CN100384077C - 金属方柱和压电陶瓷片复合超声微电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于金属方柱和压电陶瓷片复合的弯曲振动模态超声波微电机，属于超声应用领域，由激励超声振动的定子，输出力矩的转子或与转子相连的轴以及给转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元件及与其粘接的匹配块构成，其特征在于，所说的压电陶瓷元件为金属方柱和压电陶瓷片的复合体，该金属方柱任意相邻的两个侧面或全部4个侧面粘接沿厚度方向极化的压电陶瓷片，该各压电陶瓷片与粘接面平行的外表面涂有均匀分布的供激励振动所用的外电极。本发明大大的促进了超声微电机的微型化。将在生物、医疗、微机械、精密电子机械，国防科技等方面有着广阔的应用前景。

Description

金属方柱和压电陶瓷片复合超声微电机

技术领域

本发明属于超声应用领域，特别涉及一种微型化的超声微电机结构设计。

背景技术

压电超声微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，并由定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动。超声微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。

弯曲振动模态超声微电机是超声微电机的一种，主要由激励超声振动的定子，输出力矩的转子(或轴)以及给转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元件以及匹配块构成。根据激励弯曲摇头振动的方式和压电陶瓷元件的形状分为半园半方金属管和压电陶瓷片复合的超声微电机、压电圆柱超声微电机。它们的传动原理和驱动机构都相同，如图1所示。定子处于沿圆周摇头的振动模态，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，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。

已有的两种激振方式如图2和图3：

图2为已有的半园半方金属管和压电陶瓷片复合的微电机结构。将压电陶瓷片沿厚度方向极化，表面27、28涂有电极，如图2a所示，粘接在半园半方金属管半方的两个侧面上，金属箍21和轴25连接，通过压缩弹簧23，对转子22施加预压力，如图2b所示。在一路或两路sinωt或cosωt电信号激励下，转子22带动轴25一起旋转。使半园半方金属管和压电陶瓷板组成的定子产生弯曲摇头振动。金属箍通过弹簧施加预压力使转子与定子接触，转子带动轴一起旋转。

图3(a)为已有的压电柱定子激励弯曲摇头振动的电极分布图，所用的压电陶瓷元件为压电圆柱。压电圆柱按一定规律极化，工作时其外壁涂有均匀分布的四个外电极35，依次在31、32、33和34四极上通入sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt信号激励。这种压电圆柱激励的弯曲振动模态超声微电机结构如图3(b)所示，压电圆柱304上端接一个金属帽303构成电机定子，轴3030是金属冒303是一体，通过弹簧301把转子302固定在轴3030上，弹簧3030给转子加预压力，图中305为定、转子之间的摩擦界面。

上述弯曲振动模态超声微电机的主要优势就是易于实现微型化和产业化。到目前为止，最小的超声微电机是清华大学的直径为1mm的弯曲摇头电机，该电机用压电陶瓷柱来激励电机的弯曲振动。但因为电极极化方法使电场不均匀，工作电压高，电路集成化较困难。半园半方金属管和压电陶瓷片复合的微电机存在加工复杂，不易进一步微型化等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术在微型化方向上的不足之处，提出一种金属方柱和压电陶瓷片复合超声微电机，采用将2或4片压电陶瓷片，粘结到金属方柱任意相邻的两个侧面或全部4个侧面，即可激励方柱弯曲振动的驱动结构，具有加工容易，结构简单的特点；此外因不需要考虑内径，可以做的非常小，可将超声微电机的应用推向一个新的阶段。

本发提出一种基于压电方柱的弯曲振动模态超声微电机，由激励超声振动的定子、与定子相接触的转子、以及给转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元件以及匹配块构成，其特征在于，所说的激励弯曲振动的压电陶瓷元件为压电方柱，该压电方柱四个外壁表面涂有供极化和激励振动所用的四份外电极；在外电极上施加激励电信号，使定子产生弯曲摇头振动；定子的振动通过摩擦驱动转子转动，由转子或与转子相连的轴输出力矩。

