優(yōu)點(diǎn)，由于壓電馬達(dá)不需要磁鐵和線圈，因而不受磁場干擾，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、民用及
航空航天等領(lǐng)域當(dāng)中。壓電馬達(dá)按照運(yùn)動(dòng)形式來劃分，可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種類型。
其中，直線型壓電馬達(dá)相比于旋轉(zhuǎn)型的馬達(dá)，它的定位精度非常高，廣泛應(yīng)用在一些對(duì)定位
精度要求比較高的場合，如電子掃描隧道顯微鏡、光柵衍射、干涉光譜掃描、X-Y定位平臺(tái)、
醫(yī)療中的藥劑注射、生物醫(yī)學(xué)研究中的細(xì)胞穿剌等。 早在1987年，日本佳能公司就研制出第一臺(tái)用壓電馬達(dá)實(shí)現(xiàn)變焦的相機(jī)，成功地 將壓電馬達(dá)應(yīng)用到EOS (Electro Optical System)系列全時(shí)手動(dòng)高檔相機(jī)，至今，佳能公司 已在37種型號(hào)的相機(jī)上安裝了壓電馬達(dá)以實(shí)現(xiàn)相機(jī)的變焦。日本佳能公司最先采用的這 種壓電馬達(dá)是利用環(huán)形定子進(jìn)行兩個(gè)相互正交的一階面外彎曲振動(dòng)，由于環(huán)形定子具有完 全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)面外彎曲振動(dòng)的諧振頻率是相同的，因此，該馬達(dá)必須采用兩個(gè)相位相 差90度的兩相電源驅(qū)動(dòng)，對(duì)電源的要求較高，電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜。 而其他類型的直線型壓電馬達(dá)，如已有的專利號(hào)為ZL200410101574.4的中國發(fā) 明專利《壓電陶瓷金屬復(fù)合板面內(nèi)振動(dòng)直線超聲電機(jī)》則公開了這樣一種直線超聲電機(jī)，該 電機(jī)由定子、輸出力矩的動(dòng)子以及給動(dòng)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，定子由八片壓電陶瓷片 以及金屬板構(gòu)成，金屬板的側(cè)面上設(shè)有驅(qū)動(dòng)足；該各壓電陶瓷片對(duì)稱粘貼在金屬板的兩表 面上，且均沿著定子的厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵(lì)電極的表面涂有外電極，用于沿 與壓電陶瓷極化方向垂直的方向施加電場。上述專利是利用壓電陶瓷的d31效應(yīng)在定子上 激勵(lì)出彎振和縱振的復(fù)合振動(dòng)，它同樣需要用兩相電源來激勵(lì)縱振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，而且，這 類直線型壓電馬達(dá)在設(shè)計(jì)的時(shí)候要調(diào)節(jié)定子的縱振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的諧振頻率一致，使得定 子的尺寸變化受很大的限制，間接導(dǎo)致這類直線型壓電馬達(dá)的體積比較大，不利于集成化， 還有待于作進(jìn)一步的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種能用單相 電源直接驅(qū)動(dòng)且體積更小而利于集成化的直線型壓電馬達(dá)。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該直線型壓電馬達(dá)，包括有底座 以及設(shè)置在該底座內(nèi)的定子和滑塊，所述滑塊的底部通過軸承支撐，其特征在于所述的定 子為環(huán)形定子，該定子包括有圓環(huán)金屬塊和設(shè)置在該圓環(huán)金屬塊上的圓環(huán)壓電陶瓷，所述圓環(huán)金屬塊的圓周上還設(shè)置有一沿該圓環(huán)金屬塊的徑向向外凸起的金屬驅(qū)動(dòng)角，該金屬驅(qū) 動(dòng)角和所述滑塊相抵，所述圓環(huán)壓電陶瓷沿圓周等間隔地設(shè)置有4m個(gè)分區(qū)，其中，m為正整 數(shù)，每兩個(gè)相鄰的所述分區(qū)為一組電極且極化方向相同，而相鄰兩組電極的極化方向則相 反，該圓環(huán)壓電陶瓷采用沿厚度方向極化，所述的金屬驅(qū)動(dòng)角設(shè)置在任意一組所述電極上， 并且，所述圓環(huán)壓電陶瓷上設(shè)置的所有所述分區(qū)的一半連接有激勵(lì)電壓，該連接有所述激 勵(lì)電壓的分區(qū)為沿所述圓環(huán)壓電陶瓷的圓周間隔設(shè)置。 為了達(dá)到最好的振動(dòng)效果，作為優(yōu)選，所述的金屬驅(qū)動(dòng)角設(shè)置在任意一組所述電 極的兩個(gè)相鄰分區(qū)的正中間為佳。 