CN1258864C - 带导电轴的压电柱的超声微电机 - Google Patents

Abstract

带导电轴的压电柱的超声微电机及其电极的极化、激励方法属于弯曲振动模态超声微电机技术领域，其特征在于：定子含有用于激励振动的内接着导电轴的压电柱和匹配块，该压电柱外壁涂有四个均匀分布的供极化和激励振动用的外电极。极化时以导电轴为一极，四个电极并联后为另一极进行径向极化；也可以导电轴为一极，相邻的两对电极各作为一极，分别沿径向做正向和反向极化。激励时，四份电极焊上焊片和导线后，同时分别加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信号；也可在相对角的两对电极上分别加Sin、Cos交流信号。电机便会作弯曲摇头振动。本电机可加工的尺寸为0.3mm～3mm之间，促进了超声电机的微型化。在输入电信号的峰值为2V～6V时，转子可在定子表面明显转动。它在生物、医疗、微机械、军工业有广泛应用前景。

Description

带导电轴的压电柱的超声微电机

技术领域

一种带导电轴的压电柱的超声微电机，属于超声波微电机技术领域，尤其涉及一类弯曲振动模态的超声波微电机。

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/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。同时弯曲振动模态超声波电机又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压电片驱动电机、压电管驱动电机。它们的传动原理和驱动机构都相同，如图1所示。定子处于圆周摇头的振动模态，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。

现有的三种激励弯曲摇头振动方式如图2、图5和图6所示：

图2为已有的压电片激励弯曲摇头振动的原理图，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21和通B相电流的两片压电片22空间垂直排列，两相均采用朗之万夹心结构组成定子，同时A相输入Sin信号，B相输入Cos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3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35为空心结构，其中空部位有施加预压力的弹簧34，力矩通过齿轮33输出，32为聚四氟乙烯套，起轴承的作用，31为垫圈，39为主轴，33为螺母。

图4为已有的压电管激励弯曲摇头振动的原理图，所用的压电陶瓷元件为压电管。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45，依次在41、42、43和44四极上通入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5所示，压电管51两端接两个金属帽52构成电机定子，两端的转子53用螺母55和弹簧54拧在轴56上。

上述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。到目前为止做的最小的超声电机是新加坡国立大学的直径为1.5mm的摇头电机，该电机用压电陶瓷管来激励电机的弯曲振动，但压电管和压电片由于要考虑内径，所以要进-步小型化比较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带导电轴的压电柱超声微电机。

带导电轴的压电柱的超声微电机，含有由匹配块和压电陶瓷元件构成的定子，转子及预压力机构，其特征在于：该超声微电机是一种具有固定轴结构的弯曲振动模态的超声微电机，所述的压电陶瓷元件为具有同轴地内接着导电轴且外壁涂有四个均匀分布的供极化和激励振动用的外电极的压电柱；所述的匹配块是下端面与压电柱粘接且上端面是凹形的，所述的转子是置于匹配块上且与该匹配块摩擦接触的，所述的导电轴是不仅同轴地内接于压电柱内且也同轴地穿过匹配块和转子的一根电机固定轴，所述预压力机构是由与导电轴同轴且依次紧压在转子上端面的弹簧、垫圈和螺母构成的。

本发明所述的带导电轴的压电柱的超声微电机的电极的极化方法，其特征在于：它可以是下列三种方法中的任何一种：

(1)以导电轴为一个电极，在压电柱侧面均匀涂上四份银电极后再把他们并联成另一电极，然后沿径向按常规压电陶瓷的极化方法进行极化；

(2)以导电轴为一个电极，侧面均匀涂上四份银电极后其相邻的两份银电极并联后成为另一电极，沿径向进行正向极化；以导电轴为一个电极，侧面已均匀涂上银电极的另外两份相邻的电极并联后成为另一电极，沿径向进行反向极化；

(3)在压电柱的侧面上均匀涂上金属全电极；以导电轴为一个电极侧面全电极为另一个电极，再按常规压电陶瓷的极化方法进行极化；极化后，把侧面全电极均匀分为4份。

本发明所述的带导电轴的压电柱的超声微电机的电极的激励方法，其特征在于：在已极化的具有导电轴的压电柱侧面的四个电极上分别焊上导线后，可以按下述两种激励振动方法中的任何一种进行激励：

