CN102684547A - 一种金属陶瓷复合管状压电马达 - Google Patents
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Abstract
一种金属陶瓷复合管状压电马达，涉及一种微型压电陶瓷马达。提供一种具有低电压驱动，大推力的线性压电陶瓷马达——金属陶瓷复合管状压电马达。包括定子和设于压电陶瓷表面的电极，其特征在于定子设有金属管、压电陶瓷组件和驱动足；金属管为四方形柱管，压电陶瓷组件设有4片压电陶瓷，4片压电陶瓷均设有电极，压电陶瓷的极化方向是沿厚度方向，4片压电陶瓷分别固于金属管的4个侧面中的1个侧面，驱动足固于4片压电陶瓷中的其中1片压电陶瓷上，或着固于金属管4个棱边中的1个棱边上。
Description
技术领域
本发明属于压电材料应用技术领域，涉及一种微型压电陶瓷马达。
背景技术
压电马达作为一种全新的驱动器，以低速大转矩、大静态保持力矩、响应速度快、体积小重量轻，纳米量级的分辨率以及无磁场干扰等优点受到国内外的广泛关注，并在众多领域得到了应用。通常，压电马达可以分为直线型压电马达和旋转型压电马达。直线型压电马达中的动子作直线运动；旋转型压电马达中的动子作旋转运动。一般说来，在同等推力的情况下，人们希望进一步提高马达的效率，降低压电马达驱动电压和减小压电马达尺寸，以使压电马达能应用于更多场合。
美国专利US5877579公开了一种典型的线性压电马达式L1-B2型马达，该马达的振动元件为一长方形压电陶瓷。陶瓷的一面为全电极，另一面为四等分电极，陶瓷沿厚度方向极化。马达工作在第一阶的纵振动模式(L1)和第二阶的弯曲振动模式(B2)。当L1和B2被加在对角两个电极同时激发时，在陶瓷的端部中间部位产生椭圆的驻波，由粘接在该部位的摩擦块驱动动子运动。当振动由另一对电极激发时，驱动力相反，动子朝另一方向运动。这种马达结构虽然简单，但陶瓷尺寸较厚，需要较大的电压才能在端部形成一定的振动幅度来驱动动子运动。另外，马达的效率也不高，发热较严重，在高负载下只能间歇性工作。
美国专利US6940209公开了一种陶瓷金属复合管马达，该马达的定子由一金属管和四片压电陶瓷构成，四篇陶瓷沿管的纵向对称粘贴于金属管的外表面。陶瓷沿厚度方向极化，正对面的两个陶瓷和金属管构成一对电极。当两对电极分别施加相位差为90度的一定高频电信号时，将在复合管得两端产生一种类似“呼拉圈”的摇头运动(Wobbling)。在金属管的两端内侧加工有螺纹。转子为一螺杆形金属，和定子两端的螺纹连接，当定子作“呼拉圈”的摇头运动时，会带动转子作螺旋形直线运动。这种设计虽然能够做成尺寸较小的马达，及稳定的定子与转子间的连接，但结构复杂，马达推力有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有低电压驱动，大推力的线性压电陶瓷马达——金属陶瓷复合管状压电马达。
本发明包括定子和设于压电陶瓷表面的电极，其特征在于定子设有金属管、压电陶瓷组件和驱动足；金属管为四方形柱管，压电陶瓷组件设有4片压电陶瓷，4片压电陶瓷均设有电极，压电陶瓷的极化方向是沿厚度方向，4片压电陶瓷分别固于金属管的4个侧面中的1个侧面，驱动足固于4片压电陶瓷中的其中1片压电陶瓷上，或着固于金属管4个棱边中的1个棱边上。
所述金属管最好为四方形或正四方形柱管，金属管的4个棱边最好为平面过渡的棱边，或为圆弧过渡的棱边。
所述4片压电陶瓷为相同的长方形片状压电陶瓷。
所述4片压电陶瓷分别固于金属管的4个侧面中的1个侧面，是4片压电陶瓷分别对称粘贴于金属管的4个侧面中的1个侧面上。
所述设于压电陶瓷表面的电极是涂覆于压电陶瓷上下两表面的全电极。
所述定子上还设有夹持件和弹性件，夹持件夹持在定子上，弹性件与夹持件连接。夹持件夹持在定子的节点位置处，这样可避免影响定子的振动，弹性片的作用是施加预紧力于驱动足上，同时起到固定定子的作用。
所述驱动足固于4片压电陶瓷中的1片压电陶瓷上，或着固于金属管4个棱边中的1个棱边上，是驱动足固于4片压电陶瓷中的1片压电陶瓷的中间位置上，或着是固于金属管4个棱边中的1个棱边中间位置上。
与现有线性压电陶瓷马达比较，本发明具有如下突出优点：
使用时，通过电极对压电陶瓷施加一定的高频电信号时，会在金属管的中间部位产生一种类似“呼拉圈”的摇头运动(Wobbling)或驻波运动。而位于该部位的驱动足则作椭圆运动，驱动足就带动与它触接的被驱动件(如滑块)进行运动，从而实现驱动功能。本发明具有结构简单和小尺寸的突出优点，同时可采用较薄的压电陶瓷，可实现低电压驱动和大推力工作。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1的极化和电驱动方式示意图。
图3为本发明实施例2的结构示意图。
图4为本发明实施例3的结构示意图。
图5为图4的结构分解示意图。
图6为本发明实施例4的结构示意图。
图7为图6的结构分解示意图。
图8为本发明应用时的安装示意图。
