专利名称：压电马达的利记博彩app
背景技术：
本申请涉及压电马达，尤其涉及能储存可用于转动马达的能量的压电马达。
在压电马达中，电激励(electro-active)材料用于将电势直接转化为机械应变。压电马达依靠摩擦将微观应变转化为宏观运动。
压电马达用于精密激励器和效应器中，诸如机器人操纵器。它们在精确控制方面比普通的马达(即依靠气隙中电磁耦合的马达)具有如下优点重量轻，尺寸紧凑，低能量应用，即在低温或其它极端环境条件下所希望的工作能力。
普通的压电马达一般包括一系列机动的步行程这些马达并不储存能量。
普通压电马达的部件相对于分段位移较小。利用普通的装备和方法，制造这种能保持可接受的公差的马达可能是困难或昂贵的。若磨损超过这些公差它们还易于发生故障。
发明概述本发明的目的是提供一种能通过在基体内连续诱发小的应变量的压电马达，尤其是一种适用于要求紧凑、大功率密度、长行程精确激励器的应用场合的压电马达。
本发明的另一目的是提供一种能由分支(leg)运动储存能量的压电马达，这些能量可以释放，使马达相对于基体运动，这样在不消耗功率的同时便能保持一个恒定的力。
本发明的还有一个目的是提供一种具有一个顺从表面的压电马达，这种表面力图推动马达与基体接合，从而避免在现有技术中所遇到的公差与磨损问题。
本发明的再一个目的是一种具有足够量基体接合分支，以提供为使单点故障减至最少的可接受的重复度。
上述目的是通过压电马达来达到的，该马达包括一个马达体，一个与马达体保持联系的顺从层，和与该顺从层保持联系的预定数的分支，该顺从层推动分支与基体接合。每个分支包括一个压电晶片，它最好以切变模式工作。压电晶片的激励使相应的分支相对于基体位移。这种位移使应变能量转移到顺从层。储存在顺从层中的能量可被释放，使马达沿基体前进。
这些分支可彼此独立地移动，它们还可相继移动或按预定的组或单元移动。在一个优选实施例中这些分支被成对设置，使这些分支对能同时激励。分支中的压电晶片可由与这些分去对平行设置的模拟电压源激励。
在另一优选实施例中，压电马达可包括一个马达体的预定量的分支，这些分支经一顺从界面与马达体相连，该顺从界面推动分支与基体接合。每一分支包括至少一个电激励元件，它最好为一个以切变模式工作的压电晶片。
另一优先实施例的压电马达包括一个马达体，一个与马达体保持联系能储存应变能量的顺从层，和预定数的与顺从层保持联系的分支，该顺从层使分支与基体保持接合。每一分支包括一个压电元件。压电元件的激励使相应分支产生位移。压电元件的卸载将应变能量传递到顺从层。储存在顺从层内的能量的释放使马达沿基体前移。该原达能在基体中保持功率输入的高保持力。
根据下面详细的叙述，本发明的这些和其它的目的会变得明显。
附图简述
图1是本发明的线性压电原达的简图；图2是标有(a)至(h)的一系列简图，表示图1在压电马达在一个完整周期内的分段工作；图3是可用于激励图2压电马达的5支的晶片的简略曲线图；图4是本发明的线性和旋转压电马达的简图；图5是表示晶片以切变模式工作的压电晶片的简图。优先实施例说明本发明的压电马达有一分支，由一个或多个压电晶片构成，它接合一根轴或其它基体。该马达通过与分支和基体的摩擦接触产生输出力。本发明设想马达体被固定而分支使基体运动的一些应用以及基体被固定两分支使马达体沿基体运动的一些应用。
现在转到附图，图1表示本发明的线性压电马达10的简图。马达10有一预定的分支12的数目N，每一分支包括至少一个压电元件，最好为一压电切变晶片。马达体16上的顺从层14使分支12与一根轴或其它基体18保持接合。可对马达体16施加一预载力P，以有助于保持分支12与基体18接合。由压电晶片的激励引起的分支12和基体18的摩擦接触使马达10相对于基体18运动，下面还要进一步说明。接触层13可配量在分支12和基体18之间，以进一步有助于保持这种接触。
