[發明專利]一種高速率、高分辨率、高驅動力的雙模超聲波線性馬達

無效

• 申請號: 201210215562.9
• 申請日: 2012-06-27
• 公開（公告）號: CN103516252A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 殷立峰;黃少華;姜炎
• 申請（專利權）人: 森泉(上海)光電科技有限公司
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于機電產品，該馬達可廣泛運用于需要高精確度定位技術的領域，如半導體技術、光纖通訊、微型機械、基因和生物技術等微觀研究領域。?

背景技術

傳統的馬達都是基于電磁原理工作的，將電磁能量變換成轉動能量。而超聲波馬達則是基于利用壓電材料的逆壓電效應(即電致伸縮效應)，把電能轉化成彈性體的超聲波振動，然后通過摩擦傳動的方式轉換成動子的轉動或者直線運動。如圖1所示，超聲波電機由定子(振動體)和轉子(移動體)兩部分構成。當對極化后的壓電陶瓷器件施加高頻電壓時，由于電致伸縮效應，隨著電壓幅值的變化，壓電陶瓷出現膨脹或收縮，從而在定子彈性體內激發出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅動轉子運動，實現換能。?

傳統的超聲波馬達根據將超聲波振動能量變換的方法來分有兩類：1、駐波型(Standing?Wave?Type)；2、行波型(Propagating-wave?Type)。駐波型超聲波馬達是利用彈性體內激發的駐波來驅動動子移動，但是單一的駐波并不能傳遞能量，因為彈性體表面質點做同相振動。因此，駐波型超聲波電機通過激發并合成相互垂直的兩個駐波，使得彈性體?表面質點作橢圓振動，直接或者間接地驅動動子移動而輸出能量。行波型超聲波電機定子上的壓電陶瓷在二相交變電壓作用下，在彈性體內形成兩個時空相差為90°的彎曲振動駐波，進而在定子彈性體合成一個沿著圓環周向旋轉的彎曲振動行波，行波使彈性體與動子相接觸的表面質點作橢圓運動，驅動轉子移動而輸出能量。?

發明內容

與傳統的兩類超聲波馬達不同，本發明中的超聲波線性馬達的基本原理是在壓電陶瓷驅動器的振動和摩擦下利用慣性原理實現線性移動，從而將超聲波振動能量變換成物體的平動動能。本發明所提出的雙模超聲波線性馬達的最大創新之處是將高速率和高精度這兩個傳統上不能兼容的指標利用外部驅動電路的時序模式變換在同一設備上實現。該馬達不僅能以mm/s的高速率模式運行，還能以分辨率為納米量級的高精度模式運行。?

附圖說明

通過以下結合附圖的詳細描述，使得本發明專利的特點、目的以及其它優點顯而易見。?

圖1所示為超聲波馬達的轉子和定子之間實現換能的基本原理示意圖。?

圖2所示為雙模超聲波線性馬達驅動單元(轉子)結構示意圖。?

圖3所示為雙模超聲波線性馬達的結構示意圖。?

圖4所示為雙模超聲波線性馬達高速率模式的脈沖驅動電壓時序圖。?

圖5所示為雙模超聲波線性馬達高精度模式的脈沖驅動電壓時序圖。?

圖6所示為作為進針系統使用在掃描隧道顯微鏡上的雙模超聲波線性馬達照片。?

具體實施方式

以下結合附圖將描述對本發明的具體實施過程進行說明。為了清楚和簡化的目的，當其可能使本發明的主題模糊不清時，將省略本文所描述的器件中已知功能和結構的詳細具體描述。?

如圖2所示，超聲波馬達最基本的驅動振子單元為4片極化方向交替排列的壓電陶瓷片(PZT)堆垛。由于PZT單向運動的特點，必須通過極化方向交替排列的堆垛才能實現雙向運動。在正脈沖或者負脈沖電壓驅動下，各有兩片同極性的PZT單向運動。?

如圖3所示，將上述6塊相同的振子單元，共24片PZT組合構成陣列作為電機的驅動部分。因此實際的單向驅動力由12片同極性的PZT共同提供，所以具有負載高的優點。而線性運動方向的振子間距可以根據要求定制，所以具有行程大的優點。?

該超聲波線性馬達的基本工作原理為慣性原理，通過脈沖驅動電壓的時序不同實現雙模工作方式。圖4所示的是高速率模式的脈沖驅動電壓時序圖，在6個振子同步的鋸齒波電壓較緩慢的上升沿的推動下，中心柱隨著PZT一起往前移動；而在鋸齒波陡峭的下降沿，中心柱跟不上PZT位置的迅速變化而留在原地，從而實現前進蠕動?一步的目的。驅動脈沖的頻率范圍為1kHZ～10kHZ。通過改變脈沖電壓的大小和頻率可實現速率的調控，通過改變脈沖電壓的極性可實現移動方向的改變。?

圖5所示的是高精度模式的脈沖驅動電壓時序圖，6個PZT堆垛的脈沖鋸齒波電壓依次順序施加，由于摩擦力的影響，最終中心柱能夠前進的距離由第六塊PZT堆垛的電壓脈沖高度ΔU決定。從而在保證高驅動力的前提下，確保了nm量級的精度。?

應用實施示例?

圖6所示為利用此超聲波線性馬達制成的掃描隧道顯微鏡的進針系統的照片，具體能達到的性能參數為：?

1)驅動力為10N量級；?

2)行程可根據需要定制，1毫米～100毫米；?