專利名稱：壓電-電流變直線步進馬達的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電-電流變直線步進馬達，屬機電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)有的壓電直線馬達，如美國專利US4736131公開的，采用三個壓電堆雜構(gòu)成的壓電直線馬達，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)點是具有大行程、大推力的特點，但它的具有放大位移量的箝位機構(gòu)，產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊振動，而且馬達的功耗，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題之一。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單，利用壓電體的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動、電流變效應(yīng)箝位的新型直線步進馬達，使其具有高驅(qū)動力、高機械分辨力和高電機能量轉(zhuǎn)換效率等特點，而且無磨損、無沖擊振動。
本發(fā)明的內(nèi)容是壓電/電流變直線步進馬達，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)成馬達的驅(qū)動源，絕緣導(dǎo)軌放置在基體底部兩側(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顆粒，當(dāng)電流變流體置于高電場下，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)點纖維，使流體呈現(xiàn)“弱固體”狀態(tài)，并表現(xiàn)出類似固體的性質(zhì)。一當(dāng)電場去掉，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)時間周期，小于1ms，甚至僅為幾十μs。
由于電流變流體受電場控制時能可逆以液態(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)成直線步進馬達的箝位器。當(dāng)在箝位極板與基座之間施加高電場(1-3KV/mm)時，電流變流體將在瞬間(小于1ms)轉(zhuǎn)變?yōu)槿豕虘B(tài)，同時把馬達的箝位極板同基座固成一體，從而使馬達箝位。性能良好的電流變流體在E＝3KV/mm的電場下，其屈服強度為5-60KPa，工作電流密度為0.1μA-2μA/cm2。因此，對于一個面積為10cm2的箝位元件，箝位時所傳遞的推力為0.5-6Kg，箝位時所消耗的功率僅為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。運行時，兩個箝位器交替箝位，配合中間壓電/電致伸縮元件的伸縮運動，使馬達能以步進方式運行。
使用電流變箝位的壓電/電致伸縮直線馬達，和通常利用壓電致動器、電磁力箝位馬達相比，它只需要沿軸向運動方向提供用于驅(qū)動的一種振動模式，不存在垂直于軸向用于箝位的第二種振動模式及所帶來的沖擊動作和沖擊噪聲。因此更適用于超精密機械定位場合。采用電流變流體做箝位器，避免了通常壓電馬達所需要的高精密加工工藝，在工藝上有條件做成大行程，同時具有高精密定位性能，因此，直線運動的壓電/電致伸縮-電流變馬達具有大行程、低速度、高精密定位的性能和優(yōu)點。


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)明的一個實施例圖5是圖4的側(cè)視圖下面結(jié)合附圖，詳細介紹本發(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對稱地連接在壓電/電致伸縮驅(qū)動元件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)動元件2，在電壓作用下能沿軸向伸縮。當(dāng)一高壓電信號被加到箝位極板1a或1b上時，(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，實現(xiàn)了箝位。運行時，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)動元件2上，使2伸長并推動箝位極板1b向右移動一步，保持2伸長，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)原長的同時，也帶動箝位極板1a向右移動一步。這樣馬達已完成一步運行。以后重復(fù)以上步驟，馬達將一直向右運動下去。如果將以上運動反過來進行、則馬達將向左運動。馬達的運行速度可通過改變施加壓電/電致伸縮元件上的電壓大小來調(diào)節(jié)，也可通過改變方波源頻率來調(diào)節(jié)，精密的控制驅(qū)動電壓的幅值，可獲得亞、次亞微米的步距。
圖4是本發(fā)明的一個實施例，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，它是一個多層致動器。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。園筒狀箝位極板對稱聯(lián)接在壓電/電致伸縮動力元件8的兩端，它們構(gòu)成馬達的驅(qū)動裝置，絕緣導(dǎo)軌9將驅(qū)動裝置同基體7分開一間隙，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行阻力和起防撞保護作用。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-電流變直線步進馬達，其特征在于所述的馬達由箝位器、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)成馬達的驅(qū)動源，絕緣導(dǎo)軌裝置在基體底部兩側(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所述的直線步進馬達，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器，園片狀箝位極板對稱聯(lián)接在壓電伸縮致動元件兩端，構(gòu)成馬達的驅(qū)動源，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-電流變直線步進馬達。這種馬達由箝位器，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)成馬達的驅(qū)動源。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控制下能可逆，從液體到固體相互轉(zhuǎn)化，從而使馬達箝位或松動。壓電-電流變直線步進馬達適于大行程、低速度、高精密定位的場合。
文檔編號H02N2/00GK1066941SQ9210526
公開日1992年12月9日 申請日期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 申請人:清華大學(xué)