專利名稱:一種單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種超聲波電機(jī),更具體地說,是涉及一種利用弛豫鐵電單晶優(yōu)化的 壓電材料的逆壓電效應(yīng)研制出的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
超聲波電機(jī)簡稱超聲電機(jī),又稱壓電馬達(dá),是20世紀(jì)80年代才誕生的一種全新概 念的電機(jī)種類。超聲電機(jī)是采用與傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)截然不同的全新的原理和全新的結(jié)構(gòu) 形式,不需要磁鐵和線圈,而是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, 從而將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,獲得機(jī)械輸出的一種驅(qū)動器。超聲電機(jī)的原理是通過壓電材料 的逆壓電效應(yīng),利用外加交變電場,使壓電材料交變伸縮。超聲電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子及其 他的一些構(gòu)件組成。超聲電機(jī)與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比有以下的優(yōu)點(diǎn)1)電磁電機(jī)在高速下 效率高但是轉(zhuǎn)矩小,而超聲電機(jī)低速下轉(zhuǎn)矩大且效率高;低速大轉(zhuǎn)矩,無需齒輪增減速機(jī)構(gòu) 就可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動;2)轉(zhuǎn)子慣性小,響應(yīng)時(shí)間小于1ms,能夠?qū)崿F(xiàn)納米級精確定位;3)由于 定子轉(zhuǎn)子之間的摩擦,馬達(dá)能夠斷電自鎖;4)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,可以實(shí)現(xiàn)短、小、薄的特點(diǎn), 容易和其它的裝置實(shí)現(xiàn)集成化;5)工作在超聲頻段,不產(chǎn)生噪聲;6)由于未使用磁電感應(yīng), 因而不受磁場干擾。因此超聲電機(jī)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、民用及航空航天等領(lǐng)域。超聲電機(jī)按照運(yùn)動形式來劃分,可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種類型的超聲電機(jī)。 早在1987年,日本佳能公司研制出第一臺用旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)變焦的相機(jī),成功地將環(huán)形超 聲電機(jī)應(yīng)用到EOS(Electrc) OpticalSystem)系列全時(shí)手動高檔相機(jī),90年代中期又開發(fā) 了一種柱狀的超聲波電機(jī)用于照相機(jī)的調(diào)焦,這種電機(jī)采用4片環(huán)形壓電陶瓷,每片陶瓷 分成兩個(gè)區(qū),極化方向相反,兩片為一組,極化方向相反進(jìn)行疊堆,這樣一組陶瓷片采用交 流激勵電壓就可以激發(fā)出定子的彎曲振動,用兩個(gè)互相垂直的彎曲振動就可以合成定子端 面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動,從而可以驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此類電機(jī)由于涉及到多片壓電陶瓷片的疊堆, 并且極化方向不同,工藝較復(fù)雜,且采用兩相高頻交流電信號激勵,這導(dǎo)致這類電機(jī)的價(jià)高 較高。現(xiàn)有技術(shù)中還有另一種超聲電機(jī),此電機(jī)主要由六片壓電陶瓷片、定子、轉(zhuǎn)子以及壓 緊裝置組成,壓電陶瓷片由上到下依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度,每一片分成兩個(gè)區(qū),極化方向相 反,施加同一電壓后,一部分膨脹,另一部分縮小。所有壓電陶瓷片用同一相位的單相電壓 驅(qū)動。但是此電機(jī)的裝配以及極化工藝仍較為復(fù)雜,不利于大批量生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),以解決現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)形 超聲電機(jī)存在體積大、驅(qū)動電路復(fù)雜等缺陷問題,大大簡化超聲電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng),滿足工業(yè) 化的需求。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),包括定子、上轉(zhuǎn)子、下轉(zhuǎn)子、機(jī)械輸出桿以及壓 緊部件,所述定子包括壓電片、空心金屬直管,壓電片與空心金屬直管固定連接;所述上、下
