帶導電軸的壓電柱的超聲微電機及其電極的極化、激勵方法
2023-12-01 21:21:26 1
專利名稱：帶導電軸的壓電柱的超聲微電機及其電極的極化、激勵方法
技術領域：
一種帶導電軸的壓電柱的超聲微電機及其電極的極化、激勵方法，屬於超聲波微電機技術領域，尤其涉及一類彎曲振動模態的超聲波微電機。
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/軸以及給轉子加壓的預壓力機構等組成，所說的定子又主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構成。同時彎曲振動模態超聲波電機又根據激勵彎曲搖頭振動的方式和壓電陶瓷元件的形狀分為壓電片驅動電機、壓電管驅動電機。它們的傳動原理和驅動機構都相同，如
圖1所示。定子處於圓周搖頭的振動模態，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。
現有的三種激勵彎曲搖頭振動方式如圖2、圖5和圖6所示圖2為已有的壓電片激勵彎曲搖頭振動的原理圖，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21和通B相電流的兩片壓電片22空間垂直排列，兩相均採用朗之萬夾心結構組成定子，同時A相輸入Sin信號，B相輸入Cos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3所示，上、下匹配塊36、38夾緊4片壓電陶瓷片37後共同構成電機的定子，置於定子上的轉子35為空心結構，其中空部位有施加預壓力的彈簧34，力矩通過齒輪33輸出，32為聚四氟乙烯套，起軸承的作用，31為墊圈，39為主軸，33為螺母。
圖4為已有的壓電管激勵彎曲搖頭振動的原理圖，所用的壓電陶瓷元件為壓電管。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45，依次在41、42、43和44四極上通入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5所示，壓電管51兩端接兩個金屬帽52構成電機定子，兩端的轉子53用螺母55和彈簧54擰在軸56上。
上述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。到目前為止做的最小的超聲電機是新加坡國立大學的直徑為1.5mm的搖頭電機，該電機用壓電陶瓷管來激勵電機的彎曲振動，但壓電管和壓電片由於要考慮內徑，所以要進一步小型化比較困難。
本發明所述的帶導電軸的壓電柱的超聲微電機，其特徵在於它是一種彎曲振動模態的超聲微電機，所述的壓電陶瓷元件為具有同軸地內接著導電軸且其外壁塗有四個均勻分布的供極化和激勵振動用的外電極的壓電柱。它具有磁力定位結構，所述的匹配塊是與壓電柱粘結成一體的凹形磁性金屬匹配塊，所述的轉子是與上述匹配塊的凹面摩擦接觸且形成預壓力的磁性(鋼)球。它是力矩軸輸出結構的，所述的匹配塊是其底面與壓電柱粘接成一體且上下表面各有一沿中心線相通的凹形圓孔的，所述的轉子是置於匹配塊上相摩擦接觸且同時又鍵合著一根下端固定有一個直徑比軸徑稍大且被匹配塊下凹面反扣定位的小圓盤的力矩輸出軸的，所述的預壓力機構是由同軸地套在力矩輸出軸外且依次緊壓著轉子上端面的彈簧，墊圈和螺母構成的。它是固定軸結構的，所述的匹配塊在其上凹面上整體地加工有一個作電機固定軸用的小軸而其下端面是與壓電柱粘接的，所述的轉子是與上述小軸同軸相套的，所述的預壓力機構是由與上述小軸同軸且依次緊壓著轉子的彈簧，墊圈和螺母構成的。