CN111726028B - 超声波马达及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超声波马达及电子设备。该超声波马达包括驱动装置、传动装置(13)、运动装置(12)和锁紧装置；所述传动装置(13)与所述驱动装置连接，所述驱动装置用于驱动所述传动装置(13)运动；所述运动装置(12)套设在所述传动装置(13)外，所述锁紧装置的至少部分设置在所述传动装置(13)和/或所述运动装置(12)上；在第一运动状态下，所述传动装置(13)通过所述锁紧装置与所述运动装置(12)固定连接；在第二运动状态下，所述传动装置(13)与所述运动装置(12)解除固定连接。该超声波马达减少了不必要的摩擦消耗，可增加运动装置的运动效率，提升马达的寿命。

Description

超声波马达及电子设备

技术领域

本申请涉及超声波马达技术领域，尤其涉及一种超声波马达及电子设备。

背景技术

超声波马达（ultrasonicmotor，USM）是利用摩擦力将金属制弹性体（例如，振子、定子）产生的振幅数μ子的固有振动（或共振）转换成移动体（例如，转子或滑块）旋转及平移运动的传动装置。它是1980年由指田年生先生申请的。弹性体的固有振动数（例如，共振频率）在超声波领域（例如，共振频率在20kHz以上），因此，称为超声波马达。固有振动通过配置在振动体内部的压电陶瓷（piezoelectric ceramics，PZT）产生。

与普通的电磁马达相比，超声波马达具有以下特点：1、具有低速、高扭矩的特性，不需要减速装置；2、不需要减速齿轮，因此，超声波马达的静音性能优异；3、不通电时拥有保持扭矩；4、不会受到磁影响，不产生电磁场；5、小型、轻量。基于上述优点，超声波马达用于单反相机的自动对焦及扫描式电子显微镜、半导体制造装置、微型设备制造装置等精密定位装置。而且，利用低速、高扭矩特性及不通电时的扭矩保持特性，还可用于卷帘/窗帘的升降、头枕的定位等。此外，利用不受磁场影响的特征，还用于使用磁性的医疗诊断设备中的MRI的本体及周边设备等。

以直线运动的超声波马达为例，其工作原理如图1所示：当压电陶瓷通入正向电流时，向上方产生形变，带动压片产生相同的形变，使导杆向上运动；运动块套在导杆上，没有完全紧配，两者间存在一定的间隙，导杆向上运动时，通过摩擦力带动运动块上升，上升的距离为H1，由于运动块的惯性，H1小于导杆实际的上升距离；当压电陶瓷通入负向电流，向下方产生形变，带动压片产生相同的形变，使导杆向下运动，通过摩擦力带动运动块下降，下降的距离为H2，由于惯性的作用，H2小于导杆实际的下降距离，H1与H2的差值H3即为运动块上升的距离。当通入的正向电流能量大于负向电流时，H1＞H2，H3为正，运动块向上运动；当通入的正向电流能量小于负向电流时，H1＜H2，H3为负，运动块向下运动。可以通过调整输入压电陶瓷的电流来控制运动块的运动形式。

由于现有超声波马达的工作原理，需要利用运动块和导杆之间的摩擦力及运动块的惯性来完成上升或下降的运动，因此，具有效率低，材料磨耗大、寿命短的缺点，限制了超声波马达的应用。

因此，有必要提出一种超声波马达的新技术方案。

发明内容

本申请实施例提供一种超声波马达，以解决现有超声波马达效率低，材料磨耗大、寿命短的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

一种超声波马达。该马达包括驱动装置、传动装置、运动装置和锁紧装置；

所述传动装置与所述驱动装置连接，所述驱动装置用于驱动所述传动装置运动；所述运动装置套设在所述传动装置外，所述锁紧装置的至少部分设置在所述传动装置和/或所述运动装置上；

在第一运动状态下，所述传动装置通过所述锁紧装置与所述运动装置固定连接；

在第二运动状态下，所述传动装置与所述运动装置解除固定连接。

本申请实施例提供的超声波马达中，在第一运动状态下，传动装置和运动装置同步运动，在第二运动状态下，传动装置与运动装置分离，这样减少了不必要的摩擦消耗，可增加运动装置的运动效率，提升马达的寿命。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍；此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为现有技术中超声波马达的运行过程的示意图。

