專(zhuān)利名稱(chēng)：壓電方柱彎曲振動(dòng)超聲微電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種微型化的超聲微電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
壓電超聲微電機(jī)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，采取特定的結(jié)構(gòu)制成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它一般由定子、轉(zhuǎn)子以及預(yù)壓力機(jī)構(gòu)等功能部件構(gòu)成。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在定子表面產(chǎn)生超聲振動(dòng)，并由定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。超聲微電機(jī)具有以下優(yōu)于普通電磁電機(jī)的特點(diǎn)1、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，不需要減速機(jī)構(gòu)可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
2、體積小、結(jié)構(gòu)靈活，功率體積比是電磁電機(jī)的3-10倍。
3、起動(dòng)停止響應(yīng)快，響應(yīng)時(shí)間小于1毫秒。
4、不產(chǎn)生電磁干擾，也不受電磁干擾。
5、有自保持力矩，無(wú)齒輪間隙，可精密定位。
6、運(yùn)行安靜無(wú)噪聲。
彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)是超聲微電機(jī)的一種，它的結(jié)構(gòu)相對(duì)別的超聲微電機(jī)比較簡(jiǎn)單，同樣主要由激勵(lì)超聲振動(dòng)的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子(或軸)以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)等組成，所說(shuō)的定子又主要由激勵(lì)振動(dòng)的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成。同時(shí)彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)又根據(jù)激勵(lì)彎曲搖頭振動(dòng)的方式和壓電陶瓷元件的形狀分為壓電片驅(qū)動(dòng)電機(jī)、壓電管驅(qū)動(dòng)電機(jī)。它們的傳動(dòng)原理和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都相同，如圖1所示。定子處于圓周搖頭的振動(dòng)模態(tài)，定子11與環(huán)狀轉(zhuǎn)子12之間有一很小的間隙，傳動(dòng)時(shí)定子邊彎曲邊搖頭運(yùn)動(dòng)，因此定、轉(zhuǎn)子之間有切點(diǎn)接觸，其接觸點(diǎn)在定子的外圓周邊上移動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子間的摩擦力使轉(zhuǎn)子沿與接觸點(diǎn)移動(dòng)方向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
現(xiàn)有的兩種激勵(lì)彎曲搖頭振動(dòng)方式如圖2和圖4所示圖2為已有的壓電片激勵(lì)彎曲搖頭振動(dòng)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(duì)稱(chēng)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，兩相均采用朗之萬(wàn)夾心結(jié)構(gòu)組成定子，同時(shí)A相輸入Sinwt信號(hào)，B相輸入Coswt信號(hào)，這樣采用時(shí)間和空間各90度相位差來(lái)激勵(lì)彎曲振動(dòng)；這種壓電片激勵(lì)的彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，上下匹配塊36、38夾緊4片壓電陶瓷片37后共同構(gòu)成電機(jī)的定子，置于定子上的轉(zhuǎn)子35為空心結(jié)構(gòu)，其中空部位有施加預(yù)壓力的彈簧34，力矩通過(guò)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。
圖4為已有的壓電管激勵(lì)彎曲搖頭振動(dòng)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(nèi)壁均勻極化，在使用時(shí)其內(nèi)壁電極接地，外壁涂有四個(gè)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(hào)激勵(lì)。這種壓電管激勵(lì)的彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示，壓電管51兩端接兩個(gè)金屬帽52構(gòu)成電機(jī)定子，兩端的轉(zhuǎn)子53用螺母55和彈簧54擰在軸56上。