3轉(zhuǎn)子分別設(shè)于空心金屬直管的上端、下端,并與貫穿空心金屬直管的機(jī)械輸出桿相連接;所 述壓緊部件包括彈簧以及螺母;螺母與機(jī)械輸出桿的上端以螺紋連接;彈簧套設(shè)在螺母與 上轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械輸出桿上;其特征在于所述壓電片為2片,設(shè)于空心金屬直管外側(cè)的同 一橫截面上,且兩片壓電片的延伸平面構(gòu)成夾角;所述兩片壓電片中的一片與交流電源相 連接,另一片與空心金屬直管相連接;所述空心金屬直管接地;所述壓電片的材料為弛豫 鐵電單晶。所述弛豫鐵電單晶的化學(xué)組成推薦為(1-x) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3、(1-χ) Pb (Znl73Nb273) O3-XPbTiO3 或 Pb (ZrxTi1J O3 中的一種。所述弛豫鐵電單晶的化學(xué)組成推薦在固溶體的準(zhǔn)同型相界附近。所述弛豫鐵電單晶的取向推薦為<001>或<011>。兩片壓電片的延伸平面的夾角推薦為90°。所述壓電片推薦通過環(huán)氧樹脂與空心金屬直管固定連接。所述空心金屬直管與下轉(zhuǎn)子之間推薦采用一體連接結(jié)構(gòu)。所述上、下轉(zhuǎn)子推薦采用半球形或圓錐形結(jié)構(gòu),其外圓弧面與空心金屬直管的端 面相連接。所述機(jī)械輸出桿的材料推薦為銅或鐵合金。所述超聲波電機(jī)推薦為圓柱狀,其直徑彡5mm。本發(fā)明的超聲波電機(jī)采用的振動模態(tài)是定子的兩個(gè)一階彎曲振動,由于在定子的 兩個(gè)正交的一階彎曲振動一個(gè)沿著Y軸來回振動,另外一個(gè)沿著X軸來回彎曲振動,在定子 的兩個(gè)側(cè)面加工兩個(gè)平臺,并且在兩個(gè)平臺上粘貼大小與其匹配的壓電片,會導(dǎo)致由壓電 片及空心金屬直管組成的定子的圓對稱性遭到破缺,引起沿X軸和Y軸的兩個(gè)彎曲振動的 諧振頻率fl以及f2不一致,這將會導(dǎo)致電機(jī)的性能降低;但對定子激勵時(shí),只要在fl與f2 兩個(gè)頻率之間選擇一個(gè)頻率對定子進(jìn)行激勵,就可以同時(shí)激發(fā)出沿X軸和Y軸兩個(gè)一階彎 曲振動,這樣在定子的兩個(gè)端面上的質(zhì)點(diǎn)就做橢圓運(yùn)動,驅(qū)動放置在定子上的轉(zhuǎn)子。因此, 本發(fā)明的超聲波電機(jī)在工作時(shí),只需要對定子上的一片壓電片施加交流電信號,施加電信 號的方法是金屬定子接地,壓電片靠外的主面施加交流電,切換電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向時(shí),只需 要對另外一片壓電片進(jìn)行電激勵則可以。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的超聲波電機(jī)可設(shè)計(jì)為直徑在5mm以內(nèi)的圓柱型結(jié)構(gòu), 只需單相電源驅(qū)動,克服了常用的環(huán)形超聲波電機(jī)存在的體積大、驅(qū)動電路復(fù)雜等缺陷,具 有體積小、驅(qū)動電路簡單、加工容易等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)和其它的電子設(shè)備集成在一起,可控性 好,能廣泛應(yīng)用在相機(jī)對焦、醫(yī)療儀器、微小型機(jī)器人以及低溫環(huán)境等領(lǐng)域中。
圖1是本發(fā)明的超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中定子的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是沿圖2中“A-A”線的剖視圖。圖4是圖1中壓電片采用(l-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)03-XPbTi03鐵電單晶片時(shí)的電導(dǎo)頻 譜圖。圖5是圖1中壓電片采用傳統(tǒng)的PZT陶瓷片時(shí)的電導(dǎo)頻譜圖。
