CN100461609C - 空心金属方柱压电片复合超声微电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空心金属方柱压电片复合超声微电机，属于超声应用领域，由激励超声振动的定子，输出力矩的转子或动子以及给转子或动子加压的预压力机构组成，所述定子主要由激励振动的空心金属方柱和压电陶瓷片组成的复合元件以及匹配块构成，所述压电陶瓷片粘结在空心金属方柱的两个或四个侧面上，沿着厚度方向极化，该压电陶瓷片接激励电极的表面涂有供极化和激励用的外电极。本发明设计的超声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，效率较高的优点。本发明可以促进了超声电机的微型化，尺寸可以小到0.3mm。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。

Description

空心金属方柱压电片复合超声微电机

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波电机的结构设计。

背景技术

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，所述定子又主要由激励振动的压电陶瓷元件以及匹配块构成。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。

常见的弯曲振动模态超声波电机定子振动的激励方式有两种，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的激励方式和结构示意图，该种电机已经比较成熟，它利用压电陶瓷的d₃₃效应进行定子的弯曲振动激励，从而激发出定子的摇头振动。该电机的压电陶瓷的极化和激励如图2(a)所示，该定子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226、228夹紧4片压电陶瓷片227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是采用压电陶瓷的d₃₁压电效应的弯曲摇头超声电机的激励方式和结构示意图，该压电陶瓷管的极化和分区如图3(a)所示，所用的压电陶瓷元件为压电管，采用了压电陶瓷的d₃₁压电效应。压电管由外壁向内壁均匀极化，在使用时其内电极接地，外壁涂有四个均匀分布的外电极31，依次在311、312、313和314四极上通入sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt信号激励。这种压电管激励的弯曲振动模态超声波电机结构如图3(b)所示，压电管321两端接两个金属帽322构成电机定子，两端的转子323用螺母325和弹簧324拧在轴326上。

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。棒状摇头型超声电机已经产业化，电机的直径一般都比较大；压电陶瓷管和压电陶瓷柱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。

但另一方面，已有的微型压电陶瓷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。

发明内容

本发明为了克服已有技术存在的上述问题，提出一种空心金属方柱压电片复合超声微电机，采用在金属柱四个侧面贴压电陶瓷片的方法制作微电机的定子，利用了压电陶瓷的d₃₁效应激励定子的弯曲振动模态。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，效率较高的优点。

本发明提出的空心金属方柱压电片复合超声微电机，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，其特征在于，所述定子主要由激励振动的空心金属方柱和压电陶瓷片组成的复合元件以及匹配块构成，所述压电陶瓷片粘结在空心金属方柱的两个或四个侧面上，沿着厚度方向极化，该压电陶瓷片接激励电极的表面涂有供极化和激励用的外电极。

所述压电陶瓷片可采用2片，粘结到空心金属方柱相邻的两个侧面，分别加sinωt和cosωt激励电信号(可在定子上激励出相互垂直的两个弯曲振动模态，定子的端部和中部均产生椭圆振动)。

所述压电陶瓷片可采用4片，粘结到空心金属方柱的四个侧面，相对的压电陶瓷片极化方向相反(相对于金属柱粘贴表面的法方向)，四个相邻侧面依序加sinωt，cosωt，sinωt，cosωt激励电信号(可在定子上激励出相互垂直的两个弯曲振动模态，定子的端部和中部均产生椭圆振动)。

所述压电陶瓷片可采用4片，粘结到空心金属方柱的四个侧面，相对的压电陶瓷片极化方向相同(相对于金属柱粘贴表面的法方向)，四个相邻侧面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt激励电信号(可在定子上激励出相互垂直的两个弯曲振动模态，定子的端部和中部均产生椭圆振动)。

所述压电陶瓷片可采用4片，粘结到空心金属方柱的四个侧面，一组相对的压电陶瓷片极化方向相同(相对于金属柱粘贴表面的法方向)，另一组相对的压电陶瓷片极化方向相反，若四个相邻侧面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，cosωt激励电信号，则两个cosωt信号加在极化方向相反的两片陶瓷上，若依序施加sinωt，cosωt，sinωt，-cosωt激励电信号，则两个sinωt信号加在极化方向相反的两片陶瓷上(在定子上激励出相互垂直的两个弯曲振动模态，定子的端部和中部均产生椭圆振动)。