在这些附图中，为了清楚地表示马达的结构和操作，分支的尺寸及其运动已被夸大。事实上，本发明的压电马达的分支是非常小的，而分支的运动在没有放大的情况下通常是不能觉察的。采用有限的步幅以产生肉眼可见的运动。
在所示的例子中，分支12沿马达体16的轴线彼此相隔一定距离或直线排列。这N个分支也可成对或甚至许多对排列，在每对或其它许多单元中的分支彼此以一定距离间隔。除非另有规定，随后指N个分支也适用于包含二个或多个耦合分支的N个单元。分支的大量应用提供了多余度，它允许马达即使某些分支损坏时也能连续地有效工作。当这种马达打算用于在修理时不易接近的应用场合或单点故障会导致不能接受的停机或甚至更严重后果的应用场合时，这是特别有价值的。
马达10的分支12能彼此独立地运动。或者，在一个或更多单元中的分支12的控制可以是成对的，这样，它们依照控制信号一起运动。分支12能沿单根轴线运动，如在图2的线性马达10中所示，或者它们可沿多根轴线运动，如在图4的旋转马达10”中所示。
图2表示具有4个分支12’的马达10’的完整工作周期的一系列简图。分支，诸如图2(a)中的分支2被激励，使它沿基体18位移一距离S。分支12’之所以能产生位移是因为所施加的电压足以使该分支突然开始动摩擦，然而，其它的分支由于静摩擦存在相对于基体18’保持就位。因此，当马达10’处在由图2(b)表示的状态时，二种净力经顺从底层14’正作用在马达体16’上，这二种力即为拉动马达前进的分支2的力和保持马达后退的其余分支的力的总和。这些力的静态平静使马达10’向前移动一子步d。当分支2被卸载时，其压电晶片的应变转移到顺从物质14’上，而所有的分支12’由于静摩擦此时相对于基体18’保持就位。这样，本发明的马达10’在没有电压输入的情况下能保持一个恒定的力。
上述激励和卸载的步骤对于N个分支中的每一个可以重复，如相对于图2(c)至2(h)中的分支1、3和4所示，直到马达10’已获得了整个步幅S。在这过程中，当拉动马达10’前进的分支12’的数目增加时，保持马达10’返回的分支12’的数目逐渐减少。这整个周期可以重复直至达到所希望的位移。
在所示的例子中，一次激励一个分支12’。然而，也可成对或以更高倍数激励分支，以提高马达移动速度(图中未示)。用于驱动马达10’的控制信号无须同步，因为顺从界面14’会无差别地储存该应变能量。
图3是表示波形20的简图，该波形可用于使图2马达的分支12’前进一个步幅。每一分支12’由一电压脉冲个别激励，该脉冲使电压自Vmin变换到Vmax。该脉冲产生高的转换速率(陡度)22，足以在分支、诸如图2(a)的分支2内产生一急滑反应。一旦分支12’处于其前移状态，电压经一电阻卸载，形成锯齿波形的低陡度部分24，而分支12’由静摩擦保持就位。
马达的速度通过调节信号频率，峰值电压(步幅大大)或两者可以控制。通过控制施加于压电元件的信号的频率或电压，可使速度下降到零。在任何由使用场合所需要的频率下可采取有限的步幅。
利用数字和模拟电路可产生图3中所示的控制信号。采用诸如具有数模(D/A)转换器的监控设备(MCU)的控制设备可产生时间波形。MCU的输出是用于控制一系统高压放大器的N个低功率信号。利用金属氧化物功率半导体场效应晶体管(MOSFET)电压开关，可放大控制程序的急动相位。通过RL电路使所有分支激励器卸载可完成控制程序的驱动相位。或者，利用二个具有不同电流限制的功率晶体管可控制在驱动相位期间的波形。高陡度相位可经高电流极限来加载，而低陡度相位可经低电流极限来加载。当然，精通本技术的普通人员可设计出用以控制马达分支的其它控制信号。
分支的静位移能力S确定了微定位范围。位移的大小S是由压电材料(以切变模式工作)的d15常数和施加的电压确定。通过成对安排分支并用模拟电压或电荷放大器同时平行操作所有的分支对可达到极微细的微定位。
通过颠倒Vmax的极性可控制行进的方向。或者，可将输入信号从图3的向上缓和的锯齿形改变为向下缓和的锯齿形。