圖6是圖1中壓電片采用(l-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)03-XPbTi03鐵電單晶片時(shí)在不同電 壓激勵下電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線圖;圖7是圖1中壓電片采用傳統(tǒng)的PZT陶瓷片時(shí)在不同電壓激勵下電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線 圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。實(shí)施例請參閱圖1、圖2、圖3所示,本實(shí)施例的超聲波電機(jī),包括定子1、上轉(zhuǎn)子2、下轉(zhuǎn)子 3、機(jī)械輸出桿4以及壓緊部件5,所述定子1包括壓電片11和空心金屬直管12,壓電片11 與空心金屬直管12連接固定;所述上轉(zhuǎn)子2設(shè)于空心金屬直管12的上端,所述下轉(zhuǎn)子3設(shè) 于空心金屬直管12的下端,并與貫穿空心金屬直管12的機(jī)械輸出桿4相連接;所述壓緊部 件5包括彈簧51以及螺母52 ;螺母52與機(jī)械輸出桿4的上端以螺紋連接;彈簧51套設(shè)在 螺母52與上轉(zhuǎn)子2之間的機(jī)械輸出桿4上,通過旋緊螺母52以固定轉(zhuǎn)子與空心金屬直管; 所述壓電片11為2片,設(shè)于空心金屬直管12外側(cè)的同一橫截面上,兩片壓電片中的一片與 交流電源相連接,另一片與空心金屬直管相連接;所述空心金屬直管接地。所述壓電片11的材料為弛豫鐵電單晶,其化學(xué)組成推薦為(1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3> (1-x)Pb (Znl73Nb273) O3-XPbTiO3 或 PbarxTi1JO3 中的一種。其中 χ 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,其最優(yōu)的化學(xué)組分在 固溶體的準(zhǔn)同型相界附近,單晶的擇優(yōu)取向?yàn)?lt;001>以及<011>兩個(gè)方向。所述空心金屬直管12與下轉(zhuǎn)子3之間為一體連接結(jié)構(gòu)。所述上、下轉(zhuǎn)子采用半球形或圓錐形結(jié)構(gòu),其外圓弧面與空心金屬直管的端面相 連接。采用半球形或圓錐形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子,可以減少定子和轉(zhuǎn)子之間的滑動摩擦,從而提高電 機(jī)的效率。所述機(jī)械輸出桿的材料推薦為銅或鐵合金。所述空心金屬直管12是由黃銅管加工而成,黃銅管的外直徑為5mm,內(nèi)直徑為 3. 2mm,長為18mm,在黃銅管的外面加工有2個(gè)平臺,兩個(gè)平臺之間的夾角為90°,平臺 長為12. 5mm,寬為2. 7mm,在這兩個(gè)平臺上利用環(huán)氧樹脂粘貼有壓電片11,壓電片的長為 12. 5mm,寬為 2. 7mm,厚為 Imm0使用本發(fā)明的超聲波電機(jī)時(shí),通過調(diào)節(jié)螺母52的位置對彈簧51施加壓力,彈簧51 通過給定子1和上轉(zhuǎn)子2施加一定的壓力,使得定子1與上轉(zhuǎn)子2以及下轉(zhuǎn)子3緊密接觸。為了評價(jià)弛豫鐵電單晶作為壓電片11的優(yōu)越性,我們制備了兩種同規(guī)格的超聲 電機(jī),一個(gè)在定子1上粘上兩片(1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3鐵電單晶壓電片,一個(gè)在定 子1上粘上傳統(tǒng)的PZT陶瓷片,并對這兩種類型定子以及電機(jī)性能進(jìn)行了測量。圖4、圖5 分別為所制備的(1-x)Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3鐵電單晶壓電片定子以及PZT陶瓷壓電片 定子的電導(dǎo)頻譜圖。根據(jù)對比可以知道鐵電單晶壓電片定子在諧振頻率處的電導(dǎo)比PZT 陶瓷壓電片定子的要低很多。此外,鐵電單晶壓電片定子只有一個(gè)諧振頻率,說明兩個(gè)正交 的一階彎曲振動的諧振頻率合并成一個(gè),這非常有利于提高定子的振幅,從而提高電機(jī)的 性能;而陶瓷壓電片定子上存在兩個(gè)諧振峰,說明兩個(gè)正交的彎曲振動的諧振頻率分裂,只
5有用頻率在這兩個(gè)分裂的諧振頻率之間的交流電信號激勵定子時(shí),電機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn),由 于激勵的頻率不是在諧振頻率處,這將導(dǎo)致定子的振幅較低,從而使得電機(jī)的機(jī)械輸出較 低。圖6及圖7分別為采用最佳激勵頻率,利用不同電壓激勵鐵電單晶壓電片以及陶瓷壓 電片定子時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線圖。圖6顯示鐵電單晶超聲電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速變化不大,而且 啟動電壓非常的低。而圖7顯示陶瓷壓電片電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速變化很大,而且啟動電壓 非常的高。 