空心金屬方柱壓電片複合超聲微電機的製作方法

2023-05-16 00:30:11

專利名稱：空心金屬方柱壓電片複合超聲微電機的製作方法
技術領域：
本發明屬於超聲應用領域，特別涉及一種微型化的超聲波電機的結構設計。
背景技術：
壓電超聲電機是利用壓電材料的逆壓電效應，採取特定的結構製成的驅動機構，它一般由定子、轉子以及預壓力機構等功能部件構成。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應，在定子表面產生超聲振動，並由定子與轉子之間的摩擦力驅動轉子運動。超聲電機具有以下優於普通電磁電機的特點1、低轉速、大轉矩，不需要減速機構可直接驅動負載；2、體積小、結構靈活，功率體積比是電磁電機的3-10倍；3、起動停止響應快，響應時間小於1毫秒；4、不產生電磁幹擾，也不受電磁幹擾；5、有自保持力矩，無齒輪間隙，可精密定位；6、運行安靜無噪聲。
彎曲振動模態超聲波電機是超聲電機的一種，它的結構相對別的超聲電機比較簡單，同樣主要由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子(或動子)以及給轉子(或動子)加壓的預壓力機構等組成，所述定子又主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構成。彎曲振動模態超聲波電機的傳動原理如圖1所示，定子處於圓周搖頭的振動方式，定子11與環狀轉子12之間有一很小的間隙，傳動時定子邊彎曲邊搖頭運動，因此定、轉子之間有切點接觸，其接觸點在定子的外圓周邊上移動，依次，定、轉子間的摩擦力使轉子沿與接觸點移動方向相反的方向轉動。
常見的彎曲振動模態超聲波電機定子振動的激勵方式有兩種，第一種利用壓電陶瓷的d33效應，在極化方向施加電場，使壓電陶瓷產生沿極化方向的形變；第二種利用壓電陶瓷的d31效應，在極化方向施加電場，使壓電陶瓷產生沿與極化方向的垂直的形變。
圖2是採用壓電陶瓷的d33壓電效應的彎曲搖頭超聲電機的激勵方式和結構示意圖，該種電機已經比較成熟，它利用壓電陶瓷的d33效應進行定子的彎曲振動激勵，從而激發出定子的搖頭振動。該電機的壓電陶瓷的極化和激勵如圖2(a)所示，該定子所用的壓電陶瓷元件為4片壓電片，在同一壓電片上以直徑對稱分兩半反相極化，通A相電流的兩片壓電片211和通B相電流的兩片壓電片212空間垂直排列，採用朗之萬夾心結構組成定子，同時A相輸入Sinωt信號，B相輸入Cosωt信號，這樣採用時間和空間各90度相位差來激勵彎曲振動；這種壓電片激勵的彎曲振動模態超聲波電機結構如圖2(b)所示，上下匹配塊226、228夾緊4片壓電陶瓷片227後共同構成電機的定子，置於定子上的轉子225為空心結構，其中空部位有施加預壓力的彈簧224，力矩通過齒輪223輸出，222為聚四氟乙烯套，起軸承的作用，221為墊圈，229為主軸。
圖3是採用壓電陶瓷的d31壓電效應的彎曲搖頭超聲電機的激勵方式和結構示意圖，該壓電陶瓷管的極化和分區如圖3(a)所示，所用的壓電陶瓷元件為壓電管，採用了壓電陶瓷的d31壓電效應。壓電管由外壁向內壁均勻極化，在使用時其內電極接地，外壁塗有四個均勻分布的外電極31，依次在311、312、313和314四極上通入sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt信號激勵。這種壓電管激勵的彎曲振動模態超聲波電機結構如圖3(b)所示，壓電管321兩端接兩個金屬帽322構成電機定子，兩端的轉子323用螺母325和彈簧324擰在軸326上。
彎曲振動模態超聲波電機的主要優勢就是易於實現微型化和產業化。棒狀搖頭型超聲電機已經產業化，電機的直徑一般都比較大；壓電陶瓷管和壓電陶瓷柱方案有利於超聲電機結構的微型化，新加玻國立大學研製的搖頭型超聲電機的直徑僅為1.5mm。微小型超聲電機可在手機，醫療及航天等領域獲得廣泛應用，可將超聲電機的應用推向一個新的階段。
但另一方面，已有的微型壓電陶瓷柱方案存在微小的中空孔不容易加工和極化工藝比較複雜等問題，難於保證激勵電場垂直於極化方向，因而容易產生不希望的力分量，影響電機的振動效率。

發明內容
本發明為了克服已有技術存在的上述問題，提出一種空心金屬方柱壓電片複合超聲微電機，採用在金屬柱四個側面貼壓電陶瓷片的方法製作微電機的定子，利用了壓電陶瓷的d31效應激勵定子的彎曲振動模態。具有壓電陶瓷易於極化，極化工藝簡單且能夠保證激勵電場垂直於極化方向，效率較高的優點。
