一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机制造技术

本发明专利技术涉及一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机，属于超声应用领域，利用压电陶瓷的ｄ↓［１５］压电效应激励定子弯曲振动，它由定子，转子或动子以及预压力机构组成，定子主要由压电陶瓷组件以及匹配块构成，压电陶瓷组件分成上、下两部分，其侧表面设置四个或八个电极面，沿着定子的轴向极化；该极化方向相同或相反；压电陶瓷激励电场的施加方向与极化方向垂直。当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同时，相应的上下两个电极上所加的电压相反；当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相反时，相应的上下两个电极上所加的电压相同。本电机适合微型化，尺寸可以小到０．３ｍｍ。该发明专利技术在生物、医疗、微机械、国防科技等方面具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声应用领域，特别涉及一种微型化的超声波电机的结构设计。
技术介绍
压电超声电机是利用压电材料的逆压电效应，采取特定的结构制成的驱动机构，它一般由定子、转子(或动子)以及预压力机构等功能部件构成。它利用压电陶瓷的逆压电效应，在定子表面产生超声振动，并由定子与转子(或动子)之间的摩擦力驱动转子(或动子)运动。超声电机具有以下优于普通电磁电机的特点1、低转速、大转矩，不需要减速机构可直接驱动负载；2、体积小、结构灵活，功率体积比是电磁电机的3-10倍；3、起动停止响应快，响应时间小于1毫秒；4、不产生电磁干扰，也不受电磁干扰；5、有自保持力矩，无齿轮间隙，可精密定位；6、运行安静无噪声。弯曲振动模态超声波电机是超声电机的一种，它的结构相对别的超声电机比较简单，同样主要由激励超声振动的定子，输出力矩的转子(或动子)以及给转子(或动子)加压的预压力机构等组成，所说的定子又主要由激励振动的压电陶瓷组件以及匹配块构成。弯曲振动模态超声波电机的传动原理如图1所示，定子处于圆周摇头的振动方式，定子11与环状转子12之间有一很小的间隙，传动时定子边弯曲边摇头运动，因此定、转子之间有切点接触，其接触点在定子的外圆周边上移动，依次，定、转子间的摩擦力使转子沿与接触点移动方向相反的方向转动。常用的弯曲振动模态超声波电机定子振动的激励方式有二种，第一种利用压电陶瓷的d33效应，在极化方向施加电场，使压电陶瓷产生沿极化方向的形变；第二种利用压电陶瓷的d31效应，在极化方向施加电场，使压电陶瓷产生沿与极化方向的垂直的形变。图2是采用压电陶瓷的d33压电效应的弯曲摇头超声电机示意图，该种电机已经比较成熟，它利用压电陶瓷的d33效应进行弯曲激励，从而激发出定子的摇头振动。如图2(a)所示，所用的压电陶瓷元件为4片压电片。在同一压电片上以直径对称分两半反相极化，通A相电流的两片压电片211和通B相电流的两片压电片212空间垂直排列，采用朗之万夹心结构组成定子，同时A相输入Sinωt信号，B相输入Cosωt信号，这样采用时间和空间各90度相位差来激励弯曲振动；这种压电片激励的弯曲振动模态超声波电机结构如图2(b)所示，上下匹配块36、38夹紧4片压电陶瓷片37后共同构成电机的定子，置于定子上的转子225为空心结构，其中空部位有施加预压力的弹簧224，力矩通过齿轮223输出，222为聚四氟乙烯套，起轴承的作用，221为垫圈，229为主轴。图3为采用压电陶瓷的d31压电效应的弯曲摇头超声电机的结构示意图。电机的定子为金属管压电陶瓷片复合结构，压电陶瓷片沿厚度方向极化，并在加电场的表面涂有电极。利用了压电陶瓷的d31压电效应。如图3(a)所示，在金属管313的两个相邻的平面粘贴压电陶瓷片311、312。在使用时金属管313接地，依次在压电陶瓷片311、312的极面上接入sinωt，cosωt激励信号，在定子上激励出弯曲摇头的振动模态。图3(b)为该电机的结构示意图。电机采用双端驱动，压电陶瓷片323贴在金属管323上，构成中空的定子，轴322穿过定子，与匹配块324和弹簧325一起构成转子结构，弹簧用于提供定、转子间的必需的预压力。弯曲振动模态超声波电机的主要优势就是易于实现微型化和产业化。采用压电陶瓷的d33效应进行弯曲激励的棒状摇头型超声电机已经产业化，电机直径一般都比较大；压电陶瓷管和压电陶瓷柱方案和金属管柱压电陶瓷片复合方案有利于超声电机结构的微型化，新加坡国立大学研制的采用管柱方案摇头型超声电机的直径仅为1.5mm。微小型超声电机可在手机，医疗及航天等领域获得广泛应用，可将超声电机的应用推向一个新的阶段。利用压电陶瓷的d33效应进行弯曲激励的电机结构尺寸不容易微型化，利用压电陶瓷的d31效应进行弯曲激励的管柱状电机的结构尺寸可以做的很小，但是当管柱的高度相对于直径尺寸较小时，对弯曲振动的激励效果很差，不能有效驱动。并且采用压电陶瓷的d33效应进行弯曲激励的微型压电陶瓷管柱方案存在微小的中空孔不容易加工和极化工艺比较复杂等问题，难于保证激励电场垂直于极化方向，因而容易产生不希望的力分量，影响电机的振动效率。