施加于各分支峰值电压Vmax可以相等，但这并不是要求的，因为顺从层无差别地储存能量。然而，改变施加于一个或多个分支上的电压以达到移动一距离S，尤其是当相继激励分支时，或许是必要的。例如，若顺从层在储存应变能量方面是特别有效的，则减小施加于一个或多个朝周期末端激励的分支上的峰值电压，以避免越过距离S可能是必要的。
可以认为，步幅大小近似于d15*Vmax*N其中d15是压电位移常数，Vmax是所施加的电压，而N是在每个分支内的切变晶片数。对于一个晶片层，d15值为800e12/v及Vmax为400V，该单元位移估计为0.32微米。若在每一步幅中采用5个切变晶片，则单元位移估计为16微米。
因为压电并不在移动一惯性质量，所以，晶片的谐振会是高的(至少高至50KHZ)。若马达工作在25KHZ，一个完全处在功率MOSFET能力范围内的频率，则马达速度估计为40mm/sec。该速度可通过增加每一分支的切变晶片数来增加。此外，如上所述，通过调节信号频率或峰值压力，可控制马达的速度。
此外认为马达的输出力可通过假定所产生的力小于压电力的摩擦力来估算。对于10mm宽X0.25mm原的切剪块，成组压电力约为110N。摩擦力由施加于马达体的预载负荷确定。可以认为静摩擦系数将支配相互接触作用。
作为一个例子，钢对陶瓷的静摩擦系数一般处在0.1至0.5范围内。若SMA带用作一预载机构，则可达到250N的预载负荷。在该例子中，马达的设计输出力的低极限定25N，而高极限定约110N的压电力。
如图4中所示，本发明的压力马达10”也可被制成仅能进行转动或既转动又直线移动。马达10”包括预定数目N的压电分支12”，它们经一顺从层(在图中未示)连于马达体16”。马达10”通过与轴18”的摩擦接触产生输出力。马达体16”可相对于轴18”直线移动(沿方向A)或转动(沿方向B)或既转动又移动。
顺从层确保这些分支总是与基体接触。它还储存应变能量，以允许分支运动而无须复杂的同步。顺从材料必须有足够的刚性，以保持分支与基体耦合；它还必须有足够的弹性，以储存由分支中应变释放传给它的能量，而不过分影响分支的激励。具有宽广特性范围的材料可适用于本发明的一种或多种应用，尤其还取决于马达使用的环境和在马达使用或运输期间可计作用在顺从层上的力。在形成顺从层方面可用的材料例子包括有适中刚性的弹性材料，塑料和聚氨酯。该顺从层可独立于马达体形成，并粘固于马达体。取决于为顺从层所选取的材料，也可将它涂在马达体上来形成顺从层。
可通过使分支与顺从层保持接触并允许这些分支将应变能量传入顺从层的任何方法将这些分支固定于顺从层。例如，利用粘性材料可将分支固定于顺从层。也可采用分支与顺从层的其它固定方法，诸如将分支直接插入一个非固定的或部分固定的顺从层。在分支中压电晶片的底部和基体之间可介入一接触面。该接触面可由任何适当的具有适当磨损和磨擦特性(高静摩擦和低动力摩擦，以有助于分支相对于基体的运动)的适当材料构成。
每个有效的分支包括至少一个压电晶片，尽管其它的晶片可叠在一起成为一个分支，以达到力或位移的增大。压电材料通常抗拉强度低，所以晶片必须以一种减少压电晶片中拉力故障几率的方式固定在分支内。
最好，这些晶片以剪切模式工作，以达到每伏输入的最大位移输出。图5描绘压电晶片30以切剪模式工作。如上所述，高的压电常数d相应于每伏输入的大位移输出。最大的压电常数是d15(d15＞d33＞d31)，因此，沿“15”方向的压电材料的激励，称作剪切模式，使每伏输入的位移输出最大。在剪切激励模式中，极化方向P垂直于所施加的磁场E，它允许压电晶片以高的双向工作电压(即马达即能以两种大的正和负的激励电压工作，而无退磁的危险)工作。该最大磁场仅受电介质击穿电压的限制。(在“3X”应用中，负的磁场沿负方向受退磁的限制，沿正方向受电介质击穿的限制。)此外，按剪切模式的压电材料的工作允许分支被预加载到该轴上，同时转能变形，并减少非线性蠕变与老化。