本发明的特点及技术效果

本发明设计的超声微电机可加工的尺寸为0.1mm到6mm之间，大大的促进了超声微电机的微型化。在输入电信号峰峰值约3-6V时，转子可以在定子表面上明显转动起来。本发明将在生物、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为弯曲振动模态超声微电机的传动原理示意图。

图2为半圆半方金属管压电陶瓷片复合超声微电机原理示意图，其中，图为2(a)半圆半方金属管压电陶瓷片的的电极分布图，图2(b)为超声微电机的主视图。

图3为压电圆柱超声微电机原理示意图，其中，图3(a)为压电柱定子激励弯曲摇头振动的电极分布图，图3(b)为超声微电机的结构示意图。

图4为本发明金属方柱压电陶瓷片复合超声微电机定子基体结构示意图，其中，图4(a)为2片压电陶瓷片粘结在方柱体的2个相邻侧面的电极分布图，图4(b)为4片压电陶瓷片粘结在方柱体的4个侧面的电极分布图。

图5为本发明金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例一结构示意图，其中，图5(a)为粘结4片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图，图5(b)为粘结2片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图。

图6为金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例二结构示意图，其中，图6(a)为粘结4片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图，图6(b)为粘结2片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图。

图7为金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例三结构示意图，其中，图7(a)为粘结4片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图，图7(b)为粘结2片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图。

图8为金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例四结构示意图。

图9为金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例五结构示意图。

图10为金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例六结构示意图。

图11为金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例七结构示意图，其中，图11(a)为粘结4片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图，图11(b)为粘结2片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图。

图12为金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例八结构示意图，其中，图12(a)为粘结4片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图，图12(b)为粘结2片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图。

图13为金属压电陶瓷片复合超声微电机实施例九结构示意图，其中，图13(a)为粘结4片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图，图13(b)为粘结2片压电陶瓷片在方柱体上的结构示意图。

具体实施方式

本发明的金属方柱压电片复合超声微电机结合六种实施例结构各附图详细说明如下：

本发明金属方柱压电陶瓷片复合超声微电机定子基体结构如图4所示。所说的激励弯曲振动的压电陶瓷片2片或4片粘结在方柱体40的2个相邻侧面或粘结在方柱体400全部4个侧面，压电陶瓷片沿厚度方向极化。图4(a)中的压电陶瓷片41、42极化方向相同；或图4(b)中的压电陶瓷片的相对的2个压电陶瓷片极化方向相反，即401和402极化方向相同，皆为正，403和404极化方向与401，402相反，皆为负，外电极与导线连接，供激励振动所用。

使用时在电极41、42上分别加sinωt、cosωt激励信号，如图4(a)；在电极401、403上加sinωt，在402、404上加cosωt，两路交流电信号，如图4(b)，则根据压电陶瓷的逆压电效应，就可激励该金属方柱和压电陶瓷片复合体产生所需的弯曲摇头振动。sinωt加到41，cosωt加到42，利用这两个弯曲模态可以合成方柱端部和中部的椭圆振动。sinωt加到401和403，cosωt加到402和404，利用这两个弯曲模态也可以合成方柱端部和中部的椭圆振动。

也可使401、402、403、404的极化方向都相同，需要分别在电极401、402、403、404上施加sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt4路交流电信号，即sinωt加到401，cosωt加到402，-sinωt加到403，-cosωt加到404。则根据压电陶瓷的逆压电效应，就可激励该金属方柱和压电陶瓷片复合体产生所需的弯曲摇头振动。利用这两个弯曲模态也可以合成方柱端部和中部的椭圆振动。

上述的金属方柱和压电陶瓷片复合超声波微电机的压电陶瓷片的极化电极组合和激励的实现方法包括以下步骤：

1)在金属方柱侧面上沿轴向粘结2片或4片压电陶瓷片；

2)金属方柱作为一个地电极，2个相邻压电陶瓷片外表面作为sinωt，cosωt的另外两个信号电极。或者将两个电极并联，加sinωt信号(当两个弯曲共振模态存在合适的频率差时)。