技术实现思路
本专利技术为了克服已有技术的上述问题，提出一种新型弯曲振动激励的超声微电机，利用了压电陶瓷的d15效应，沿与极化方向垂直的方向施加电场，得到切变形变激励的超声微电机，具有压电陶瓷易于极化，极化工艺简单且能够保证激励电场垂直于极化方向，效率较高，管柱的高度相对于直径尺寸可以相对较小的优点。本专利技术提出一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机，利用压电陶瓷的d15压电效应激励定子弯曲振动，它由激励超声振动的定子，输出力矩的转子或动子以及给转子或动子加压的预压力机构组成，所说的定子主要由激励振动的压电陶瓷组件以及匹配块构成，其特征在于，该压电陶瓷组件分成上、下两部分，每部分侧表面设置两个或四个电极面，上、下两部分电极面位置相对应，所述压电陶瓷组件沿着定子的轴向极化；该上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同或相反；压电陶瓷激励电场的施加方向与极化方向垂直。当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同时，相应的上下两个电极上所加的电压相反；当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相反时，相应的上下两个电极上所加的电压相同。上述压电陶瓷组件的结构形式可包括压电陶瓷管、压电陶瓷柱，以及贴了陶瓷片的金属柱结构形式。本专利技术的工作原理是利用了压电陶瓷的d15效应，沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向施加电场，得到切变形变。图10给出了压电陶瓷的d15压电效应产生弯曲振动的机理。如图10(a)所示，空间物体有六个自由度，数字1、2、3代表物体的三个平移自由度，4、5、6代表三个旋转自由度。对于压电陶瓷来说，3所示方向默认为压电陶瓷的极化方向。当在1所示方向施加电场时，压电陶瓷会产生沿5所示方向的变形，如图10(b)所示，双点划线表示压电陶瓷变形前的形状，实线表示加了电场后，压电陶瓷变形后的形状。为了在柱体上激励出弯曲振动，将柱体分为上下两部分(并不是真的分开，而是主观上认为其是由上下两部分组成的)，当上半部分产生的变形方向与下半部分产生的方向相反时，柱体上会产生弯曲，如图10(c)所示。施加电场的目的是在定子上激励出两个空间相位差为90度的弯曲振动，定子的两个弯曲振动合成为定子的摇头运动，表现为定子上端部或腰腹部为摇头运动。此时定子上用于驱动转子的表面上的点的运动轨迹为一个椭圆。定子采用端部或腰腹部驱动转子(或动子)本专利技术的特点及效果本专利技术设计的超声电机可将尺寸加工的很小，可以小到0.3mm，可以促进了超声电机的微型化。本专利技术将在生物、医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。附图说明图1为采用弯曲振动模态超声波电机的传动原理示意图。图2为已有采用压电陶瓷的d33压电效应的弯曲摇头超声电机示意图；其中图2(a)为压电陶瓷的极化和激励，图2(b)为电机的结构示意图。图3为已有采用压电陶瓷的d31压电效应的弯曲摇头超声电机的结构示意图其中图3(a)为压电陶瓷的极化和分区，图3(b)为电机结构。图4为本专利技术的定子的结构和激励形式；其中，图4(a)为实心压电陶瓷圆柱及其极化和激励方式，图4(b)为空心压电陶瓷圆柱及其极化和激励方式，图4(c本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机，利用压电陶瓷的ｄ↓［１５］压电效应激励定子弯曲振动，它由激励超声振动的定子，输出力矩的转子或动子以及给转子或动子加压的预压力机构组成，所说的定子主要由激励振动的压电陶瓷组件以及匹配块构成，其特征在于，该压电陶瓷组件分成上、下两部分，每部分侧表面设置两个或四个电极面，上、下两部分电极面位置相对应，所述压电陶瓷组件沿着定子的轴向极化；该上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同或相反；压电陶瓷激励电场的施加方向与极化方向垂直；当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同时，相应的上下两个电极上所加的电压相反；当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相反时，相应的上下两个电极上所加的电压相同。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鹿存跃，陈宇，谢天，周铁英，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]