作為優(yōu)選，所述圓環(huán)金屬塊的至少一個(gè)側(cè)面上設(shè)置有所述的圓環(huán)壓電陶瓷，并且， 該圓環(huán)壓電陶瓷和所述圓環(huán)金屬塊之間通過采用環(huán)氧樹脂粘接固定于一體。采用環(huán)氧樹脂 固定能夠保證壓電陶瓷連接的可靠性，為了減小馬達(dá)的體積，可以只在圓環(huán)金屬塊的一側(cè) 面粘接壓電陶瓷，但是，為了降低馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電壓，也可以在圓環(huán)金屬塊的兩個(gè)側(cè)面分別粘 結(jié)一個(gè)同樣的壓電陶瓷。 為了保證金屬驅(qū)動(dòng)角的連接可靠性，防止驅(qū)動(dòng)角在工作中脫落，作為進(jìn)一步優(yōu)選， 所述的金屬驅(qū)動(dòng)角為一橫截面呈矩形的凸塊，該金屬驅(qū)動(dòng)角和所述圓環(huán)金屬塊為一體加工 成型。 為了減小壓電馬達(dá)的整體體積，使得馬達(dá)的安裝結(jié)構(gòu)更為緊湊，提高各部件之間 的集成化，所述的底座為一頂部敞口的矩形框架結(jié)構(gòu)，該底座在敞口的頂部通過可調(diào)節(jié)螺 釘連接有上壓塊，所述上壓塊通過橡膠彈性片和所述定子的外圓周相抵。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在定子上設(shè)置有金屬驅(qū)動(dòng)角，該金屬驅(qū)動(dòng)角 打破了定子的對(duì)稱性，由于定子對(duì)稱性的破壞，使得定子的兩個(gè)同階的面外彎曲振動(dòng)的諧 振頻率不一致并存在一定的差值，當(dāng)只用兩個(gè)面外彎曲振動(dòng)的諧振頻率的中間頻率f。進(jìn)行 激勵(lì)時(shí)，這個(gè)激振頻率f。能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)定子上的兩個(gè)相互正交的一階面外彎曲振動(dòng)，因此， 本發(fā)明不需要兩相電源驅(qū)動(dòng)，僅通過單相電源就能夠直接驅(qū)動(dòng)定子，驅(qū)動(dòng)電路更為簡單，馬 達(dá)的整體連接結(jié)構(gòu)簡化，環(huán)形定子和底座的配合使得整機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊，更加利于集成化。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的壓電馬達(dá)裝配結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的定子結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為圖2所示定子的側(cè)視圖。 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的壓電陶瓷所采用的激勵(lì)方式結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的環(huán)形定子在圖4所示激勵(lì)方式下的面外彎曲振動(dòng)示意圖。 圖6為本發(fā)明實(shí)施例采用阻抗分析儀測試獲得的環(huán)形定子振動(dòng)模態(tài)的阻抗與相
位頻譜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 如圖1 圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例的直線型壓電馬達(dá)，該壓電馬達(dá)克服了目前直 線型壓電馬達(dá)體積大、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜等缺點(diǎn)，提供了一個(gè)薄片式(馬達(dá)的整體厚度可以
4<3皿)、可控性好，容易和其它的電子設(shè)備集成在一起，價(jià)格低廉的直線型壓電馬達(dá)，可以 廣泛應(yīng)用在定位平臺(tái)，光學(xué)準(zhǔn)直等領(lǐng)域中。 本實(shí)施例的直線型壓電馬達(dá)包括有一呈矩形框架結(jié)構(gòu)的底座l，該底座內(nèi)設(shè)置有 環(huán)形定子2、滑塊3和軸承4，其中，底座1的頂部敞口，該底座1在敞口的頂部通過可調(diào)節(jié) 螺釘5連接有一個(gè)上壓塊6，通過旋動(dòng)螺釘5可以調(diào)節(jié)上壓塊6和底座1底部之間的距離， 從而將設(shè)置在底座1內(nèi)的定子和滑塊3壓緊，并且，上壓塊6通過橡膠彈性片7和環(huán)形定子 2的外圓周相抵。 