本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到,以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明的 目的,而并非用作對本發(fā)明的限定,只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi),對以上所述實(shí)施例的變 化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),包括定子、上轉(zhuǎn)子、下轉(zhuǎn)子、機(jī)械輸出桿以及壓緊 部件,所述定子包括壓電片、空心金屬直管,壓電片與空心金屬直管固定連接;所述上、下轉(zhuǎn) 子分別設(shè)于空心金屬直管的上端、下端,并與貫穿空心金屬直管的機(jī)械輸出桿相連接;所述 壓緊部件包括彈簧以及螺母;螺母與機(jī)械輸出桿的上端以螺紋連接;彈簧套設(shè)在螺母與上 轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械輸出桿上;其特征在于所述壓電片為2片,設(shè)于空心金屬直管外側(cè)的同一 橫截面上,且兩片壓電片的延伸平面構(gòu)成夾角;所述兩片壓電片中的一片與交流電源相連 接,另一片與空心金屬直管相連接;所述空心金屬直管接地;所述壓電片的材料為弛豫鐵 電單晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于所述弛豫鐵 電單晶的化學(xué)組成為(1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) 03_xPbTiO3、(l-x)Pb (Znl73Nb273)O3^xPbTiO3 或 Pb (ZrxTi1JO3 中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于所述弛豫鐵電單 晶的化學(xué)組成在固溶體的準(zhǔn)同型相界。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于 所述弛豫鐵電單晶的取向?yàn)?lt;001>或<011>。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于兩片壓電片的延 伸平面的夾角為90°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于所述壓電片通過 環(huán)氧樹脂與空心金屬直管固定連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于所述空心金屬直 管與下轉(zhuǎn)子之間采用一體連接結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于所述上、下轉(zhuǎn)子采 用半球形或圓錐形結(jié)構(gòu),其外圓弧面與空心金屬直管的端面相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于所述機(jī)械輸出桿 的材料為銅或鐵合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),其特征在于所述超聲波電機(jī) 為圓柱狀,其直徑≤5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單相電源驅(qū)動的超聲波電機(jī),包括定子、上轉(zhuǎn)子、下轉(zhuǎn)子、機(jī)械輸出桿以及壓緊部件,其特征在于所述壓電片為2片,設(shè)于空心金屬直管外側(cè)的同一橫截面上,且兩片壓電片的延伸平面構(gòu)成夾角;所述兩片壓電片中的一片與交流電源相連接,另一片與空心金屬直管相連接;所述空心金屬直管接地;所述壓電片的材料為弛豫鐵電單晶。本發(fā)明的超聲波電機(jī)可設(shè)計(jì)為直徑在5mm以內(nèi)的圓柱型結(jié)構(gòu),只需單相電源驅(qū)動,克服了常用的環(huán)形超聲波電機(jī)存在的體積大、驅(qū)動電路復(fù)雜等缺陷,具有體積小、驅(qū)動電路簡單、加工容易等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)和其它的電子設(shè)備集成在一起,可控性好,能廣泛應(yīng)用在相機(jī)對焦、醫(yī)療儀器、微小型機(jī)器人以及低溫環(huán)境等領(lǐng)域中。
文檔編號H02N2/12GK102005965SQ20101056451
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者任博, 張耀耀, 徐海清, 李曉兵, 林迪, 狄文寧, 王升, 羅來慧, 羅豪甦, 許春東, 趙祥永 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所