專利名稱：一種光驅動馬達及其驅動方法
技術領域：
本發明屬于材料以及機械技術領域，具體涉及一種利用光直接驅動的馬達以及驅 動馬達旋轉的方法。
背景技術：
隨著機械系統研究的不斷進展，對馬達的要求越來越高直接驅動、大驅動力、大 位移、快速響應等。在許多特殊領域，需要采用特種性能的電機(或稱馬達)作為動力源和 運動源。現有的馬達技術主要有電磁感應電機、靜電馬達、超聲波電機、壓電陶瓷沖擊式驅 動馬達或機構等，均有各自的優缺點。電磁感應電機力矩大、速度快，但線圈損耗大、且無法 脫離有纜控制；靜電馬達直接利用靜電力驅動轉子，缺點是力矩較小，定子與轉子間的摩擦 及噪音較大，往往需要將馬達浸泡在油液中運轉。超聲波電機是近年發展起來的新型特種 馬達，之后國內外又開展了表面聲波馬達的研究。應該指出，上述電機或馬達由于需要導 線、電磁轉換器件、加熱器件等輔助設備，不利于遠程控制及搬運。眾所周知，光具有快速、準確、清潔環保，儲量豐富等一系列優異的性能，它是MEMS 的最佳供能方式。將光能直接轉化為機械能，實現利用光直接驅動馬達，將極大地推動MEMS 的快速發展。
發明內容
本發明的目的在于提供一種光驅動馬達及其驅動方法，使該馬達可應用于空間狹 小、無法供電、強磁場等苛刻領域，并克服了某些環境下無法應用裝置實施工作的缺陷。為實現上述目的，本發明的解決方案是一種光驅動馬達，其包括定子、轉子，其還包括偏心柱、軸承和光致彎曲變形單元， 偏心柱固定在定子上，轉子與定子通過軸承相聯，軸承內圈固定在偏心柱上，光致彎曲變形 單元兩端分別與轉子和偏心柱上的軸承連接。通過紫外光照射自由狀態的光致彎曲變形單 元、可見光照射處于彎曲狀態的光致彎曲變形單元，產生的旋轉扭矩驅動馬達旋轉。所述光致彎曲變形單元為四個，在圓周上呈均勻分布，與其連接的軸承也為四個， 光致彎曲變形單元與軸承對應依次連接。光致彎曲變形單元與偏心柱的粘結優選方式為與 偏心柱上安裝的軸承外圈連接。所述光致彎曲變形單元為光致彎曲薄膜，薄膜具有光致形變材料層。所述的定子、轉子及偏心柱采用材料為高分子材料或金屬或它們的復合材料中的 一種，優選透光質量輕高硬度的高分子材料，更優選有機玻璃。所述光致彎曲薄膜為一層，采用的材料為光致形變材料；或者所述光致彎曲薄膜 為兩層，外層采用的材料為光致形變材料，內層采用的材料為柔性高分子材料。所述光致形變材料為光致彎曲液晶高分子材料。所述柔性高分子材料為聚乙烯或聚丙烯或天然橡膠或由它們構成的復合高分子 材料中的一種，優選聚乙烯材料。
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所述光致彎曲變形單元與轉子及軸承通過粘結劑粘結。所述光致彎曲薄膜的內層與外層之間通過粘結劑粘結。所述粘結劑為聚丙烯酸酯類粘結劑或聚氨酯類粘結劑或環氧樹脂類粘結劑或橡 膠類粘結劑中的一種，優選為環氧樹脂類粘結劑。一種上述光驅動馬達的驅動方法，對自由狀態的光致彎曲變形單元施加紫外光照射，被照射的部分表面向入射方向 收縮，發生彎曲，使得馬達轉子有向該單元徑向長度減小的方向旋轉的趨勢；例如，致使光 致彎曲變形單元對馬達轉子產生順時針旋轉的轉矩；對彎曲狀態的光致彎曲變形單元施加可見光照射，彎曲形變逐漸恢復，使得馬達 轉子有向該單元徑向長度增長的方向旋轉的趨勢；例如，致使光致彎曲變形單元對馬達轉 子產生順時針旋轉的轉矩。改變紫外光和可見光的照射方向，即可改變馬達的旋轉方向，實現馬達轉子的逆 時針旋轉運動。本發明提出的驅動上述馬達旋轉運動的方法，利用紫外光照射自由狀態的光致彎 曲變形薄膜，可見光照射彎曲狀態的光致彎曲變形薄膜，產生帶到馬達轉子旋轉的扭矩，驅 動該馬達旋轉。