(1)在以导电轴为一个电极，在压电柱侧面均匀涂上四份银电极后再把他们并联成另一电极，然后按常规压电陶瓷的极化方法进行极化的情况下，在四份电极上同时分别加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信号使压电柱产生所需的弯曲摇头振动；只要交换任意两路信号，电机反向运转；

(2)在以导电轴为一个电极，侧面均匀涂上四份银电极后，其相邻的两份银电极并联成为另一电极，沿径向进行正向极化；以导电轴为一个电极，侧面已均匀涂上银电极的另外两份相邻的电极并联后成为另一电极，沿径向进行反向极化的情况下在相对角的一对电极上加Sin信号，在另一相对角的电极上加Cos信号，使压电柱产生所需的弯曲摇头振动；上述两路信号交换，电机反向运转。

(3)当在压电柱的侧面上均匀涂上金属全电极；以导电轴为一个电极，侧面全电极为另一个电极，再按常规压电陶瓷的极化方法进行极化并在极化后把侧面全电极分为4份的情况下，在四份电极上同时分别加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信号使压电柱产生所需的弯曲摇头振动；只要交换任意两路信号，电机反向运转。

实践证明：它达到了进一步微型化的目的。

附图说明

图1为所有弯曲振动模态超声波电机的传动原理示意图。

图2为通过压电片激励弯曲摇头振动的原理示意图。

图3为已有的压电片激励弯曲摇头电机的结构示意图。

图4为通过压电管激励弯曲摇头振动的原理示意图。

图5为已有的压电管激励弯曲摇头电机的结构示意图。

图6(a)为已有的压电柱分极示意图，(b)为已有的压电柱超声微电机。

图7为具有长导电轴的压电柱极化和引线示意图。

图8为具有短导电轴的压电柱极化和引线示意图。

图9为具有短导电轴的圆柱微超声电机实施例一——磁力定位电机结构示意图。

图10为具有短导电轴的圆柱微超声电机实施例二——力矩轴输出电机结构示意图。

图11为具有短导电轴的圆柱微超声电机实施例三——固定轴电机结构示意图。

图12为具有导电轴的圆柱微超声电机实施例四——外壳卡定电机结构示意图。

图13为具有长导电轴的圆柱微超声电机实施例五——固定轴电机结构示意图。

具体实施方式

我们曾提出一种圆柱微超声电机，其特点是以压电陶瓷柱6为激励弯曲振动的压电元件如图6a，其中一种微电机结构如图6b，62为转子，63为定子，630为定子上加工出的固定轴，61是预压力机构，66是粘接面，65是摩擦面，它不需要考虑内径，可以做的非常小，其微电机的直径可达到0.30mm左右，可将超声电机的应用推向一个新的阶段。但是这种电机的极化电压不易控制，会使阻抗变大，驱动时外加电压变高。

本发明提出一种具有导电轴的压电柱式弯曲旋转超声波微电机。它由激励超声振动的定子，输出力矩的转子/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以及匹配块构成，激励弯曲振动的压电陶瓷元件为具有导电轴的压电柱，即在压电柱内嵌有一根导电轴供极化用(图7中76，或图8中86)，压电柱的外壁涂有四个均匀分布的外电极71～74或81～84，外电极与导线连接，供激励振动所用。

实施例一：

请见图9。94是导电轴，93是压电柱，其材料使用具有压电性能的材料，如PZT等(下同)。91是磁性钢球，92是上表面呈凹圆弧形的磁性合金匹配块，它与磁性(钢)球91摩擦接触且相吸引起预压力作用，其下端面与压电柱93粘接成一体，共同构成定子。力矩由转子即磁性(钢)球91直接输出。

实施例二：

请见图10，108是短导电轴，105是与短导电轴108相接的压电柱，104是用短导电轴101时的匹配块，它的上、下表面有圆形凹孔，同时与压电柱105经粘接面107粘接成一体，共同构成定子。转子103与匹配块104经摩擦面106摩擦接触同时与力矩输出轴101键合，上述轴101下端固定着一个直径比轴径稍大的小圆盘，二者做成一体，这样可以用匹配块104把轴101反扣定位，轴101也可和转子103一起转动，输出力矩。其中，102是预压力机构，由弹簧、垫圈、螺母构成。