上述兩種彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)就是易于實(shí)現(xiàn)微型化和產(chǎn)業(yè)化。到目前為止做的最小的超聲微電機(jī)是清華大學(xué)的直徑為1mm的搖頭電機(jī)，該電機(jī)用壓電陶瓷圓柱來(lái)激勵(lì)電機(jī)的彎曲振動(dòng)。由于前者壓電片要考慮內(nèi)徑，所以要進(jìn)一步小型化比較困難；后者壓電圓柱微電機(jī)雖然可以做的很細(xì)，但由于電極表面呈弧形，極化工藝?yán)щy。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)在微型化方向上的不足之處，提出一種壓電方柱超聲微電機(jī)，其特點(diǎn)是以壓電方柱為激勵(lì)彎曲振動(dòng)的壓電元件。它不需要考慮內(nèi)徑，可以做的非常??；電極表面為平面，極化容易操作。其微電機(jī)直徑可達(dá)0.3mm左右，可將超聲微電機(jī)的應(yīng)用推向一個(gè)新的階段。
本發(fā)明提出的一種基于壓電方柱的彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)，由激勵(lì)超聲振動(dòng)的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子(或軸)以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，所說(shuō)的定子主要由激勵(lì)振動(dòng)的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成，其特征在于，所說(shuō)的激勵(lì)彎曲振動(dòng)的壓電陶瓷元件為壓電方柱，該壓電方柱四個(gè)外壁均涂有均勻分布的供極化和激勵(lì)振動(dòng)所用的外電極。
本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲微電機(jī)可加工的尺寸為0.1mm到6mm之間，大大的促進(jìn)了超聲微電機(jī)的微型化。在輸入電信號(hào)峰峰值約3-6V時(shí)，轉(zhuǎn)子可以在定子表面上明顯轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。本發(fā)明將在生物、醫(yī)療、微機(jī)械、國(guó)防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)的傳動(dòng)原理示意圖。
圖2為通過(guò)壓電片激勵(lì)彎曲搖頭振動(dòng)的原理示意圖。
圖3為已有的壓電片激勵(lì)彎曲搖頭電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為通過(guò)壓電管激勵(lì)彎曲搖頭振動(dòng)的原理示意圖。
圖5為已有的壓電管激勵(lì)彎曲搖頭電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明的壓電方柱分極示意圖。
圖7為本發(fā)明的壓電方柱外壁橫截面極化實(shí)施例示意圖。
圖8為圖7的壓電方柱通電流激勵(lì)彎曲搖頭振動(dòng)方式示意圖。
圖9為壓電方柱超聲微電機(jī)實(shí)施例一——磁力定位電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為壓電方柱超聲微電機(jī)實(shí)施例二——力矩軸輸出電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為壓電方柱超聲微電機(jī)實(shí)施例三——固定軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為壓電方柱超聲微電機(jī)實(shí)施例四——外殼卡定電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖13為壓電方柱超聲微電機(jī)實(shí)施例五——中間突起物上下部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14為壓電方柱超聲微電機(jī)實(shí)施例六——中間突起物左右部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的壓電方柱超聲微電機(jī)結(jié)合六種實(shí)施例結(jié)構(gòu)各附圖詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明的壓電方柱超聲微電機(jī)六種實(shí)施例均由激勵(lì)超聲振動(dòng)的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子(或軸)以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，所說(shuō)的定子主要由激勵(lì)振動(dòng)的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成。他們的共同點(diǎn)在于激勵(lì)定子振動(dòng)的壓電陶瓷元件都完全相同，即為在外側(cè)面分別均勻鍍上四份銀電極61的壓電方柱，如圖6所示。各實(shí)施例壓電方柱的極化和激勵(lì)方法按圖7(a)方式或圖7(b)方式加高壓直流電極化，極化后該陶瓷就具有特殊方向的壓電效應(yīng)。使用時(shí)在四份電極81、82、83和84上分別加sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt四路交流電信號(hào)如圖8(a)或在85，87上加sinωt、在86，88上加cosωt兩路交流電信號(hào)如圖8(b)，則根據(jù)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，就可激勵(lì)該壓電方柱產(chǎn)生所需的彎曲搖頭振動(dòng)。
六種實(shí)施例的不同點(diǎn)主要在于轉(zhuǎn)子(或軸)及預(yù)壓力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不同。