其中，所述的自由狀態的光致彎曲變形單元受紫外光照射，向紫外光入射方向收 縮，發生彎曲，使得馬達轉子有向該單元徑向長度減小的方向旋轉的趨勢。其中，所述的彎曲狀態的光致彎曲變形單元受可見光照射，彎曲的光致形變材料 會回復為原始平展狀態，使得馬達轉子有向該單元徑向長度增長的方向旋轉的趨勢。其中，合理的光照致使四條光致形變材料對馬達轉子產生順時針旋轉的力矩，實 現馬達順時針旋轉運動；改變紫外光和可見光的照射方向，可實現馬達逆時針旋轉運動。本發明提供的光驅動馬達旋轉運動及其驅動的方法，對于現在的技術具有如下的 優點及效果(1)本發明中的光驅動馬達不同于是傳統的馬達，可以直接通過光致形變材料的 變形將光能轉化為馬達旋轉所需的機械能；(2)與現有的其他驅動方式相比較，光驅動快速、環保、能耗小，并且具有可遠程操 作等其他驅動方式所不具備的特點；(3)光驅動馬達部件數量少，可以根據不同的需要對馬達尺寸進行調整，適應不同 轉速和扭矩的需要，具有極高的靈活性。
圖1是本發明實施例中光驅動馬達的結構示意圖及其驅動方法示意圖。圖2是本發明實施例中光驅動馬達立體結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。如圖1-2所示，為本發明光驅動馬達實施例的示意圖，本發明包括馬達定子1，光 致彎曲變形單元2，軸承3，轉子4、偏心柱5。光致彎曲變形單元2由4條光致彎曲變形薄膜組成，每條薄膜均為單層結構，完全由光致形變材料構成。同時，每條薄膜的兩端分別粘 結固定在偏心柱5和轉子4上。為了防止馬達在旋轉運動的過程中造成光致彎曲變形單元 2纏繞在偏心柱5上，彎曲變形單元2與偏心柱之間的粘結需要采用軸承3進行過渡。即 軸承3的內圈固定在偏心柱5上，彎曲變形單元2粘結在軸承3的外圈。偏心柱5固結在 馬達定子1上。另外，構成本發明的光致彎曲變形單元2的四條光致彎曲變形薄膜也可以采取雙 層結構，外層的材料由光致形變材料構成，內層的材料由柔性高分子材料構成，外層的面積 可以小于等于內層面積，外層與內層之間通過粘結劑粘結。其工作原理與單層結構時相同。本發明采用的光源為紫外光，本實施例中具體彩的紫外光波長為365nm，光強無具 體要求；馬達定子1、轉子4、偏心柱5選用高分子材料、金屬或它們的復合材料制成，優先 選用透光質量輕高硬度的高分子材料，本實施例中選用的是有機玻璃；光致彎曲變形單元 2由光致形變材料構成，優先選用光致彎曲液晶高分子材料，本實施例中選用光致彎曲液晶 高分子材料，厚度為40 60微米；粘結劑選用聚丙烯酸酯類粘結劑、聚氨酯類粘結劑、環氧 樹脂類粘結劑、橡膠類粘結劑中的一種，優先選用環氧樹脂類粘結劑，本實施例中具體選用 的是環氧樹脂。光致形變材料在光的作用下可產生彎曲形變，這個過程將光能直接轉化為機械 能，本發明利用了光致形變材料這一特點，在光致彎曲變形單元采用光致形變材料來實現 馬達的驅動。下面為光驅動馬達被光驅動實現轉動的過程將四條光致形變材料薄膜的兩端分別粘結在馬達轉子和定子偏心柱軸承上；光致形變材料被紫外光照射的部分會向光線入射方向彎曲，故用紫外光沿著如圖 1所示的箭頭100方向照射自由狀態的光致形變材料薄膜，這部分光致形變材料發生彎曲， 致使光致形變材料薄膜對馬達轉子產生順時針旋轉的轉矩；光致形變材料被可見光照射的部分會由彎曲狀態恢復為自由平展狀態，故用可見 光沿著如圖1所示的箭頭200方向對彎曲狀態的光致形變材料薄膜施加可見光照射，彎曲 形變逐漸恢復，致使光致形變材料薄膜對馬達轉子產生順時針旋轉的轉矩；致使光致形變材料薄膜對馬達轉子產生順時針旋轉的轉矩，實現馬達轉子的順時 針旋轉運動。通過上述的過程可以實現光致彎曲變形單元2驅動馬達旋轉的功能。