它是外殼卡定結構的，所述的匹配塊是下端面與壓電柱粘接且帶有上凹面的，所述的轉子是其中間整體地加工有一個作力矩輸出軸用的細棒而且整個是置於匹配塊之上的，所述的預壓力機構是由和壓電柱下端面粘接的金屬底座，下端側面和上述金屬底座螺紋固定的外殼，從下而上依次壓在轉子上端面上的彈簧、墊圈和上端面被外殼卡緊的橡膠墊構成的。它是固定軸結構的，所述的匹配塊是下端面與壓電柱粘接且帶有上凹面的，所述的轉子是置於匹配塊上且摩擦接觸的所述的導電軸是不僅同軸地內接於壓電柱內且也同軸地穿過匹配塊和轉子的一根電機固定軸，所述預壓力機構是由與導電軸且依次緊壓在轉子上端面的彈簧、墊圈和螺母構成的。
本發明所述的帶導電軸的壓電柱的超聲微電機的電極的極化方法，其特徵在於它可以是下列三種方法中的任何一種
(1)以導電軸為一個電極，在壓電柱側面均勻塗上四份銀電極後再把他們並聯成另一電極，然後沿徑向按常規壓電陶瓷的極化方法進行極化；(2)以導電軸為一個電極，側面均勻塗上四份銀電極後其相鄰的兩份銀電極並聯後成為另一電極，沿徑向進行正向極化；以導電軸為一個電極，側面已均勻塗上銀電極的另外兩份相鄰的電極並聯後成為另一電極，沿徑向進行反向極化；(3)在壓電柱的側面上均勻塗上金屬全電極；以導電軸為一個電極側面全電極為另一個電極，再按常規壓電陶瓷的極化方法進行極化；極化後，把側面全電極均勻分為4份。
本發明所述的帶導電軸的壓電柱的超聲微電機的電極的激勵方法，其特徵在於在已極化的具有導電軸的壓電柱側面的四個電極上分別焊上導線後，可以按下述兩種激勵振動方法中的任何一種進行激勵(1)在以導電軸為一個電極，在壓電柱側面均勻塗上四份銀電極後再把他們並聯成另一電極，然後按常規壓電陶瓷的極化方法進行極化的情況下，在四份電極上同時分別加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信號使壓電柱產生所需的彎曲搖頭振動；只要交換任意兩路信號，電機反向運轉；(2)在以導電軸為一個電極，側面均勻塗上四份銀電極後，其相鄰的兩份銀電極並聯成為另一電極，沿徑向進行正向極化；以導電軸為一個電極，側面已均勻塗上銀電極的另外兩份相鄰的電極並聯後成為另一電極，沿徑向進行反向極化的情況下在相對角的一對電極上加Sin信號，在另一相對角的電極上加Cos信號，使壓電柱產生所需的彎曲搖頭振動；上述兩路信號交換，電機反向運轉。
(3)當在壓電柱的側面上均勻塗上金屬全電極；以導電軸為一個電極，側面全電極為另一個電極，再按常規壓電陶瓷的極化方法進行極化並在極化後把側面全電極分為4份的情況下，在四份電極上同時分別加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信號使壓電柱產生所需的彎曲搖頭振動；只要交換任意兩路信號，電機反向運轉。
實踐證明它達到了進一步微型化的目的。
圖2為通過壓電片激勵彎曲搖頭振動的原理示意圖。
圖3為已有的壓電片激勵彎曲搖頭電機的結構示意圖。
圖4為通過壓電管激勵彎曲搖頭振動的原理示意圖。
圖5為已有的壓電管激勵彎曲搖頭電機的結構示意圖。
圖6(a)為已有的壓電柱分極示意圖，(b)為已有的壓電柱超聲微電機。
圖7為具有長導電軸的壓電柱極化和引線示意圖。
圖8為具有短導電軸的壓電柱極化和引線示意圖。
圖9為具有短導電軸的圓柱微超聲電機實施例一——磁力定位電機結構示意圖。
圖10為具有短導電軸的圓柱微超聲電機實施例二——力矩軸輸出電機結構示意圖。
圖11為具有短導電軸的圓柱微超聲電機實施例三——固定軸電機結構示意圖。
圖12為具有導電軸的圓柱微超聲電機實施例四——外殼卡定電機結構示意圖。
圖13為具有長導電軸的圓柱微超聲電機實施例五——固定軸電機結構示意圖。