图2为根据本公开实施例的第一种超声波马达的结构示意图。

图3为根据本公开实施例的第一种超声波马达的运行过程的示意图。

图4为根据本公开实施例的第二种超声波马达的结构示意图。

图5为根据本公开实施例的第三种超声波马达的结构示意图。

图6为根据本公开实施例的另外一种超声波马达一部分的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本实施例提供了一种超声波马达。该马达包括驱动装置、传动装置13、运动装置12和锁紧装置。

所述传动装置13与所述驱动装置连接，所述驱动装置用于驱动所述传动装置13运动；所述运动装置12套设在所述传动装置13外，所述锁紧装置的至少部分设置在所述传动装置13和/或所述运动装置12上。

在第一运动状态下，所述传动装置13通过所述锁紧装置与所述运动装置12固定连接；

在第二运动状态下，所述传动装置13与所述运动装置12解除固定连接。

例如，驱动装置能够产生振动，并将振动传递给传动装置。振动的形式可以是但不限于线性运动或者摆动转动。驱动装置包括压电材料14。通过控制压电材料14的通、断电、电流的大小或电流的方向等来控制压电材料14振动。振动装置还包括连接元件18。连接元件18与压电材料14固定连接。压电材料14通连接元件与传动装置13连接。例如，压电材料14和连接元件18均为片状材料。连接元件18贴合在压电材料14的振动方向一侧。

传动装置13为柱状，例如圆柱、棱柱、椭圆柱等。运动装置12为环状，例如运动装置12中部的孔为圆形、多边形、椭圆形等。运动装置12的孔的尺寸大于或者等于传动装置13的尺寸。锁紧装置固定在传动装置13上、运动装置12上或者锁紧装置的一部分固定在传动装置13上，另一部分固定在运动装置12上。锁紧装置位于运动装置12与传动装置13之间，或者位于运动装置12的运动方向一侧，还可以是位于传动装置13的侧表面上。

本领域技术人员可以根据实际需要设置传动装置13、运动装置12和锁紧装置的形状、尺寸、相对位置等。

锁紧装置用于控制运动装置12与传动装置13的连接和分离。第一运动状态为用户想要实现的运动状态，例如向某一方向移动。第二运动状态为驱动装置振动时不可避免的运动状态，例如振动时的回复状态。

在第一运动状态下，锁紧装置将传动装置13与运动装置12连接在一起，以使传动装置13和运动装置12能同步运动，从而使第一运动状态下运动装置12的运动量最大。在第二运动状态下，锁紧装置与传动装置13和/或运动装置12分离，此时，锁紧装置不再主动传递传动装置13的运动，从而使得第二运动状态下的运动装置12的运动量最小。例如，第一运动状态下，运动装置12的运动量与第二运动状态下运动装置12的运动量的差值为一个振动周期内有效的运动量。通过这种方式，该超声波马达的一个振动周期内有效的运动量能够达到最大。

此外，在第一运动状态下，传动装置13和运动装置12同步运动，在第二运动状态下，传动装置13与运动装置12分离，这样减少了不必要的摩擦消耗，可增加运动装置的运动效率，提升马达的寿命。

以下结合附图具体描述根据本实施例的超声波马达的具体例子。

<实施例一>

图2为根据本公开实施例的第一种超声波马达的结构示意图。如图2所示，该超声波马达包括传动装置运动装置12和锁紧装置。运动装置12的孔的内径大于传动装置13的外径。该锁紧装置处于运动装置12与传动装置13之间，固定在运动装置12上。所述锁紧装置包括至少一个压电部件11。所述压电部件11位于所述运动装置12与所述传动装置13之间。

在第一运动状态下，所述压电部件11的体积增大，以在所述传动装置13与所述运动装置12之间施加锁紧力。

例如，该锁紧装置包括多个压电部件11，该压电部件11为逆压电效应的材料，通过电流控制压电材料体积的变化，从而改变运动装置与传动装置之间的间隙为松弛状态或锁紧状态。多个压电部件11均匀地围绕传动装置13设置，以在第一运动状态时，传动装置13与锁紧装置12在轴向形成锁紧力。该压电部件11通过粘结剂21固定粘接在运动装置12上。

此外，该超声波马达还包括柔性电路板20（FlexiblePrintedCircuit，FPC）和导线19，FPC20可产生电信号并通过导线传输至压电部件11。FPC20的一端与控制装置连接，另一端与压电部件11连接。导线19穿过运动装置12后与压电部件11连接。