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發 明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的 一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施 例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在 本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種光驅動馬達，其包括定子、轉子，其特征在于其還包括偏心柱、軸承和光致彎曲變形單元，偏心柱固定在定子上，轉子與定子通過軸承相聯，軸承內圈固定在偏心柱上，光致彎曲變形單元兩端分別與轉子和偏心柱上的軸承連接。
2.如權利要求1所述的光驅動馬達，其特征在于所述光致彎曲變形單元為四個，在圓 周上呈均勻分布，與其連接的軸承也為四個，光致彎曲變形單元與軸承對應依次連接；所述 光致彎曲變形單元與轉子及軸承通過粘結劑粘結。
3.如權利要求1或2所述的光驅動馬達，其特征在于所述光致彎曲變形單元為光致 彎曲薄膜，薄膜具有光致形變材料層。
4.如權利要求1所述的驅動馬達，其特征在于所述的定子、轉子及偏心柱采用材料為 高分子材料或金屬或它們的復合材料中的一種，優選透光質量輕高硬度的高分子材料，更 優選有機玻璃。
5.如權利要求3所述的驅動馬達，其特征在于所述光致彎曲薄膜為一層，采用的材料 為光致形變材料；或者所述光致彎曲薄膜為兩層，外層采用的材料為光致形變材料，內層采 用的材料為柔性高分子材料，內層與外層之間通過粘結劑粘結。
6.如權利要求5所述的驅動馬達，其特征在于所述光致形變材料為光致彎曲液晶高 分子材料。
7.如權利要求5所述的驅動馬達，其特征在于所述柔性高分子材料為聚乙烯或聚丙 烯或天然橡膠或由它們構成的復合高分子材料中的一種，優選聚乙烯材料。
8.如權利要求2或5所述的驅動馬達，其特征在于所述粘結劑為聚丙烯酸酯類粘結 劑或聚氨酯類粘結劑或環氧樹脂類粘結劑或橡膠類粘結劑中的一種，優選為環氧樹脂類粘結劑。
9.一種權利要求1所述的光驅動馬達的驅動方法，其特征在于對自由狀態的光致彎曲變形單元施加紫外光照射，被照射的部分表面向入射方向收 縮，發生彎曲，使得馬達轉子具有向該單元徑向長度減小的方向旋轉的趨勢；對彎曲狀態的光致彎曲變形單元施加可見光照射，彎曲形變逐漸恢復，使得馬達轉子 具有向該單元徑向長度增長的方向旋轉的趨勢。
10.如權利要求9所述的驅動方法，其特征在于改變紫外光和可見光的照射方向，即 可改變馬達的旋轉方向。
全文摘要
本發明一種光驅動馬達及其驅動方法，該光驅動馬達包括轉子、定子，還包括偏心柱、軸承、光致彎曲變形單元，偏心柱固定在馬達的定子上，光致彎曲變形單元的兩端分別粘結到偏心柱和馬達轉子上。其驅動方法處于自由狀態的光致彎曲變形單元受到紫外光的照射，被照射的部分發生彎曲，致使光致彎曲變形單元對馬達轉子產生順時針旋轉的扭矩；處于彎曲狀態的光致形變材料薄膜受到可見光照射，彎曲逐漸恢復，致使光致彎曲變形單元對馬達轉子產生順時針旋轉的扭矩；從而實現馬達的順時針旋轉運動。本發明結構簡單，尺寸不限，并且將光能直接應用于旋轉運動，不再需要額外的能量轉換和動力傳遞裝置，具有快速、環保、能耗小的優點，還可進行遠程操作。
文檔編號H02K7/00GK101964563SQ201010252339
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者俞燕蕾, 劉恒, 劉釗, 吳強, 朱玉田, 程伏濤, 陳茂林 申請人:同濟大學