本發(fā)明的六種結(jié)構(gòu)的實(shí)施例分別說(shuō)明如下實(shí)施例一為磁力定位結(jié)構(gòu)的單端部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的搖頭式超聲微電機(jī)該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于用磁性鋼球91做轉(zhuǎn)子，壓電方柱93和凹形磁性金屬匹配塊92用強(qiáng)力膠粘結(jié)形成一體，共同構(gòu)成電機(jī)的定子。磁性鋼球轉(zhuǎn)子放置在金屬匹配塊凹面中。這樣靠轉(zhuǎn)子和金屬匹配塊92之間的磁力作為固定轉(zhuǎn)子和產(chǎn)生摩擦力所需的預(yù)壓力，力矩由轉(zhuǎn)子直接輸出，如圖9所示。磁性轉(zhuǎn)子和磁性匹配塊之間可以使用非磁性墊片調(diào)整吸力的大小。
實(shí)施例二為力矩軸輸出結(jié)構(gòu)的單端部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的搖頭式超聲微電機(jī)該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于軸101連有一個(gè)直徑比軸稍大的凸盤(pán)，用于頂住套于軸上的小彈簧102，它和軸是一體。定子匹配塊104中間除了有穿軸孔外還在上下表面各有一個(gè)凹形圓孔。將軸101從下到上穿過(guò)匹配塊后再將匹配塊104與壓電方柱105在107處膠粘，這樣匹配塊104與壓電方柱105共同構(gòu)成電機(jī)的定子。轉(zhuǎn)子103置于定子匹配塊104之上并與軸101通過(guò)鍵卡合。預(yù)壓力由小彈簧102提供。這樣軸可以用定子的匹配塊104反扣定位，并且可以和轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩由軸101直接輸出。圖中106處為定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦界面。如圖10所示。
實(shí)施例三為固定軸結(jié)構(gòu)的單端部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的搖頭式超聲微電機(jī)該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在定子匹配塊113的中間加工出一個(gè)細(xì)棒作為電機(jī)的固定軸1130。該軸與定子匹配塊是同一金屬件。壓電方柱114與匹配塊在116處膠粘接，共同作為電機(jī)的定子。轉(zhuǎn)子112套在定子匹配塊113的固定軸1130上，固定軸1130連有一個(gè)直徑比軸稍大的凸盤(pán)，用于頂住套于軸上的小彈簧111，由小彈簧111提供預(yù)壓力。該電機(jī)中，軸1130起的主要作用是給轉(zhuǎn)子112和壓力小彈簧111定位。力矩由轉(zhuǎn)子直接輸出，實(shí)際使用時(shí)可將轉(zhuǎn)子外邊緣加工成齒輪，通過(guò)該齒輪傳動(dòng)輸出力矩。115處為定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦界面。如圖11所示。
實(shí)施例四為外殼卡定結(jié)構(gòu)的單端部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的搖頭式超聲微電機(jī)該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子123置于定子匹配塊124之上，轉(zhuǎn)子123的中間加工有一個(gè)細(xì)棒作為軸1230，該軸和轉(zhuǎn)子是同一金屬件。在壓電方柱125上端表面與匹配塊124下端表面之間129處膠粘接。整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)罩在一個(gè)金屬外殼120里面，外殼通過(guò)橡膠墊121和聚四氟圈127壓迫彈簧122產(chǎn)生預(yù)壓力。壓電方柱125下端表面同樣膠粘接在金屬底座126上并通過(guò)螺紋在下端側(cè)面1210處和金屬外殼定位固定。定子與轉(zhuǎn)子之間為摩擦界面128，力矩可由軸直接輸出，如圖12所示。
實(shí)施例五為中部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的超聲微電機(jī)該結(jié)構(gòu)如圖13所示，其特點(diǎn)是壓電方柱131通過(guò)與其相連的夾持部件135和136固定到相應(yīng)的物體上。壓電方柱131中部有一突起物132，該突起物132通過(guò)與其下端面相連的摩擦片137與轉(zhuǎn)子133接觸，轉(zhuǎn)子直接與外部機(jī)構(gòu)連接。轉(zhuǎn)子可直接輸出力矩，也可通過(guò)與其相連的軸134輸出力矩。轉(zhuǎn)子也可通過(guò)與突起物的上端面相連的摩擦片接觸，形成與上述轉(zhuǎn)子133的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例六為中部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的超聲微電機(jī)該結(jié)構(gòu)如圖14所示，與實(shí)施例5相同，壓電方柱141通過(guò)與其相連的夾持部件145和146的位置固定到相應(yīng)的物體上。壓電方柱141中部有突起物142。與實(shí)施例5的不同之處是該突起物142通過(guò)與其側(cè)面相連的摩擦片147與轉(zhuǎn)子143接觸。轉(zhuǎn)子可直接輸出力矩，也可通過(guò)軸144輸出力矩。
權(quán)利要求