在第二运动状态下，所述压电部件11的体积缩小，以使所述传动装置13与所述运动装置12完全分离。

该超声马达的工作原理如下：在需要运动装置12与传动装置13向相同方向运动（例如向上运动）时，锁紧装置锁紧，将运动装置12与传动装置13固定在一起，运动装置12移动的距离与传动装置13移动的距离一致；当需要运动装置12不与传动装置13同步运动时，锁紧装置松弛，运动装置12与传动装置13不接触或者接触很小，减少了运动装置12被传动装置13带动的距离。通过以上的设定，可增加运动装置12的运动效率，减少运动装置12与传动装置13的摩擦损耗，提升马达的寿命。

需要说明的是，由于运动装置12自身的重力和/或由重力引起的运动装置12与传动装置13之间的摩擦力的作用，故运动装置12不可避免会在第二运动状态时向与第一运动状态相反的方向运动一段距离，该距离比现有技术中反向运动的距离小的多。

参见图3，以该例子中的直线式超声波马达的升高过程为例，其工作流程如下：1、控制装置控制压电部件11的缩小内径，使运动装置12与传动装置13之间固定连接，如图3中的B状态；2、控制装置控制压电材料14向上变形，带动传动装置13向上运动，上升高度H1`。因为运动装置12已经和传动装置13紧缩配合，会迅速和传动装置13一起向上运动，几乎不受惯性的影响，因此H1`＞H1；3、当完成压电材料14的向上变形时，控制装置控制锁紧装置进入松弛状态，运动装置12与传动装置13处于不同步状态，如图3中的C状态；4、电路控制压电材料14向下变形（向下变形的幅度小于向上变形的幅度），运动装置12下降，下降高度为H2`，如下图中的D状态。由于运动装置12已经和传动装置13分离，因此传动装置13不会带动运动装置12向下移动，因此H2`＜H2；5、当压电材料完成向下的变形后，电路控制压电材料14向上变形，同时控制锁紧装置使运动装置12与传动装置13固持，重复1~4步骤。

运动装置12上升的高度H3`=H1`-H2`＞H3=H1-H2，可以发现本申请的运动装置12上升的高度大于现有技术方案。当需要运动装置12向下运动时，调整电路使压电材料14向下变形的幅度大于向上变形的幅度；通过控制装置控制锁紧装置在传动装置13下降时锁紧，传动装置13上升时松弛，即可完成控制运动装置12向下运动。由此可见，本实施例提高了超声波马达的运动效率并减少摩擦损耗，提升马达的寿命。

在该例子中，锁紧装置包括至少一个压电部件11；锁紧装置响应于第一信号，向传动装置13施加锁紧力，包括：压电部件11响应于第一信号产生压电形变，挤压传动装置13以施加锁紧力。如此，使得超声波马达效率高、噪声小、控制精度高、响应迅速。

该例子中，锁紧装置包括多个压电部件11，多个压电部件11对称设置在运动装置12上。如此，使得运动装置12均匀转动、有利于马达平稳运行

该例子中，运动装置12为圆柱形，传动装置13为圆环柱形，多个压电部件11设置在运动装置12的侧面，每个压电部件11的截面均为扇形环。如此，使得运动装置受力均匀，锁紧效果牢固。

该例子中，超声波马达的控制组件用于：向传动装置13发送第一控制信号，使驱动装置沿第一方向产生第一形变，并向锁紧装置发送第一信号；向驱动装置发送第二控制信号，使驱动装置沿第二方向产生第二形变，并向锁紧装置发送第二信号。

该例子中，第一形变大于第二形变，有利于进一步有效提高马达效率。

<实施例二>

图4为根据本公开实施例的第二种超声波马达的结构示意图。该超声波马达与第一种超声波马达的区别在于，锁紧部件包括至少一个凸轮部件17；在第一运动状态下，在第一运动状态下，所述凸轮部件17转动至第一位置，以在所述传动装置13与所述运动装置12之间施加锁紧力。

例如，凸轮部件17绕转轴22转动，转轴22与传动装置13连接。凸轮部件17的周面相对于转轴22的距离不同。凸轮部件17响应于第一信号转动至第一位置，以在所述传动装置13与所述运动装置12之间施加锁紧力。相应地，在第二运动状态下，凸轮部件17响应于第二信号转动至第二位置，脱离运动装置12从而停止施加锁紧力。