3)金属方柱作为一个地电极，相对的2个压电陶瓷片外表面并联作为sinωt激励电信号，相对的另一对2个压电陶瓷片外表面并联作为cosωt的激励电信号。或者将4个电极并联，加sinωt激励电信号(当两个弯曲共振模态存在合适的频率差时)。

4)当4个侧面压电陶瓷片极化方向相同时，则需4路交流电信号激励，分别为sinωt，cosωt加到相邻的两个电极，-sinωt，-cosωt加到相对的两个电极。利用这两个弯曲模态也可以合成方柱端部和中部的椭圆振动。或者将4个电极并联，加sinωt激励电信号(当两个弯曲共振模态存在合适的频率差时)。

本发明的九种结构电机的实施例分别说明如下：

实施例一为磁力定位结构构成的单端部驱动转子的摇头式超声微电机

该结构的主要特点在于用磁性钢球(或钢盘)53做转子，金属压电陶瓷片复合方柱51上粘接4片压电陶瓷片如图5(a)所示，或金属压电陶瓷片复合方柱510上粘接2片压电陶瓷片如图5(b)所示，这两种金属压电陶瓷片复合方柱均和凹形磁性金属匹配块52用强力胶粘结形成一体，共同构成电机的定子。磁性钢球转子放置在金属匹配块凹面中。这样靠转子和金属匹配块52之间的磁力作为固定转子和产生摩擦力所需的预压力，力矩由转子直接输出，如图5所示。磁性转子53和磁性匹配块52之间可以使用非磁性垫片调整吸力的大小。

实施例二为力矩轴输出结构构成的单端部驱动转子的摇头式超声微电机

该结构如图6所示：轴61的下端固定有一个直径比轴稍大的凸盘，用于顶住套于轴上的小弹簧62，它可以和轴是一体。定子匹配块64中间除了有穿轴孔外还在上下表面各有一个凹形圆孔。将轴61从下到上穿过匹配块后再将匹配块64与粘接4片压电陶瓷片的金属压电陶瓷片复合方柱65如图6(a)所示，或与粘接2片压电陶瓷片的金属压电陶瓷片复合方柱650如图6(b)所示，在67处胶粘，这样匹配块64与金属压电陶瓷片复合方柱65或650共同构成电机的定子。转子63置于定子匹配块64之上并与轴61通过键卡合。预压力由小弹簧62提供。这样轴可以用定子的匹配块64反扣定位，并且可以和转子一起转动，力矩可由轴61直接输出。图中66处为定子与转子之间的摩擦界面。

实施例三为固定轴结构构成的单端部驱动转子的摇头式超声微电机

该结构如图7所示，主要特点是在定子匹配块73的中间加工出一个细棒作为电机的固定轴730。该轴与定子匹配块可以是同一金属件。金属压电陶瓷片复合方柱74(粘接4片压电陶瓷片，如图7(a)所示)或金属压电陶瓷片复合方柱740(粘接2片压电陶瓷片，如图7(b)所示)与匹配块73在76处胶粘接，共同作为电机的定子。转子72套在定子匹配块73的固定轴730上并由小弹簧71提供预压力。该电机中，轴730起的主要作用是给转子72和压力小弹簧71定位。力矩由转子直接输出，实际使用时可将转子外边缘加工成齿轮，通过齿轮传动输出力矩。75处为定子与转子之间的摩擦界面。小弹簧71也可套在72和73之间的轴上。