本發明提出的空心金屬方柱壓電片複合超聲微電機，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子(或動子)以及給轉子(或動子)加壓的預壓力機構組成，其特徵在於，所述定子主要由激勵振動的空心金屬方柱和壓電陶瓷片組成的複合元件以及匹配塊構成，所述壓電陶瓷片粘結在空心金屬方柱的兩個或四個側面上，沿著厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵電極的表面塗有供極化和激勵用的外電極。
所述壓電陶瓷片可採用2片，粘結到空心金屬方柱相鄰的兩個側面，分別加sinωt和cosωt激勵電信號(可在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
所述壓電陶瓷片可採用4片，粘結到空心金屬方柱的四個側面，相對的壓電陶瓷片極化方向相反(相對於金屬柱粘貼表面的法方向)，四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，sinωt，cosωt激勵電信號(可在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
所述壓電陶瓷片可採用4片，粘結到空心金屬方柱的四個側面，相對的壓電陶瓷片極化方向相同(相對於金屬柱粘貼表面的法方向)，四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt激勵電信號(可在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
所述壓電陶瓷片可採用4片，粘結到空心金屬方柱的四個側面，一組相對的壓電陶瓷片極化方向相同(相對於金屬柱粘貼表面的法方向)，另一組相對的壓電陶瓷片極化方向相反，若四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，cosωt激勵電信號，則兩個cosωt信號加在極化方向相反的兩片陶瓷上，若依序施加sinωt，cosωt，sinωt，-cosωt激勵電信號，則兩個sinωt信號加在極化方向相反的兩片陶瓷上(在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
上述sinωt(或-sinωt)激勵信號和cosωt(或-cosωt)激勵信號交換，則彎曲搖頭振動反向，電機運動反向。
本發明施加電場的目的是在定子上激勵出兩個空間相位差為90度的彎曲振動，定子的兩個彎曲振動合成為定子的搖頭運動。此時定子上用於驅動轉子的表面上的點的運動軌跡為一個橢圓，從而可以驅動轉子運動。
本發明的特點及效果本發明設計的超聲電機可將尺寸加工的很小，可以小到0.3mm，可以促進了超聲電機的微型化。本發明將在生物、醫療、微機械、國防科技等方面有著廣闊的應用前景。


圖1為一般採用彎曲振動模態超聲波電機的傳動原理示意圖。
圖2為已有的採用壓電陶瓷的d33壓電效應的彎曲搖頭超聲電機示意圖；其中圖2(a)為壓電陶瓷的極化和激勵，圖2(b)為電機的結構示意圖。
圖3為已有的採用壓電陶瓷的d31壓電效應的彎曲搖頭超聲電機的結構示意圖；其中圖3(a)為壓電陶瓷的極化和分區，圖3(b)為電機結構；圖4為本發明微電機的定子的結構和激勵形式示意圖。
其中圖4(a)為相鄰兩側面壓電陶瓷片的空心金屬方柱及其極化和激勵方式，圖4(b)為四側面均貼了壓電陶瓷的空心金屬方柱及其極化和激勵方式。
圖5為本發明的實施例一——磁力定位電機結構示意圖。
圖6為本發明的實施例二——雙端軸輸出電機結構示意圖。
圖7為本發明的實施例三——單端軸輸出電機結構示意圖。
圖8為本發明的實施例四——為外殼卡定電機結構示意圖。
圖9為本發明的實施例五——腰腹驅動電機結構示意圖。
具體實施例方式
本發明的空心金屬方柱壓電片複合超聲微電機結合附圖及五種電機結構的實施例分別說明如下本發明提出的空心金屬方柱壓電片複合超聲微電機，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子(或動子)以及給轉子(或動子)加壓的預壓力機構組成，所述定子主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構成；該定子由側面貼壓電陶瓷元件的空心金屬方柱構成。定子的結構形式如圖4所示，分為在空心金屬方柱411的相鄰兩側面粘貼壓電陶瓷片(如圖4(a)所示)和在空心金屬方柱422的四個側面均粘貼壓電陶瓷片(如圖4(b)所示)兩種形式；壓電陶瓷均沿著厚度方向極化。如圖4(a)所示的結構中，在相鄰兩側面粘貼壓電陶瓷片時，兩片陶瓷片的極化方向可以相同(相對於粘貼表面的法方向)，也可以相反。