上述sinωt(或-sinωt)激励信号和cosωt(或-cosωt)激励信号交换，则弯曲摇头振动反向，电机运动反向。

本发明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。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，从而可以驱动转子运动。

本发明的特点及效果：

本发明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为一般采用弯曲振动模态超声波电机的传动原理示意图。

图2为已有的采用压电陶瓷的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为已有的采用压电陶瓷的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为本发明微电机的定子的结构和激励形式示意图。

其中：图4(a)为相邻两侧面压电陶瓷片的空心金属方柱及其极化和激励方式，图4(b)为四侧面均贴了压电陶瓷的空心金属方柱及其极化和激励方式。

图5为本发明的实施例一——磁力定位电机结构示意图。

图6为本发明的实施例二——双端轴输出电机结构示意图。

图7为本发明的实施例三——单端轴输出电机结构示意图。

图8为本发明的实施例四——为外壳卡定电机结构示意图。

图9为本发明的实施例五——腰腹驱动电机结构示意图。

具体实施方式

本发明的空心金属方柱压电片复合超声微电机结合附图及五种电机结构的实施例分别说明如下：

本发明提出的空心金属方柱压电片复合超声微电机，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，所述定子主要由激励振动的压电陶瓷元件以及匹配块构成；该定子由侧面贴压电陶瓷元件的空心金属方柱构成。定子的结构形式如图4所示，分为在空心金属方柱411的相邻两侧面粘贴压电陶瓷片(如图4(a)所示)和在空心金属方柱422的四个侧面均粘贴压电陶瓷片(如图4(b)所示)两种形式；

压电陶瓷均沿着厚度方向极化。如图4(a)所示的结构中，在相邻两侧面粘贴压电陶瓷片时，两片陶瓷片的极化方向可以相同(相对于粘贴表面的法方向)，也可以相反。图4(b)所示的结构中，一般情况下，安装时相对的陶瓷片(陶瓷片421和425相对，陶瓷片423和424相对)的极化方向应相反，以降低驱动电源的设计难度，当然也可以是任意的；

对于图4(a)所示的定子结构，电场的施加方式为：在压电陶瓷片极面412上加+sin激励信号，在413电极面上加cosωt激励信号，将金属柱411接地；

对于图4(b)所示的定子结构，电场的施加方式为：在陶瓷片423极面上加+sinωt激励信号，在陶瓷片425极面上加cosωt激励信号，若423和424在安装时极化方向相同(相对于金属柱粘贴表面的法方向)，则在424极面上加-sinωt激励信号，若陶瓷片423和陶瓷片424在安装时极化方向相反，则在陶瓷片424极面上加sinωt激励信号。若陶瓷片421和陶瓷片425在安装时极化方向相同则在陶瓷片421极面上加-cosωt激励信号，若陶瓷片421和陶瓷片425在安装时极化方向相反，则在陶瓷片421极面上加cosωt激励信号，将金属柱422接地；

sinωt(或-sinωt)激励信号和cosωt(或-cosωt)激励信号交换，则弯曲摇头振动反向，电机运动反向。

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。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，从而可以驱动转子运动。

实施例一：为磁力定位结构的微电机

该结构如图5所示，其主要特点在于用磁性钢球51做转子，空心金属压电陶瓷片复合柱53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52的凹面中。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。

实施例二：为双端轴输出结构的微电机

该结构如图6所示，其主要特点是双端驱动、轴输出，即在金属压电陶瓷复合定子64的两端粘贴匹配块63构成定子，66为用于粘贴定子64和匹配块63的一层薄胶。两端的转子62通过从中空定子穿过的轴68、套于轴68上的弹簧61和紧固螺母67连在一起。弹簧用于提供定、转子间的预压力。定子通过摩擦层65驱动转子62旋转。力矩由转子直接输出，实际使用时可将转子62外边缘加工成齿轮，通过齿轮传动输出力矩。

实施例三为单端轴输出结构的微电机

该结构如图7所示，其主要特点在于定子匹配块73的中间一体加工出(或固定)一个细棒作为电机的固定轴77。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77上并由套在固定轴77上的小弹簧71提供定、转子间的预压力。该电机中，轴77起的主要作用是给转子72和压力小弹簧71定位。78为滑动或滚动轴承。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。

