CN103516252A - 一种高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达 - Google Patents

一种高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达 Download PDF

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殷立峰
黄少华
姜炎
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Abstract

本发明的目的是提供一种同时具备高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达。其基本原理是在压电陶瓷驱动器的振动和摩擦下利用惯性实现线性移动，将超声波振动能量变换成物体的平动动能。本发明所提出的双模超声波线性马达的创新之处是将高速率和高精度这两个传统上不能兼容的指标在同一设备上实现。该马达不仅能以mm/s的高速率模式运行，还能以分辨率为纳米量级的高精度模式运行。同时，该马达还能工作在极低温、超高真空、强磁场等极端条件下，具有行程大，负载高的优点。

Description

一种高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达
技术领域
本发明属于机电产品，该马达可广泛运用于需要高精确度定位技术的领域，如半导体技术、光纤通讯、微型机械、基因和生物技术等微观研究领域。 
背景技术
传统的马达都是基于电磁原理工作的，将电磁能量变换成转动能量。而超声波马达则是基于利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，把电能转化成弹性体的超声波振动，然后通过摩擦传动的方式转换成动子的转动或者直线运动。如图1所示，超声波电机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分构成。当对极化后的压电陶瓷器件施加高频电压时，由于电致伸缩效应，随着电压幅值的变化，压电陶瓷出现膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料以驱动转子运动，实现换能。 
传统的超声波马达根据将超声波振动能量变换的方法来分有两类：1、驻波型(Standing Wave Type)；2、行波型(Propagating-wave Type)。驻波型超声波马达是利用弹性体内激发的驻波来驱动动子移动，但是单一的驻波并不能传递能量，因为弹性体表面质点做同相振动。因此，驻波型超声波电机通过激发并合成相互垂直的两个驻波，使得弹性体 表面质点作椭圆振动，直接或者间接地驱动动子移动而输出能量。行波型超声波电机定子上的压电陶瓷在二相交变电压作用下，在弹性体内形成两个时空相差为90°的弯曲振动驻波，进而在定子弹性体合成一个沿着圆环周向旋转的弯曲振动行波，行波使弹性体与动子相接触的表面质点作椭圆运动，驱动转子移动而输出能量。 
发明内容
与传统的两类超声波马达不同，本发明中的超声波线性马达的基本原理是在压电陶瓷驱动器的振动和摩擦下利用惯性原理实现线性移动，从而将超声波振动能量变换成物体的平动动能。本发明所提出的双模超声波线性马达的最大创新之处是将高速率和高精度这两个传统上不能兼容的指标利用外部驱动电路的时序模式变换在同一设备上实现。该马达不仅能以mm/s的高速率模式运行，还能以分辨率为纳米量级的高精度模式运行。 
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，使得本发明专利的特点、目的以及其它优点显而易见。 
图1所示为超声波马达的转子和定子之间实现换能的基本原理示意图。 
图2所示为双模超声波线性马达驱动单元(转子)结构示意图。 
图3所示为双模超声波线性马达的结构示意图。 
图4所示为双模超声波线性马达高速率模式的脉冲驱动电压时序图。 
图5所示为双模超声波线性马达高精度模式的脉冲驱动电压时序图。 
图6所示为作为进针系统使用在扫描隧道显微镜上的双模超声波线性马达照片。 
具体实施方式
以下结合附图将描述对本发明的具体实施过程进行说明。为了清楚和简化的目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，将省略本文所描述的器件中已知功能和结构的详细具体描述。 
如图2所示，超声波马达最基本的驱动振子单元为4片极化方向交替排列的压电陶瓷片(PZT)堆垛。由于PZT单向运动的特点，必须通过极化方向交替排列的堆垛才能实现双向运动。在正脉冲或者负脉冲电压驱动下，各有两片同极性的PZT单向运动。 
如图3所示，将上述6块相同的振子单元，共24片PZT组合构成阵列作为电机的驱动部分。因此实际的单向驱动力由12片同极性的PZT共同提供，所以具有负载高的优点。而线性运动方向的振子间距可以根据要求定制，所以具有行程大的优点。 
该超声波线性马达的基本工作原理为惯性原理，通过脉冲驱动电压的时序不同实现双模工作方式。图4所示的是高速率模式的脉冲驱动电压时序图，在6个振子同步的锯齿波电压较缓慢的上升沿的推动下，中心柱随着PZT一起往前移动；而在锯齿波陡峭的下降沿，中心柱跟不上PZT位置的迅速变化而留在原地，从而实现前进蠕动 一步的目的。驱动脉冲的频率范围为1kHZ～10kHZ。通过改变脉冲电压的大小和频率可实现速率的调控，通过改变脉冲电压的极性可实现移动方向的改变。 
图5所示的是高精度模式的脉冲驱动电压时序图，6个PZT堆垛的脉冲锯齿波电压依次顺序施加，由于摩擦力的影响，最终中心柱能够前进的距离由第六块PZT堆垛的电压脉冲高度ΔU决定。从而在保证高驱动力的前提下，确保了nm量级的精度。 
应用实施示例 
图6所示为利用此超声波线性马达制成的扫描隧道显微镜的进针系统的照片，具体能达到的性能参数为： 
1)驱动力为10N量级； 
2)行程可根据需要定制，1毫米～100毫米； 
3)最高速率＞1mm/S； 
4)最高分辨率＜10nm； 
5)工作温度：-268℃～100℃； 
6)由超高真空材料组成，可以工作在10-10Torr的环境下；由非磁材料组成，可以工作在强磁场环境下。 
尽管出于示例的目的描述了本发明的具体实施方式，但在不偏离由所附权利要求所公开的本发明的范围和实质下，任何对特定元器件的修改、添加、元器件替换都是有可能的，所附权利要求包括其等价物的全部范围。 

Claims (5)

1.一种同时具备高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达，其特征在于，是在压电陶瓷驱动器的振动和摩擦下利用惯性原理实现线性移动，从而将超声波振动能量变换成物体的平动动能。
2.根据权利要求1所述的同时具备高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达，其特征在于，所提出的双模超声波线性马达的是将高速率和高精度这两个传统上不能兼容的指标利用外部驱动电路的时序模式变换在同一设备上实现。
3.根据权利要求2所述的同时具备高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达，不仅能以mm/s的高速率模式运行，还能以分辨率为纳米量级的高精度模式运行。
4.根据权利要求2所述的同时具备高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达，通过改变脉冲电压的大小和频率可实现速率的调控，通过改变脉冲电压的极性可实现移动方向的改变。
5.根据权利要求2所述的同时具备高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达，能工作在极低温、超高真空、强磁场等极端条件下，具有行程大，负载高的优点。
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