圖4(b)所示的結構中，一般情況下，安裝時相對的陶瓷片(陶瓷片421和425相對，陶瓷片423和424相對)的極化方向應相反，以降低驅動電源的設計難度，當然也可以是任意的；對於圖4(a)所示的定子結構，電場的施加方式為在壓電陶瓷片極面412上加+sin激勵信號，在413電極面上加cosωt激勵信號，將金屬柱411接地；對於圖4(b)所示的定子結構，電場的施加方式為在陶瓷片423極面上加+sinωt激勵信號，在陶瓷片425極面上加cosωt激勵信號，若423和424在安裝時極化方向相同(相對於金屬柱粘貼表面的法方向)，則在424極面上加-sinωt激勵信號，若陶瓷片423和陶瓷片424在安裝時極化方向相反，則在陶瓷片424極面上加sinωt激勵信號。若陶瓷片421和陶瓷片425在安裝時極化方向相同則在陶瓷片421極面上加-cosωt激勵信號，若陶瓷片421和陶瓷片425在安裝時極化方向相反，則在陶瓷片421極面上加cosωt激勵信號，將金屬柱422接地；sinωt(或-sinωt)激勵信號和cosωt(或-cosωt)激勵信號交換，則彎曲搖頭振動反向，電機運動反向。
施加電場的目的是在定子上激勵出兩個空間相位差為90度的彎曲振動，定子的兩個彎曲振動合成為定子的搖頭運動。此時定子上用於驅動轉子的表面上的點的運動軌跡為一個橢圓，從而可以驅動轉子運動。
實施例一為磁力定位結構的微電機該結構如圖5所示，其主要特點在於用磁性鋼球51做轉子，空心金屬壓電陶瓷片複合柱53和凹形磁性金屬匹配塊52用強力膠粘結形成一體，共同構成電機的定子。磁性鋼球轉子放置在金屬匹配塊52的凹面中。這樣靠轉子和金屬匹配塊52之間的磁力作為固定轉子和產生摩擦力所需的預壓力，力矩由轉子直接輸出。
實施例二為雙端軸輸出結構的微電機該結構如圖6所示，其主要特點是雙端驅動、軸輸出，即在金屬壓電陶瓷複合定子64的兩端粘貼匹配塊63構成定子，66為用於粘貼定子64和匹配塊63的一層薄膠。兩端的轉子62通過從中空定子穿過的軸68、套於軸68上的彈簧61和緊固螺母67連在一起。彈簧用於提供定、轉子間的預壓力。定子通過摩擦層65驅動轉子62旋轉。力矩由轉子直接輸出，實際使用時可將轉子62外邊緣加工成齒輪，通過齒輪傳動輸出力矩。
實施例三為單端軸輸出結構的微電機該結構如圖7所示，其主要特點在於定子匹配塊73的中間一體加工出(或固定)一個細棒作為電機的固定軸77。該軸與定子匹配塊可以是同一金屬件。金屬壓電陶瓷片複合方柱74與匹配塊73在76處膠粘接，共同作為電機的定子。轉子72套在定子匹配塊73的固定軸77上並由套在固定軸77上的小彈簧71提供定、轉子間的預壓力。該電機中，軸77起的主要作用是給轉子72和壓力小彈簧71定位。78為滑動或滾動軸承。力矩由轉子直接輸出，實際使用時可將轉子外邊緣加工成齒輪，通過齒輪傳動輸出力矩。75處為定子與轉子之間的摩擦界面。
實施例四為外殼卡定結構的微電機該結構如圖8所示，其主要特點是整個驅動機構罩在一個金屬外殼810裡面，外殼通過橡膠墊81和滑動軸承(或滾動軸承)87壓迫彈簧82產生預壓力。轉子83置於定子匹配塊84之上，轉子83的中間加工有一個細棒作為軸830，該軸和轉子是同一金屬件。在壓電陶瓷圓柱85上端表面與匹配塊84下端表面之間89處膠粘接。壓電陶瓷圓柱85下端表面同樣膠粘接在金屬底座86上並通過螺紋在下端側面810處和外殼定位固定。定子與轉子之間為摩擦界面88，力矩可由軸直接輸出。
實施例五為腰腹驅動結構的微電機該結構如圖9所示，其主要特點是包括粘貼在金屬壓電陶瓷複合定子92中部的電機驅動塊93，驅動塊93通過摩擦材料94與轉子95相連，定子92在其彎振的節點處用固定機構91固定。利用定子中部(腰腹)的運動由驅動塊93驅動轉子95運動，可構成直線電機，也可繼續將運動轉化為轉子軸96的旋轉運動。
權利要求
1.一種基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子或動子以及給轉子或動子加壓的預壓力機構組成，其特徵在於，所述定子主要由激勵振動的空心金屬方柱和壓電陶瓷片組成的複合元件以及匹配塊構成，所述壓電陶瓷片粘結在空心金屬方柱的兩個或四個側面上，沿著厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵電極的表面塗有供極化和激勵用的外電極。
2.如權利要求1所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，所述壓電陶瓷片採用2片，粘結到空心金屬方柱相鄰的兩個側面，分別加sinωt和cosωt激勵電信號。