本發明提出一種具有導電軸的壓電柱式彎曲旋轉超聲波微電機。它由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子/軸以及給轉子加壓的預壓力機構組成，所說的定子主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構成，激勵彎曲振動的壓電陶瓷元件為具有導電軸的壓電柱，即在壓電柱內嵌有一根導電軸供極化用(圖7中76，或圖8中86)，壓電柱的外壁塗有四個均勻分布的外電極71～74或81～84，外電極與導線連接，供激勵振動所用。
以下用圖7來說明壓電柱75上電極的極化方法。先在四份電極71～74上均勻塗上銀電極。然後，可以用長導電軸76作一個電極，在4個並聯的電極71～74和長導電軸76之間通入高壓直流電進行徑向極化。也可以用長導電軸76作一個電極，其中任意相鄰的二個電極71和73相併聯構成另一電極，在兩者之間沿徑向進行正向極化；再用長導電軸76作一個電極，另外兩個相鄰的電極72和74並聯後構成另一個電極，在兩者之間沿徑向進行反向極化。還可以在壓電柱75的整個側面均勻塗上全電極，以長導電軸76作另一個電極，在兩者之間沿徑向極化，極化後再把側面電極沿軸向均勻分成四份電極。
以下還用圖7來說明壓電柱75上電極的激勵振動方法。先在四個電極71～74上分別焊上焊片和導線。
對上述(1)(3)極化的，可以同時在四份電極71-74上分別加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信號，則可激勵該壓電柱75產生所需彎曲搖頭振動。交換其中任意兩路信號，則電機彎曲搖頭振動反向。對上述(2)極化的，可以把電極71和74並聯後再加Sin交流信號，把電極72和73並聯後再加Cos交流信號，則可激勵該壓電柱75產生所需的彎曲搖頭振動。兩路交流信號相互交換，則電機彎曲搖頭振動反向。
本發明設計的超聲電機可加工的尺寸為0.3mm到3mm之間，大大的促進了超聲電機的微型化。在輸入電信號的峰值約(2-6)V時，轉子可以在定子表面上明顯轉動起來。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。
權利要求
1.帶導電軸的壓電柱的超聲微電機，含有由匹配塊和壓電陶瓷元件構成的定子，轉子及預壓力機構，其特徵在於它是一種彎曲振動模態的超聲微電機，所述的壓電陶瓷元件為具有同軸地內接著導電軸且其外壁塗有四個均勻分布的供極化和激勵振動用的外電極的壓電柱。
2.根據權利要求1的帶導電軸的壓電柱的超聲微電機，其特徵在於它具有磁力定位結構，所述的匹配塊是與壓電柱粘結成一體的凹形磁性金屬匹配塊，所述的轉子是與上述匹配塊的凹面摩擦接觸且形成預壓力的磁性(鋼)球。
3.根據權利要求1的帶導電軸的壓電柱的超聲微電機，其特徵在於它是力矩軸輸出結構的，所述的匹配塊是其底面與壓電柱粘接成一體且上下表面各有一沿中心線相通的凹形圓孔的，所述的轉子是置於匹配塊上相摩擦接觸且同時又鍵合著一根下端固定有一個直徑比軸徑稍大且被匹配塊下凹面反扣定位的小圓盤的力矩輸出軸的，所述的預壓力機構是由同軸地套在力矩輸出軸外且依次緊壓著轉子上端面的彈簧，墊圈和螺母構成的。
4.根據權利要求1的帶導電軸的壓電柱的超聲微電機，其特徵在於它是固定軸結構的，所述的匹配塊在其上凹面上整體地加工有一個作電機固定軸用的小軸而其下端面是與壓電柱粘接的，所述的轉子是與上述小軸同軸相套的，所述的預壓力機構是由與上述小軸同軸且依次緊壓著轉子的彈簧，墊圈和螺母構成的。
5.根據權利要求1的帶導電軸的壓電柱的超聲微電機，其特徵在於它是外殼卡定結構的，所述的匹配塊是下端面與壓電柱粘接且帶有上凹面的，所述的轉子是其中間整體地加工有一個作力矩輸出軸用的細棒而且整個是置於匹配塊之上的，所述的預壓力機構是由和壓電柱下端面粘接的金屬底座，下端側面和上述金屬底座螺紋固定的外殼，從下而上依次壓在轉子上端面上的彈簧、墊圈和上端面被外殼卡緊的橡膠墊構成的。