在本发明的马达中能量转换的速率和反应时间取决于所取激励材料的性质。适当的压电材料可包括铅锆的钛酸盐，扼磁材料(例如特氟隆-D)和具有适当减小系数和反应时间的扼电材料(eleclroreotrictive)(如铅镁的铌酸盐(PMN))。压电体独特的特征是具有快的反应时间，因此，本发明马达的反应时间可少于1毫秒。
本发明的马达比普通马达和其它压电马达具有更多的优点。它在单个和可靠的单元中提较大的力和速度输出。
本文虽然详细说明了本发明的具体实施例，可以理解，在不背离本发明的精动或所附权利要求书的范围内，精通本技术领域的人们可以作出种种变更。
权利要求
1.一种压电马达，包括一个马达体；一层与马达体耦合的顺从层；与顺从层耦合的预定数的分支，每一分支包括一压电晶片。
2.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于这些分支能彼此独立移动。
3.按权利要求2所述的压电马达，其特征在于这些分支能顺序移动。
4.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于这些压电晶片的激励使相应分支产生位移。
5.按权利要求4所述的压电马达，其特征在于这些分支位移使能量储存于顺从层内。
6.按权利要求4所述的压电马达，其特征在于这些储存在顺从层内的能量释放使马达沿基体前进。
7.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于这些顺从层促使分支与基体进入接合。
8.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于这些压电晶片以剪切模式工作。
9.按权利要求1所述的压电马达，其特征在于这些分支成对安置，这些成对安置的分支能同时激励。
10.按权利要求9所述的压电马达，其特征在于还包括一个与这些分支对成平行设置的模拟压电源，所述电压源能激励分支中的压电晶片。
11.一种压电马达，包括一个马达体；经一顺从界面与马达体相连的预定数的分支。
12.按权利要求11所述的压电马达，其特征在于这些该顺从界面促使分支进入与基体的接合。
13.按权利要求11所述的压电马达，其特征在于这些每一分支包括至少一个电激励元件。
14.按权利要求13所述的压电马达，其特征在于这些电激励元件是一压电晶片。
15.按权利要求14所述的压电马达，其特征在于这些压电晶体以剪切模式工作。
16.一种压电马达，包括一个马达体；一个能储存应变能量与马达体耦合的顺从层；与该顺从层耦合的预定数的分支，每一分支包括一压电元件，该顺从层使这些分支与基体保持接合。
17.按权利要求16所述的压电马达，其特征在于这些压电元件的激励使相应的分支产生位移。
18.按权利要求16所述的压电马达，其特征在于这些压电元件的卸载将应变能量转移到顺从层。
19.按权利要求16所述的压电马达，其特征在于这些储存在顺从层内的能量释放使马达沿基体前移。
20.按权利要求16所述的压电马达，其特征在于这些该马达在没有功率输入的情况下能保持高的保持力。
全文摘要
一种压电马达,包括一马达体,一与马达体耦合的顺从层,与顺从层耦合的预定数的分支,顺从层促使分支与一基体接合。每一分支包括一压电晶片,该晶片最好以剪切模式工作。压电晶片的激励使相应的分支相对一基体位移。该位移导致应变能量转移到顺从层。储存在顺从层内的能量可被释放,使马达沿基体前移。这些分支能彼此独立移动,也可顺序或按预定的组之移动。这些分支也能成对设备,这些分支对能同时激励。该马达能在没有功率输入的情况下保持高的保持力。
文档编号H01L41/09GK1268251SQ98808560
公开日2000年9月27日 申请日期1998年7月7日 优先权日1997年7月8日
发明者约翰·坎宁安, 伊弗雷姆·加西亚, 戴维·V·牛顿 申请人:约翰·坎宁安, 伊弗雷姆·加西亚, 戴维V·牛顿