3.如權利要求1所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，所述壓電陶瓷片採用4片，粘結到空心金屬方柱的四個側面，相對的壓電陶瓷片極化方向相反，四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，sinωt，cosωt激勵電信號。
4.如權利要求1所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，所述壓電陶瓷片採用4片，粘結到空心金屬方柱的四個側面，相對的壓電陶瓷片極化方向相同，四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt激勵電信號(可在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
5.如權利要求1所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，所述壓電陶瓷片採用4片，粘結到空心金屬方柱的四個側面，一組相對的壓電陶瓷片極化方向相同，另一組相對的壓電陶瓷片極化方向相反，若四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，cosωt激勵電信號，則兩個cosωt信號加在極化方向相反的兩片陶瓷上，若依序施加sinωt，cosωt，sinωt，-cosωt激勵電信號，則兩個sinωt信號加在極化方向相反的兩片陶瓷上。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，所述的轉子採用磁性鋼球，所述匹配塊採用凹形磁性金屬塊，該磁性鋼球轉子放置在該金屬匹配塊的凹面中，該轉子和匹配塊之間的磁力用於固定轉子和產生摩擦力所需的預壓力，力矩由轉子直接輸出。
7.如權利要求1、2、3、4或5所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，所述金屬壓電陶瓷複合定子的兩端粘貼匹配塊構成定子，還包括從中空定子穿過的軸，所述預壓力機構採用彈簧，所述的轉子為兩個套於該軸的兩端通過摩擦層與定子相接，並通過套於軸上的彈簧和緊固螺母與該定子連成一體；力矩由轉子直接輸出。
8.如權利要求1、2、3、4或5所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，所述匹配塊採用中間有一個細棒作為電機的固定軸的匹配塊，所述預壓力機構採用套在該固定軸上的彈簧，所述轉子套在該匹配塊的固定軸上並由小彈簧提供定、轉子間的預壓力；力矩由轉子直接輸出。
9.如權利要求1、2、3、4或5所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，還包括一個金屬外殼，所述定子與轉子設置在該外殼中，所述轉子的中間有一個細棒作為軸，所述預壓力機構採用套在該軸上的彈簧，該外殼壓迫彈簧產生預壓力，所述定子與轉子之間為設有摩擦界面，力矩由軸直接輸出。
10.如權利要求1、2、3、4或5所述的基於空心金屬方柱和壓電陶瓷片複合的彎曲振動模態超聲波微電機，其特徵在於，還包括固定定子的固定機構及粘貼在所述定子中部的電機驅動塊，該驅動塊通過摩擦材料層與所述轉子相連，定子中部的運動由驅動塊驅動轉子運動構成直線電機或轉化為轉子的軸的旋轉運動。
全文摘要
本發明涉及空心金屬方柱壓電片複合超聲微電機，屬於超聲應用領域，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子或動子以及給轉子或動子加壓的預壓力機構組成，所述定子主要由激勵振動的空心金屬方柱和壓電陶瓷片組成的複合元件以及匹配塊構成，所述壓電陶瓷片粘結在空心金屬方柱的兩個或四個側面上，沿著厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵電極的表面塗有供極化和激勵用的外電極。本發明設計的超聲電機具有壓電陶瓷易於極化，極化工藝簡單且能夠保證激勵電場垂直於極化方向，效率較高的優點。本發明可以促進了超聲電機的微型化，尺寸可以小到0.3mm。將在生物、醫療、微機械、國防科技等方面有著廣闊的應用前景。
文檔編號H02N2/00GK1622445SQ20041010157
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月24日 優先權日2004年12月24日
發明者周鐵英, 陳宇, 鹿存躍 申請人:清華大學