1.一種基于壓電方柱的彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)，由激勵(lì)超聲振動(dòng)的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子或與轉(zhuǎn)子相連的軸以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，所說(shuō)的定子主要由激勵(lì)振動(dòng)的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成，其特征在于，所說(shuō)的激勵(lì)彎曲振動(dòng)的壓電陶瓷元件為壓電方柱，該壓電方柱四個(gè)外壁表面涂有供極化和激勵(lì)振動(dòng)所用的四份外電極。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲微電機(jī)，其特征在于，所述的四份外電極由其中相鄰一對(duì)電極通入高壓直流電，另一對(duì)電極接地進(jìn)行極化而成，在相對(duì)的兩電極(85、87)上同時(shí)分別加sinωt、在另兩個(gè)電極(86、88)上加cosωt交流電信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲微電機(jī)，其特征在于，所述的四份外電極由其中相對(duì)的一對(duì)電極通入高壓直流電，另一對(duì)電極接地進(jìn)行極化而成，在四份電極(81、82、83和84)上同時(shí)分別加sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt四路交流電信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1、2或3述的超聲微電機(jī)，其特征在于，采用磁性鋼球(91)做轉(zhuǎn)子，壓電方柱(93)和凹形磁性金屬匹配塊(92)粘結(jié)形成一體，共同構(gòu)成電機(jī)的定子；磁性鋼球轉(zhuǎn)子放置在金屬匹配塊凹面中，轉(zhuǎn)子和金屬匹配塊92之間的磁力作為固定轉(zhuǎn)子和產(chǎn)生摩擦力所需的預(yù)壓力，力矩由轉(zhuǎn)子直接輸出，磁性轉(zhuǎn)子和磁性匹配塊之間設(shè)有調(diào)整吸力大小的非磁性墊片。
5.如權(quán)利要求1、2或3述的超聲微電機(jī)，其特征在于，所述的定子由帶有凸盤(pán)的軸(101)、套于該軸(101)上的定子匹配塊(104)及與該定子匹配塊(104)粘接成一體的壓電方柱(105)構(gòu)成，所述的轉(zhuǎn)子(103)置于定子匹配塊104之上并與軸101通過(guò)鍵卡合。預(yù)壓力由套在軸(101)的凸盤(pán)下的小彈簧(102)提供，力矩由軸(101)直接輸出。
6.如權(quán)利要求1、2或3述的超聲微電機(jī)，其特征在于，所述的定子由帶有一固定軸(1130)的定子匹配塊(113)，與匹配塊粘接的壓電方柱(114)構(gòu)成，所述的轉(zhuǎn)子(112)套在定子匹配塊113的固定軸(1130)上，該固定軸(1130)連有一凸盤(pán)，用于頂住套于軸上的小彈簧(111)，由該小彈簧111提供預(yù)壓力，力矩由轉(zhuǎn)子直接輸出。
7.如權(quán)利要求1、2或3述的超聲微電機(jī)，其特征在于，還包括一金屬外殼(120)，所述定子由匹配塊(124)及與其下端表面粘接的壓電方柱(125)，所述轉(zhuǎn)子(123)的中間有一個(gè)細(xì)棒作為軸(1230)，該轉(zhuǎn)子(123)置于定子匹配塊(124)之上，該軸(1230)上套有產(chǎn)生預(yù)壓力的壓迫彈簧(122)該軸(1230)通過(guò)橡膠墊(121)和聚四氟圈(127)從金屬外殼(120)上的孔中伸出，所述壓電方柱(125)下端表面粘接在金屬外殼的底座(126)上，力矩由軸直接輸出。
8.如權(quán)利要求1、2或3述的超聲微電機(jī)，其特征在于，所述的定子由中部連有一突起物(132)的壓電方柱(131)構(gòu)成，該突起物(132)通過(guò)與其上或下端面相連的摩擦片(137)與轉(zhuǎn)子(133)接觸，轉(zhuǎn)子直接或與轉(zhuǎn)子相連的軸輸出力矩。
9.如權(quán)利要求1、2或3述的超聲微電機(jī)，其特征在于，所述的定子由中部連有一突起物(132)的壓電方柱(131)構(gòu)成，該突起物(132)通過(guò)與其側(cè)面相連的摩擦片(137)與轉(zhuǎn)子(133)接觸，轉(zhuǎn)子直接或與轉(zhuǎn)子相連的軸輸出力矩。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于壓電方柱的彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲微電機(jī)，屬于超聲應(yīng)用領(lǐng)域，由激勵(lì)超聲振動(dòng)的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子或與轉(zhuǎn)子相連的軸以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，所說(shuō)的定子主要由激勵(lì)振動(dòng)的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成，其特征在于，所說(shuō)的激勵(lì)彎曲振動(dòng)的壓電陶瓷元件為壓電方柱，該壓電方柱四個(gè)外壁表面涂有供極化和激勵(lì)振動(dòng)所用的四份外電極。本發(fā)明的電機(jī)可加工的尺寸范圍廣，可小到0.1mm，大大的促進(jìn)了超聲微電機(jī)的微型化。在輸入電信號(hào)峰峰值約3－6V時(shí)，轉(zhuǎn)子可以在定子表面上明顯轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。本發(fā)明將在生物、醫(yī)療、微機(jī)械、精密電子機(jī)械，國(guó)防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02N2/10GK1610236SQ200410091130
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者周鐵英, 陳宇, 鹿存躍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)