图9是本发明用于驱动设于导轨上的滑块作直线运动的示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图1和2，定子设有金属管101，压电陶瓷102(4片)、驱动足103和电极(二对)。金属管101横截面为正四方形，金属管101的4条棱边1011均为小平面过渡棱边，可减低金属管101的刚性，金属管101中心孔标号为1010。金属管101的4个侧面采用高强度环氧树脂分别对称粘贴1片压电陶瓷102。驱动足103设于金属管101的1个棱边1011上，驱动足103一般由耐磨材料，如氧化铝陶瓷、硬质合金等制成。压电陶瓷102的上下两表面为全电极，沿厚度方向极化，如图2箭头所示。其中一对相邻2片压电陶瓷102的极化方向相同，即指向定子外侧，而另一对相邻2片压电陶瓷102的极化方向相反，即指向定子内侧。定子由一个可输出两组一定频率和相位差的电源驱动，输出波形可为正弦波，方波，三角波，或其他波形。由图2所示。现以正弦波信号为例，在其中一对电极上接入激励信号Vsinωt、另外一对电极接入Vcosωt，由此组成二对具有90°相位差的交流驱动信号。当电场方向与极化方向一致时，压电陶瓷沿极化方向(厚度方向)伸长，同时沿长度方向缩短，反之，压电陶瓷沿极化方向(厚度方向)缩短，同时沿长度方向伸长。由于输入的驱动电压信号是具有90°相位差的两组脉冲信号，所以定子在正交的两个方向上产生交替形变，并最终使粘结驱动足103作椭圆轨迹运动，驱动足103同时带动被驱动件(如滑块，图1和2中未画出)。若两组电源相互切换，则被驱动件将朝反方向运动。定子也可由单相电源驱动，这样定子将沿施加驱动信号的一对压电陶瓷的法线方向作振动，并带动被驱动件(动子)朝一个方向运动。当电源施加于另一对压电陶瓷陶瓷时，被驱动件(动子)将朝另一个方向运动。
实施例2
参见图3，与实施例1类似，区别在于，驱动足103设于4片压电陶瓷102中的1片压电陶瓷102的表面中间位置。工作原理相同。图3中的其余标号与实施例1对应一致。
实施例3
参见图4和5，与实施例2类似，区别在于，定子上还设有夹持件100和弹性件104，持件100与压电陶瓷102粘接，弹性件104与夹持件100粘接。粘接采用环氧树脂。粘接使定子、夹持件100和弹性件104形成一体式结构。弹性件104的作用是通过夹持件100施加预紧力于驱动足103上，同时起到固定定子的作用。弹性件104为弹簧片。夹持件100夹持在定子的节点位置处，定子的其他部位不与弹簧片104接触，这样不会影响定子的振动。节点的位置取决于所采用的振动模式，如采用一阶弯曲振动模式，节点的位置位于端部0.224λ处，λ为金属管101的长度。如压电陶瓷102的长度小于金属管101的长度，节点位置会偏离，可通过理论计算或实验得出节点位置。为了节省空间，弹簧片104也可以平行于定子的长度方向安装。
实施例4
参见图6和7，与实施例3类似，区别在于，实施例3所述的夹持件100(如图4和图5所示)的结构变换为定子套106，这样可方便安装和简化弹簧片的形状。定子套106卡套在定子上(可拆装)，弹簧片107底部与定子套106上端面卡嵌式连接(可拆装)。图6和7中的其余标号与实施例3对应一致。
参见图8，本发明应用时，将定子(图8中以实施例3所述定子为例)放置于壳体内，壳体设有底座301和盖302，底座301内设有马达放置槽3010，定子置于马达放置槽3010内，盖302通过紧固螺钉303固于底座301上。图8中的其余标号与实施例3对应一致。
参见图9，安装在壳体内的压电马达400通过驱动足103与设于线性导轨601上的滑块602连接，这样就可带动滑块602(被驱动件)作直线运动。从而压电马达400实现了驱动功能。标号104为弹簧片。
Claims (7)
1.一种金属陶瓷复合管状压电马达，包括定子和设于压电陶瓷表面的电极，其特征在于定子设有金属管、压电陶瓷组件和驱动足；金属管为四方形柱管，压电陶瓷组件设有4片压电陶瓷，4片压电陶瓷均设有电极，压电陶瓷的极化方向是沿厚度方向，4片压电陶瓷分别固于金属管的4个侧面中的1个侧面，驱动足固于4片压电陶瓷中的其中1片压电陶瓷上，或着固于金属管4个棱边中的1个棱边上。
2.如权利要求1所述的一种金属陶瓷复合管状压电马达，其特征在于所述金属管为正四方形柱管，金属管的4个棱边为平面过渡的棱边，或为圆弧过渡的棱边。
3.如权利要求1所述的一种金属陶瓷复合管状压电马达，其特征在于所述4片压电陶瓷为相同的长方形片状压电陶瓷。
4.如权利要求1所述的一种金属陶瓷复合管状压电马达，其特征在于所述4片压电陶瓷分别固于金属管的4个侧面中的1个侧面，是4片压电陶瓷分别对称粘贴于金属管的4个侧面中的1个侧面上。
5.如权利要求1所述的一种金属陶瓷复合管状压电马达，其特征在于所述设于压电陶瓷表面的电极是涂覆于压电陶瓷上下两表面的全电极。
6.如权利要求1所述的一种金属陶瓷复合管状压电马达，其特征在于所述定子上还设有夹持件和弹性件，夹持件夹持在定子上，弹性件与夹持件连接。
7.如权利要求1所述的一种金属陶瓷复合管状压电马达，其特征在于所述驱动足固于4片压电陶瓷中的1片压电陶瓷上，或着固于金属管4个棱边中的1个棱边上，是驱动足固于4片压电陶瓷中的1片压电陶瓷的中间位置，或着是固于金属管4个棱边中的1个棱边中间位置。
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