6.根據權利要求1的帶導電軸的壓電柱的超聲微電機，其特徵在於它是固定軸結構的，所述的匹配塊是下端面與壓電柱粘接且帶有上凹面的，所述的轉子是置於匹配塊上且摩擦接觸的，所述的導電軸是不僅同軸地內接於壓電柱內且也同軸地穿過匹配塊和轉子的一根電機固定軸，所述預壓力機構是由與導電軸同軸且依次緊壓在轉子上端面的彈簧、墊圈和螺母構成的。
7.帶導電軸的壓電柱的超聲微電機的電極的極化方法，其特徵在於它可以是下列三種方法中的任何一種(1)以導電軸為一個電極，在壓電柱側面均勻塗上四份銀電極後再把他們並聯成另一電極，然後按常規壓電陶瓷的極化方法進行極化；(2)以導電軸為一個電極，側面均勻塗上四份銀電極後，其相鄰的兩份銀電極並聯成為另一電極，沿徑向進行正向極化；以導電軸為一個電極，側面已均勻塗上銀電極的另外兩份相鄰的電極並聯後成為另一電極，沿徑向進行反向極化；(3)在壓電柱的側面上均勻塗上金屬全電極；以導電軸為一個電極，側面全電極為另一個電極，再按常規壓電陶瓷的極化方法進行極化；極化後，把側面全電極分為4份。
8.帶導電軸的壓電柱的超聲微電機的電極的激勵方法，其特徵在於在已極化的具有導電軸的壓電柱側面的四個電極上分別焊上導線後，可以按下述兩種激勵振動方法中的任何一種進行激勵(1)在以導電軸為一個電極，在壓電柱側面均勻塗上四份銀電極後再把他們並聯成另一電極，然後按常規壓電陶瓷的極化方法進行極化的情況下，在四份電極上同時分別加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信號使壓電柱產生所需的彎曲搖頭振動；只要交換任意兩路信號，電機反向運轉；(2)在以導電軸為一個電極，側面均勻塗上四份銀電極後，其相鄰的兩份銀電極並聯成為另一電極，沿徑向進行正向極化；以導電軸為一個電極，側面已均勻塗上銀電極的另外兩份相鄰的電極並聯後成為另一電極，沿徑向進行反向極化的情況下在相對角的一對電極上加Sin信號，在另一相對角的電極上加Cos信號，使壓電柱產生所需的彎曲搖頭振動；上述兩路信號交換，電機反向運轉。(3)當在壓電柱的側面上均勻塗上金屬全電極；以導電軸為一個電極，側面全電極為另一個電極，再按常規壓電陶瓷的極化方法進行極化並在極化後把側面全電極分為4份的情況下，在四份電極上同時分別加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信號使壓電柱產生所需的彎曲搖頭振動；只要交換任意兩路信號，電機反向運轉。
全文摘要
帶導電軸的壓電柱的超聲微電機及其電極的極化、激勵方法屬於彎曲振動模態超聲微電機技術領域，其特徵在於定子含有用於激勵振動的內接著導電軸的壓電柱和匹配塊，該壓電柱外壁塗有四個均勻分布的供極化和激勵振動用的外電極。極化時以導電軸為一極，四個電極並聯後為另一極進行徑向極化；也可以導電軸為一極，相鄰的兩對電極各作為一極，分別沿徑向做正向和反向極化。激勵時，四份電極焊上焊片和導線後，同時分別加Sin、Cos、－Sin、－Cos四路交流信號；也可在相對角的兩對電極上分別加Sin、Cos交流信號。電機便會作彎曲搖頭振動。本電機可加工的尺寸為0.3mm～3mm之間，促進了超聲電機的微型化。在輸入電信號的峰值為2V～6V時，轉子可在定子表面明顯轉動。它在生物、醫療、微機械、軍工業有廣泛應用前景。
文檔編號H02N2/10GK1440115SQ0210068
公開日2003年9月3日 申請日期2002年2月22日 優先權日2002年2月22日
發明者周鐵英, 郭釗, 張凱, 姜開利, 陳宇 申請人:清華大學