实施例三：

请见图11。它的主要特点是在匹配块113中间加工出一个细棒1130作固定轴用，该轴1130与匹配块113是同一金属件，它的主要作用是给转子112和预压力机构111中的小弹簧定位，力矩则由转子112直接输出。使用时可把转子112的外边缘加工成齿轮来传动输出力矩。114是压电柱，117是导电轴，116是粘接面，115是摩擦面。其余同实施例三。

实施例四：

请见图12。它的主要特点是整个驱动机构罩在一个金属外壳120内，外壳120通过橡胶垫121和聚四氟圈127压迫弹簧122产生预压力，外壳120的下端侧面与一个金属底座126在1210处螺纹连接，而压电柱125的下端面与金属底126相粘接，可以认为：金属底座126、外壳120、橡胶垫121、聚四氟圈127和弹簧122共同构成了预压力机构。转子123置于定子匹配块124之上，128是摩擦面，转子123的中间加工出一个细棒1230作为力矩输出轴，它和转子123是同一个金属件。1231是导电轴，匹配块124与压电柱125经粘接面129粘接。

其余同实施例三。

实施例五：

请见图13。它的主要特点是长导电轴131作为电机的固定轴，它从匹配块133、转子132中间穿出，转子132由预压力机构131提供预压力，而预压力机构131是由弹簧、垫圈和螺母构成的。长导电轴137的主要作用是给转子132和预压力机构131中的弹簧定位。力矩由转子132直接输出。使用时可把转子132的外缘加工成齿轮，以便通过齿轮传送输出力矩，134是压电柱，135是摩擦面，136是粘接面。其余同实施例三。

以下用图7来说明压电柱75上电极的极化方法。先在四份电极71～74上均匀涂上银电极。然后，可以用长导电轴76作一个电极，在4个并联的电极71～74和长导电轴76之间通入高压直流电进行径向极化。也可以用长导电轴76作一个电极，其中任意相邻的二个电极71和73相并联构成另一电极，在两者之间沿径向进行正向极化；再用长导电轴76作一个电极，另外两个相邻的电极72和74并联后构成另一个电极，在两者之间沿径向进行反向极化。还可以在压电柱75的整个侧面均匀涂上全电极，以长导电轴76作另一个电极，在两者之间沿径向极化，极化后再把侧面电极沿轴向均匀分成四份电极。

以下还用图7来说明压电柱75上电极的激励振动方法。先在四个电极71～74上分别焊上焊片和导线。

对上述(1)(3)极化的，可以同时在四份电极71-74上分别加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流信号，则可激励该压电柱75产生所需弯曲摇头振动。交换其中任意两路信号，则电机弯曲摇头振动反向。对上述(2)极化的，可以把电极71和74并联后再加Sin交流信号，把电极72和73并联后再加Cos交流信号，则可激励该压电柱75产生所需的弯曲摇头振动。两路交流信号相互交换，则电机弯曲摇头振动反向。

本发明设计的超声电机可加工的尺寸为0.3mm到3mm之间，大大的促进了超声电机的微型化。在输入电信号的峰值约(2-6)V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。

Claims (1)

1、带导电轴的压电柱的超声微电机，含有由匹配块和压电陶瓷元件构成的定子，转子及预压力机构，其特征在于：该超声微电机是一种具有固定轴结构的弯曲振动模态的超声微电机，所述的压电陶瓷元件为具有同轴地内接着导电轴且外壁涂有四个均匀分布的供极化和激励振动用的外电极的压电柱；所述的匹配块是下端面与压电柱粘接且上端面是凹形的，所述的转子是置于匹配块上且与该匹配块摩擦接触的，所述的导电轴是不仅同轴地内接于压电柱内且也同轴地穿过匹配块和转子的一根电机固定轴，所述预压力机构是由与导电轴同轴且依次紧压在转子上端面的弹簧、垫圈和螺母构成的。

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