如图4所示，凸轮部件17在驱动力的控制下绕转轴22转动。上述第一位置例如是图4左侧所示的位置，此时凸轮部件17与运动装置12挤压接触，产生锁紧力。上述第二位置例如是图4右侧所示的位置，此时凸轮部件与运动装置12分离，二者之间没有力的作用。

该例子中的超声波马达的工作原理和运动过程与第一种超声波马达类似，也能够取得相同的技术效果，这里不再赘述。

该例子采用凸轮部件17作为锁紧部件，结构简单、成本较低。

<实施例三>

图5为根据本公开实施例的第三种超声波马达的结构示意图。该超声波马达与第一种超声波马达的区别在于，锁紧部件包括至少一个电磁部件，运动装置12的至少局部为磁性材料。例如，电磁部件包括线圈23。线圈在通电的条件下形成磁场。磁性材料为磁铁或者铁质材料。电磁部件和磁性材料能够产生吸引力。

优选地，在线圈23的末端设置有导磁部件24。导磁部件24为低碳钢。导磁部件24能够集中线圈23产生的磁场，从而使得磁感强度更大，锁紧力更大。

在第一运动状态下，所述电磁部件吸引所述磁性材料，以施加所述锁紧力。

例如，电磁部件响应于第一信号产生磁力，吸引磁性材料以施加锁紧力。相应地，电磁部件响应于第二信号失去磁力，停止施加锁紧力

该例子中的超声波马达的工作原理和运动过程与第一种超声波马达类似，也能够取得相同的技术效果，这里不再赘述。

该例子采用电子部件作为锁紧部件，通过非接触方式驱动运动装置，避免接触带了的损耗，有利于进一步提高马达寿命。

<实施例四>

图6为根据本公开实施例的另外一种超声波马达一部分的结构示意图。该超声波马达与前述例子的区别在于，该超声波马达的运动装置做旋转运动，即为旋转型马达，而前面几种马达的运动装置13做直线运动，即为直线型马达。

参见图6，该例子中同样可知在运动装置上设置锁定组件，以驱动运动装置沿顺时针或者逆时针转动。其中，可以包括一个锁定部件，也可以包括多个锁定部件。锁定部件可以为上述实施例中的至少一种。多个锁定部件环绕设置在传动装置13上。传动部件13和运动部件12均为环形。

该例子中的超声波马达的工作原理和运动过程与第一种超声波马达实质上类似，也能够取得相同的技术效果，这里不再赘述。

本实施例还提供一种电子设备，该电子设备应用于前文描述的超声波马达，因此也能实现相同的技术效果，这里不再赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (7)

1.一种超声波马达，其特征在于，包括驱动装置、传动装置（13）、运动装置（12）和锁紧装置；

所述传动装置（13）与所述驱动装置连接，所述驱动装置用于驱动所述传动装置（13）运动；所述运动装置（12）套设在所述传动装置（13）外，所述锁紧装置的至少部分设置在所述传动装置（13）和/或所述运动装置（12）上；

在第一运动状态下，所述传动装置（13）通过所述锁紧装置与所述运动装置（12）固定连接；

在第二运动状态下，所述传动装置（13）与所述运动装置（12）解除固定连接；

所述锁紧装置包括至少一个压电部件（11），所述压电部件（11）位于所述运动装置（12）与所述传动装置（13）之间；

在所述第一运动状态下，所述压电部件（11）的体积增大，以在所述传动装置（13）与所述运动装置（12）之间施加锁紧力；

在所述第二运动状态下，所述压电部件（11）的体积缩小，以使所述传动装置（13）与所述运动装置（12）完全分离。

2.根据权利要求1所述的超声波马达，其特征在于，所述锁紧装置包括多个压电部件（11），所述多个压电部件（11）对称地设置在所述运动装置（12）上。

3.根据权利要求1所述的超声波马达，其特征在于，所述传动装置（13）为圆柱形，所述运动装置（12）为圆环柱形，所述压电部件（11）的截面均为扇形。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的超声波马达，其特征在于，所述驱动装置为压电材料（14）。

5.根据权利要求4所述的超声波马达，其特征在于，所述传动装置（13）在所述第一运动状态下的运动方向与所述第二运动 状态下的运动方向相反，所述驱动装置在第一运动状态下的形变量大于在第二运动状态下的形变量。

6.根据权利要求1所述的超声波马达，其特征在于，所述驱动装置驱动所述传动装置（13）做转动或者伸缩运动。

7.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的超声波马达。

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