实施例四为外壳卡定结构的微电机

该结构如图8所示，其主要特点是整个驱动机构罩在一个金属外壳810里面，外壳通过橡胶垫81和滑动轴承(或滚动轴承)87压迫弹簧82产生预压力。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。在压电陶瓷圆柱85上端表面与匹配块84下端表面之间89处胶粘接。压电陶瓷圆柱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。

实施例五为腰腹驱动结构的微电机

该结构如图9所示，其主要特点是：包括粘贴在金属压电陶瓷复合定子92中部的电机驱动块93，驱动块93通过摩擦材料94与转子95相连，定子92在其弯振的节点处用固定机构91固定。利用定子中部(腰腹)的运动由驱动块93驱动转子95运动，可构成直线电机，也可继续将运动转化为转子轴96的旋转运动。

Claims (11)

1.一种基于空心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，由激励超声振动的定子，输出力矩的转子以及给转子加压的预压力机构组成，其特征在于，所述定子主要由激励振动的空心金属方柱和压电陶瓷片组成的复合元件以及匹配块构成，所述压电陶瓷片粘结在空心金属方柱的两个侧面上，沿着厚度方向极化，该压电陶瓷片表面涂有供极化和激励用的外电极。

2.如权利要求1所述的基于空心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，其特征在于，所述压电陶瓷片采用2片，粘结到空心金属方柱相邻的两个侧面，分别加sinωt和cosωt激励电信号。

3.一种基于空心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，由激励超声振动的定子，输出力矩的转子以及给转子加压的预压力机构组成，其特征在于，所述定子主要由激励振动的空心金属方柱和压电陶瓷片组成的复合元件以及匹配块构成，所述压电陶瓷片粘结在空心金属方柱的四个侧面上，沿着厚度方向极化，该压电陶瓷片表面涂有供极化和激励用的外电极。

4.如权利要求3所述的基于空心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，其特征在于，所述压电陶瓷片采用4片，粘结到空心金属方柱的四个侧面，相对的压电陶瓷片极化方向相反，四个相邻侧面依序加sinωt，cosωt，sinωt，cosωt激励电信号。

5.如权利要求3所述的基于空心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，其特征在于，所述压电陶瓷片采用4片，粘结到空心金属方柱的四个侧面，相对的压电陶瓷片极化方向相同，四个相邻侧面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt激励电信号

6.如权利要求3所述的基于空心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，其特征在于，所述压电陶瓷片采用4片，粘结到空心金属方柱的四个侧面，一组相对的压电陶瓷片极化方向相同，另一组相对的压电陶瓷片极化方向相反，若四个相邻侧面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，cosωt激励电信号，则两个cosωt信号加在极化方向相反的两片陶瓷上，若依序施加sinωt，cosωt，sinωt，-cosωt激励电信号，则两个sinωt信号加在极化方向相反的两片陶瓷上。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于空心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，其特征在于，所述的转子采用磁性钢球，所述匹配块采用凹形磁性金属块，该转子放置在该匹配块的凹面中，该转子和匹配块之间的磁力用于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。

8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于空心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，其特征在于，所述复合元件的两端粘贴匹配块构成定子，还包括从中空定子穿过的轴，所述预压力机构采用弹簧，套于该轴的两端的所述转子通过摩擦层与定子相接，并通过套于轴上的弹簧和紧固螺母与该定子连成一体，力矩由转子直接输出。

9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于空心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，其特征在于，所述匹配块中间有一个细棒作为电机的固定轴，所述预压力机构采用套在该固定轴上的弹簧，所述转子套在该匹配块的固定轴上并由该弹簧提供定、转子间的预压力；力矩由转子直接输出。

10.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于空心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，其特征在于，该微电机还包括一个金属外壳，所述定子与转子设置在该外壳中，所述转子的中间有一个细棒作为轴，所述预压力机构采用套在该轴上的弹簧，该外壳压迫弹簧产生预压力，所述定子与转子之间为设有摩擦界面，力矩由轴直接输出。

11.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于空心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，其特征在于，该微电机还包括固定定子的固定机构及粘贴在所述定子中部的电机驱动块，该驱动块通过摩擦材料层与所述转子相连，利用定子中部的运动由驱动块驱动转子运动构成直线电机，或驱动转子的轴作旋转运动。

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