专利名称：压电-电流变直线步进马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电-电流变直线步进马达，属机电设备技术领域。
现有的压电直线马达，如美国专利US4736131公开的，采用三个压电堆杂构成的压电直线马达，其结构如图1所示，主要由基体101，箝位器102和压电体103组成，其优点是具有大行程、大推力的特点，但它的具有放大位移量的箝位机构，产生严重的冲击振动，而且马达的功耗，有2/3都消耗在箝位器上。此外，磨损及噪声也是其存在的问题之一。
本发明的目的是设计一种性能优良、结构简单，利用压电体的逆压电效应驱动、电流变效应箝位的新型直线步进马达，使其具有高驱动力、高机械分辨力和高电机能量转换效率等特点，而且无磨损、无冲击振动。
本发明的内容是压电/电流变直线步进马达，由箝位器、压电/电致伸缩元件和绝缘导轨组成。箝位器由箝位极板、电流变流体和基体组成。箝位极板装接在压电/电致伸缩元件的两端，并架在绝缘导轨上，构成马达的驱动源，绝缘导轨放置在基体底部两侧。箝位极板和基座之间充满电流变流体，基体是零电位，箝位极板接高电位。
电流变流体是一种高绝缘液体，其间悬浮有大量的具有较高极化特性的微细颗粒，当电流变流体置于高电场下，液体中的颗粒能在瞬间形成具有抗剪能力的颗粒链或质点纤维，使流体呈现“弱固体”状态，并表现出类似固体的性质。一当电场去掉，便又在瞬间恢复流体原状。通常电流变流体从液到固/固到液响应时间周期，小于1ms，甚至仅为几十μs。
由于电流变流体受电场控制时能可逆以液态转化成固态，或从固态转化为液态，利用这种效应可以构成直线步进马达的箝位器。当在箝位极板与基座之间施加高电场(1-3KV/mm)时，电流变流体将在瞬间(小于1ms)转变为弱固态，同时把马达的箝位极板同基座固成一体，从而使马达箝位。性能良好的电流变流体在E＝3KV/mm的电场下，其屈服强度为5-60KPa，工作电流密度为0.1μA-2μA/cm2。因此，对于一个面积为10cm2的箝位元件，箝位时所传递的推力为0.5-6Kg，箝位时所消耗的功率仅为3mW-60mW;而采用多层压电体作箝位器，传递同样的推力所消耗的功率通常是电流变流体的十到几百倍。运行时，两个箝位器交替箝位，配合中间压电/电致伸缩元件的伸缩运动，使马达能以步进方式运行。
使用电流变箝位的压电/电致伸缩直线马达，和通常利用压电致动器、电磁力箝位马达相比，它只需要沿轴向运动方向提供用于驱动的一种振动模式，不存在垂直于轴向用于箝位的第二种振动模式及所带来的冲击动作和冲击噪声。因此更适用于超精密机械定位场合。采用电流变流体做箝位器，避免了通常压电马达所需要的高精密加工工艺，在工艺上有条件做成大行程，同时具有高精密定位性能，因此，直线运动的压电/电致伸缩-电流变马达具有大行程、低速度、高精密定位的性能和优点。
图1是已有技术示意2是本发明的结构示意3是图2的侧视4是本发明的一个实施例图5是图4的侧视图下面结合附图，详细介绍本发明内容。图2和图3中1a、1b是箝位极板，2是压电/电致伸缩元件，3是槽形基体，3a、3b是绝缘导轨，4是电流变流体。箝位极板1a、1b对称地连接在压电/电致伸缩驱动元件2的两端，并与基体3平行的置放在绝缘导轨3a、3b上，箝位极板1a、1b与基体之间，充满了电流变流体4。压电/电致伸缩驱动元件2，在电压作用下能沿轴向伸缩。当一高压电信号被加到箝位极板1a或1b上时，(基体为零电位)，则极板1a或1b与基座之间的电流变流体，将在瞬间变为固态，从而将箝位极板固定在基体上，实现了箝位。运行时，首先将一高压脉冲施加到箝位极板1a上，使1a与基体之间的电流变流体变为固态，1a被箝位，之后将另一电压脉冲施加到压电/电致伸缩驱动元件2上，使2伸长并推动箝位极板1b向右移动一步，保持2伸长，将高压脉冲加到1b上，使1b与基体之间电流变流体也变成固态，1b被箝位;再去掉1a上的电压，1a与基体之间已成固态的电流变流体又在瞬间恢复为液态，使1a自由;之后，去掉压电/电致伸缩元件2上的电压，因1b已箝位，结果2恢复原长的同时，也带动箝位极板1a向右移动一步。这样马达已完成一步运行。以后重复以上步骤，马达将一直向右运动下去。如果将以上运动反过来进行、则马达将向左运动。马达的运行速度可通过改变施加压电/电致伸缩元件上的电压大小来调节，也可通过改变方波源频率来调节，精密的控制驱动电压的幅值，可获得亚、次亚微米的步距。
图4是本发明的一个实施例，图5是图4的侧视图。图4和图5中，5是电流变流体，6a、6b是园筒状箝位器，6a-1、6b-1是箝位极板，7是圆筒状基体，8是压电/电致伸缩元件，它是一个多层致动器。9是绝缘导轨，10是半球形尾。从图中可以看出，这种马达为园柱状结构，圆筒状的箝位器6a、6b有更大的箝位面积6a-1、6a-2，因而能获得更大的箝位力。园筒状箝位极板对称联接在压电/电致伸缩动力元件8的两端，它们构成马达的驱动装置，绝缘导轨9将驱动装置同基体7分开一间隙，并使其内充满电流变流体5。10为半球形尾，10在液体中可减少反向运行阻力和起防撞保护作用。绝缘导轨有四根，沿园周均匀分置于园筒状基体上。
权利要求
1.一种压电-电流变直线步进马达，其特征在于所述的马达由箝位器、压电/电致伸缩元件、基体和绝缘导轨组成，所述的箝位器由箝位极板、电流变流体和基体组成；所述的箝位极板装接在压电/电致伸缩元件的两端，并与基体平行地安置在绝缘导轨上，构成马达的驱动源，绝缘导轨装置在基体底部两侧；所述的箝位极板和基体之间充满电流变流体；基体是零电位，箝位极板接高电位。
2.一种如权利要求1所述的直线步进马达，其特征在于其中所述的基体为园筒状;所述的箝位极板是园筒片状;所述的绝缘导轨有四根，沿园周均匀分置于园筒状基体上，所述的压电电致伸缩元件为一多层致动器，园片状箝位极板对称联接在压电伸缩致动元件两端，构成马达的驱动源，并与圆筒状基体同轴的安装在其内的绝缘导轨上。
全文摘要
本发明涉及一种压电-电流变直线步进马达。这种马达由箝位器，压电/电致伸缩元件和绝缘导轨组成。箝位器由箝位极板、电流变流体和基体组成。箝位极板装接在压电/电致伸缩元件的两端，并架在绝缘导轨上，构成马达的驱动源。箝位极板和基体之间充满电流变流体。由于电流变流体在变电场控制下能可逆，从液体到固体相互转化，从而使马达箝位或松动。压电-电流变直线步进马达适于大行程、低速度、高精密定位的场合。
文档编号H02N2/00GK1066941SQ9210526
公开日1992年12月9日 申请日期1992年7月2日 优先权日1992年7月2日
发明者董蜀湘, 李龙土, 周铁英, 桂治轮, 张孝文 申请人:清华大学