環(huán)形定子2包括有圓環(huán)壓電陶瓷21和圓環(huán)金屬塊22，其中，圓環(huán)壓電陶瓷21通 過環(huán)氧樹脂粘接在環(huán)形金屬塊22的其中一側(cè)上，在圓環(huán)金屬塊22的外周上沿徑向向外凸 出有一橫截面呈矩形的金屬驅(qū)動(dòng)角23，該金屬驅(qū)動(dòng)角23和圓環(huán)金屬塊22 —體加工成型， 圓環(huán)壓電陶瓷21沿圓周等間隔地劃分成8個(gè)分區(qū)211，每兩個(gè)相鄰的分區(qū)211做為一組電 極，共有四組電極，每組電極內(nèi)兩個(gè)分區(qū)211的極化方向相同，而相鄰兩組電極的極化方向 則相反，參見圖2 ;在本實(shí)施例中，圓環(huán)壓電陶瓷21沿圓周間隔劃分的分區(qū)211數(shù)目可以為 4m，其中，m為正整數(shù)，并且，該圓環(huán)壓電陶瓷21采用沿厚度方向極化，金屬驅(qū)動(dòng)角23設(shè)置 在任意一組電極的兩個(gè)相鄰分區(qū)的正中間。 這里，圓環(huán)壓電陶瓷21的化學(xué)組成采用現(xiàn)有技術(shù)，可以為Pb(ZrxTil-x)03， (l-x)(KNa)Nb03-xLiNb03， (l-x) (BiNa)Ti03—xBaTi03， (l-x)Pb(Mgl/3Nb2/3)03-xPbTi03， 其中x表示不同壓電陶瓷的化學(xué)組分，其最優(yōu)的化學(xué)組分在固溶體的準(zhǔn)同型相界附近。
本實(shí)施例圓環(huán)壓電陶瓷21的其中四個(gè)分區(qū)211上分別施加有一個(gè)高頻的交流電 壓作為激勵(lì)電壓，并且這些連接有激勵(lì)電壓的分區(qū)211為沿圓環(huán)壓電陶瓷21的圓周間隔設(shè) 置，電壓的施加方式參見圖4，圓環(huán)壓電陶瓷21上的正負(fù)號(hào)表示壓電陶瓷21的極化方向，并 且相鄰的兩個(gè)分區(qū)之間不存在反饋電極； 因此，本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路為單相輸出的高頻電路，當(dāng)給間隔設(shè)置的其中四個(gè)分 區(qū)(即壓電陶瓷所有分區(qū)的一半)施加交流電壓時(shí)，由于圓環(huán)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，就可 以激發(fā)環(huán)形定子2的面外一階彎曲振動(dòng)，這時(shí)滑塊3就可以運(yùn)動(dòng)；當(dāng)需要改變滑塊3的運(yùn)動(dòng) 方向時(shí)，只需對(duì)圓環(huán)壓電陶瓷21的另外四個(gè)分區(qū)激勵(lì)就可以達(dá)到目的。
如圖5、圖6所示，本實(shí)施例的工作原理為 本實(shí)施例的直線型壓電馬達(dá)利用的是定子兩個(gè)退化的面外彎曲振動(dòng)合成驅(qū)動(dòng)角 上質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，由于金屬驅(qū)動(dòng)角的引入，使得定子的對(duì)稱性降低，由于對(duì)稱性的破壞， 定子的兩個(gè)同階的面外彎曲振動(dòng)W' JPW' 2的諧振頻率不一致，即存在2 5kHz的差值， 這里設(shè)定本實(shí)施例圓環(huán)定子的面外彎曲振動(dòng)W'工和W' 2的諧振頻率分別為^和&，振動(dòng) 模態(tài)W'工和W' 2在空間上存在45°的轉(zhuǎn)角。 當(dāng)用在兩個(gè)面外彎曲振動(dòng)W'工和W' 2的諧振頻率^和f2的中間頻率f。進(jìn)行激 勵(lì)時(shí)，這個(gè)激勵(lì)頻率f。就會(huì)同時(shí)激勵(lì)W'工和W' 2進(jìn)行彎曲振動(dòng)，并采用阻抗分析儀測試 獲得環(huán)形定子振動(dòng)模態(tài)的阻抗與相位頻譜，參見圖6 ; 這時(shí)，激勵(lì)得到的W'工和W' 2振動(dòng)之間的相位相差為90° ，假設(shè)W'工和W' 2的 振幅相等為A，若把W'工和W' 2的振動(dòng)沿X軸和Y軸進(jìn)行分解，可以看到，W' J勺振動(dòng)只在 Y軸有分振動(dòng)為Acos "T;而W' 2沿X軸和Y軸進(jìn)行分解后，可以得到，W' 2沿X軸的分 振動(dòng)為Acos45。
cos("t+90° )，W' 2沿Y軸的分振動(dòng)則為為Asin45。
cos("t+90° )。
于是，金屬驅(qū)動(dòng)角上質(zhì)點(diǎn)沿X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)可以寫為
<formula>formula see original document page 6</formula> 這個(gè)是一個(gè)典型的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)際上，由于通過f。進(jìn)行激振可以同時(shí)激發(fā)
W'工和W' 2兩種模態(tài)的振動(dòng)，這兩種振動(dòng)在環(huán)形定子的外圓周上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)行波運(yùn)動(dòng)，即