实施例四为外壳卡定结构构成的单端部驱动转子的摇头式超声微电机

该结构如图8所示，其主要特点是转子83置于定子匹配块84之上，转子83的中间加工有一个细棒作为轴830，该轴和转子是同一金属件。在金属压电陶瓷片复合方柱85(粘接2片或4片压电陶瓷片)上端表面与匹配块84下端表面之间89处胶粘接。整个驱动机构罩在一个金属外壳80里面，外壳通过橡胶垫81和聚四氟圈87压迫弹簧82产生预压力。金属压电陶瓷片复合方柱85下端表面同样胶粘接在金属底座86上并通过螺纹在下端侧面810处和金属外壳定位固定。定子与转子之间为摩擦界面88，力矩可由轴直接输出。

实施例五为中部驱动转子的超声微电机，其结构如图9所示：金属压电陶瓷片复合方柱91(粘接2片或4片压电陶瓷片)通过与其相连的夹持部件95和96(可夹持位置)固定到相应的物体上。中部突起物92通过与其下端面相连的摩擦片97与转子93接触，转子直接与外部机构连接。转子可直接输出力矩，也可通过轴94输出力矩。转子也可通过与突起物的上端面相连的摩擦片接触，形成与上述转子93的对称结构。

实施例六为另一种中部驱动转子的超声微电机，其结构如图10所示：与实施例5相同，金属压电陶瓷片复合方柱101通过与其相连的夹持部件105和106固定到相应的物体上。金属压电陶瓷片复合方柱101中部有突起物102。与实施例5的不同之处是该突起物102通过与其侧面相连的摩擦片103与转子107接触。转子可直接输出力矩，也可通过轴104输出力矩。

实施例七为双磁力转子结构构成的双端部驱动双转子的摇头式超声微电机

该结构如图11所示，其主要特点在于用磁性钢球(或钢盘)113做转子，金属压电陶瓷片复合方柱111(粘接4片压电陶瓷片，如图11(a)所示)或金属压电陶瓷片复合方柱1110(粘接2片压电陶瓷片，如图11(b)所示)和凹形磁性金属匹配块112用强力胶粘结形成一体，共同构成电机的定子。磁性钢球转子放置在金属匹配块凹面中。这样靠转子和金属匹配块112之间的磁力作为固定转子和产生摩擦力所需的预压力，力矩由转子直接输出。磁性转子和磁性匹配块之间可以使用非磁性垫片调整吸力的大小。在金属压电陶瓷片复合方柱111的下端，对称配置有转子115和匹配块114，构成双转子微电机。

实施例八为双转子轴输出结构构成的双端部驱动双转子的摇头式超声微电机

该结构如图12所示，其主要特点在于：轴121的下端固定有一个直径比轴稍大的凸盘，用于顶住套于轴上的小弹簧122，它和轴可以是一体。定子匹配块124中间除了有穿轴孔外还在上下表面各有一个凹形圆孔。将轴121从下到上穿过匹配块后再将匹配块124与金属压电陶瓷片复合方柱125(粘接4片压电陶瓷片，如图12(a)所示)或金属压电陶瓷片复合方柱1250(粘接2片压电陶瓷片，如图12(b)所示)在127处胶粘，这样匹配块124与金属压电陶瓷片复合方柱125共同构成电机的定子。转子123置于定子匹配块124之上并与轴121通过键卡合。预压力由小弹簧122提供。这样轴可以用定子的匹配块124反扣定位，并且可以和转子一起转动，力矩可由轴121直接输出。图中126处为定子与转子之间的摩擦界面。如图12所示。在金属压电陶瓷片复合方柱125或1250的下端，对称配置用胶粘剂1213粘结在方柱上的匹配块1211，转子1210，轴128和小弹簧129。组合成双转子微电机。