當(dāng)金屬驅(qū)動(dòng)角做橢圓運(yùn)動(dòng)時(shí)就能夠驅(qū)動(dòng)和該金屬驅(qū)動(dòng)角相接觸的滑塊做水平移動(dòng)。
因此，本實(shí)施例的金屬驅(qū)動(dòng)角存在主要有兩個(gè)目的(l)破壞環(huán)形定子的對(duì)稱性，
使得兩個(gè)面外彎曲振動(dòng)的諧振頻率不一致；(2)放大環(huán)形定子外圓周行波的振幅，有利于
提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。從本實(shí)施例壓電馬達(dá)的上述工作原理中可以推出，金屬驅(qū)動(dòng)角的最優(yōu)
位置應(yīng)該設(shè)置在圓環(huán)壓電陶瓷的任意一組電機(jī)的兩個(gè)分區(qū)的正中間。
權(quán)利要求
一種直線型壓電馬達(dá)，包括有底座(1)以及設(shè)置在該底座(1)內(nèi)的定子(2)和滑塊(3)，所述滑塊(3)的底部通過軸承(4)支撐，其特征在于所述的定子(2)為環(huán)形定子，該定子(2)包括有圓環(huán)金屬塊(22)和設(shè)置在該圓環(huán)金屬塊(22)上的圓環(huán)壓電陶瓷(21)，所述圓環(huán)金屬塊(22)的圓周上還設(shè)置有一沿該圓環(huán)金屬塊(22)的徑向向外凸起的金屬驅(qū)動(dòng)角(23)，該金屬驅(qū)動(dòng)角(23)和所述滑塊(3)相抵，所述圓環(huán)壓電陶瓷(21)沿圓周等間隔地設(shè)置有4m個(gè)分區(qū)(211)，其中，m為正整數(shù)，每兩個(gè)相鄰的所述分區(qū)為一組電極且極化方向相同，而相鄰兩組電極的極化方向則相反，該圓環(huán)壓電陶瓷(21)采用沿厚度方向極化，所述的金屬驅(qū)動(dòng)角(23)設(shè)置在任意一組所述電極上，并且，所述圓環(huán)壓電陶瓷(21)上設(shè)置的所有所述分區(qū)(211)的一半連接有激勵(lì)電壓，該連接有所述激勵(lì)電壓的分區(qū)為沿所述圓環(huán)壓電陶瓷(21)的圓周間隔設(shè)置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的直線型壓電馬達(dá)，其特征在于所述的金屬驅(qū)動(dòng)角(23)設(shè)置 在任意一組所述電極的兩個(gè)相鄰分區(qū)的正中間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的直線型壓電馬達(dá)，其特征在于所述圓環(huán)金屬塊(22)的至少 一個(gè)側(cè)面上設(shè)置有所述的圓環(huán)壓電陶瓷(21)，并且，該圓環(huán)壓電陶瓷(21)和所述圓環(huán)金屬 塊(22)之間通過采用環(huán)氧樹脂粘接固定于一體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的直線型壓電馬達(dá)，其特征在于所述的金屬驅(qū)動(dòng)角(23)為一 橫截面呈矩形的凸塊，該金屬驅(qū)動(dòng)角(23)和所述圓環(huán)金屬塊(22)為一體加工成型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的直線型壓電馬達(dá)，其特征在于所述的底座(1) 為一頂部敞口的矩形框架結(jié)構(gòu)，該底座(1)在敞口的頂部通過可調(diào)節(jié)螺釘(5)連接有上壓 塊(6)，所述上壓塊(6)通過橡膠彈性片(7)和所述定子(2)的外圓周相抵。
全文摘要
一種直線型壓電馬達(dá)，包括有底座、定子和滑塊，滑塊的底部通過軸承支撐，其特征在于定子為環(huán)形定子，包括有圓環(huán)金屬塊和圓環(huán)壓電陶瓷，金屬塊上還設(shè)置有和滑塊相抵的金屬驅(qū)動(dòng)角，壓電陶瓷沿圓周等間隔地設(shè)置有4m個(gè)分區(qū)，m為正整數(shù)，每兩個(gè)相鄰的分區(qū)為一組電極且極化方向相同，相鄰兩組電極的極化方向相反，金屬驅(qū)動(dòng)角設(shè)置在任意一組電極上，壓電陶瓷的所有分區(qū)的一半連接有激勵(lì)電壓，連接有激勵(lì)電壓的分區(qū)為沿壓電陶瓷的圓周間隔設(shè)置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在定子上設(shè)置金屬驅(qū)動(dòng)角，打破了定子的對(duì)稱性，由于定子對(duì)稱性的破壞，使得定子的兩個(gè)同階的面外彎曲振動(dòng)的諧振頻率存在一定的差值，僅通過單相電源就能夠直接驅(qū)動(dòng)定子，驅(qū)動(dòng)電路更為簡單。
文檔編號(hào)H02N2/04GK101741277SQ201010111419
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者李偉平, 羅來慧, 諸躍進(jìn) 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)