实施例九为双转子固定轴结构构成的双端部驱动双转子的摇头式超声微电机

该结构如图13所示，其主要特点是在定子匹配块133的中间加工出一个细棒作为电机的固定轴1330。该轴与定子匹配块可以是同一金属件。金属压电陶瓷片复合方柱134(粘接4片压电陶瓷片，如图13(a)所示)或金属压电陶瓷片复合方柱1340(粘接2片压电陶瓷片，如图13(b)所示)与匹配块在136处胶粘接，共同作为电机的定子。转子132套在定子匹配块133的固定轴1330上并由小弹簧131提供预压力。该电机中，轴1330起的主要作用是给转子132和压力小弹簧131定位。力矩由转子直接输出，实际使用时可将转子外边缘加工成齿轮，通过齿轮传动输出力矩。135处为定子与转子之间的摩擦界面。小弹簧131也可套在132和133之间的轴上。在金属压电陶瓷片复合方柱134或1340的下端对称粘结匹配块139，安装转子138，小弹簧137，定转子间摩擦材料1310就制成双转子固定轴超声微电机。

Claims (9)

1.一种基于压电方柱的弯曲振动模态超声微电机，由激励超声振动的定子、与定子相接触的转子、以及给转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元件以及匹配块构成，其特征在于，所说的激励弯曲振动的压电陶瓷元件为压电方柱，该压电方柱四个外壁表面涂有供极化和激励振动所用的四份外电极；在外电极上施加激励电信号，使定子产生弯曲摇头振动；定子的振动通过摩擦驱动转子转动，由转子或与转子相连的轴输出力矩。

2.如权利要求1所述的超声微电机，其特征在于，所述的四份外电极由其中相邻一对电极通入高压直流电，另一对电极接地进行极化而成，在相对的两电极(85、87)上同时分别加sinωt、在另两个电极(86、88)上加cosωt交流电信号。

3.如权利要求1所述的超声微电机，其特征在于，所述的四份外电极由其中相对的一对电极通入高压直流电，另一对电极接地进行极化而成，在四份电极(81、82、83和84)上同时分别加sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt四路交流电信号。

4.如权利要求1、2或3述的超声微电机，其特征在于，采用磁性钢球(91)做转子，压电方柱(93)和凹形磁性金属匹配块(92)粘结形成一体，共同构成电机的定子；磁性钢球转子放置在金属匹配块凹面中，转子和金属匹配块(92)之间的磁力作为固定转子和产生摩擦力所需的预压力，力矩由转子直接输出，磁性转子和磁性匹配块之间设有调整吸力大小的非磁性垫片。

5.如权利要求1、2或3述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由带有凸盘的轴(101)、套于该轴(101)上的定子匹配块(104)及与该定子匹配块(104)粘接成一体的压电方柱(105)构成，所述的转子(103)置于定子匹配块(104)之上并与轴(101)通过键卡合；预压力由套在轴(101)的凸盘下的小弹簧(102)提供，力矩由轴(101)直接输出。

6.如权利要求1、2或3述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由带有一固定轴(1130)的定子匹配块(113)，与匹配块粘接的压电方柱(114)构成，所述的转子(112)套在定子匹配块113的固定轴(1130)上，该固定轴(1130)连有一凸盘，用于顶住套于轴上的小弹簧(111)，由该小弹簧(111)提供预压力，力矩由转子直接输出。

7.如权利要求1、2或3述的超声微电机，其特征在于，还包括一金属外壳(120)，所述定子由匹配块(124)及与其下端表面粘接的压电方柱(125)，所述转子(123)的中间有一个细棒作为轴(1230)，该转子(123)置于定子匹配块(124)之上，该轴(1230)上套有产生预压力的压迫弹簧(122)该轴(1230)通过橡胶垫(121)和聚四氟圈(127)从金属外壳(120)上的孔中伸出，所述压电方柱(125)下端表面粘接在金属外壳的底座(126)上，力矩由轴直接输出。

8.如权利要求1、2或3述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由中部连有一突起物(132)的压电方柱(131)构成，该突起物(132)通过与其上或下端面相连的摩擦片(137)与转子(133)接触，转子直接或与转子相连的轴输出力矩。

9.如权利要求1、2或3述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由中部连有一突起物(132)的压电方柱(131)构成，该突起物(132)通过与其侧面相连的摩擦片(137)与转子(133)接触，转子直接或与转子相连的轴输出力矩。

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