專利名稱：直線型超聲波微電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超聲波微電機，更具體地說，尤其涉及一種直線型超聲波微電機。
背景技術：
超聲波電機是利用壓電材料的逆壓電效應，把電能轉化為超聲波電機定子的振動 能，再通過摩擦轉化為運動部件的旋轉或者直線運動。它一般主要由定子、轉子(動子)及預 壓力機構等功能部件組成。與傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲波電機具有許多獨特的特點和優(yōu)點， 比如
(1)結構緊湊，能量密度(轉矩/質(zhì)量)大，電機易于微型化。(2)低速大力矩，無需齒輪減速機構，可以實現(xiàn)直接驅動。(3)電機響應速度快，并且能實現(xiàn)斷電自鎖。(4)位置和速度控制性好，位移分辨率高。(5)不產(chǎn)生磁場，亦不受外界磁場干擾，抗電磁干擾能力強。(6)安靜無噪聲。(7)設計靈活，結構形式多樣化。直線型超聲波電機是超聲波電機的一種，因為其緊湊的薄片形結構，優(yōu)秀的驅動 精度而獲得廣泛關注和應用。圖11為一種縱彎直線型超聲波電機結構原理圖，其中111、 112、113、114為電極面，115為驅動頭，116為運動部件，117為彈簧。圖12為縱彎直線型超 聲波電機的工作原理圖，其中121為定子，122為驅動頭、123為運動部件。工作時電極面 111、114上加Asin(Cot)激勵信號，電極面112、113上加Acos ( ω t)激勵信號，在電機定子 121上激勵出第一階縱振模態(tài)和第二階彎曲模態(tài)的復合振動模態(tài)，此時，驅動頭122上驅動 質(zhì)點的運動軌跡為橢圓，驅動頭122通過摩擦驅動與之相接觸的運動部件123產(chǎn)生直線運 動。由于不同類型的振動模態(tài)對外部條件變化的敏感度不同，當溫度、預壓力、驅動信 號的電壓等條件變化時，容易影響到采用不同類型復合振動模態(tài)電機的定子的復合振動， 使得電機性能劇烈變化，且不容易調(diào)節(jié)。為此，采用不同類型復合振動模態(tài)的電機對工作條 件要求比較苛刻，經(jīng)常要求工作在恒溫等條件下。采用單一駐波模態(tài)工作的直線超聲電機工作比較穩(wěn)定。圖13至圖15給出了一種 駐波直線型超聲波電機結構示意圖。其中131和133為壓電陶瓷板，132為定子基體，134、 136、137、138、139為壓電陶瓷板131上的電極面，135為驅動足，1310，1311，1312，1313， 1314為壓電陶瓷板133上的電極面?！癤”和“.”表示壓電陶瓷的極化方向，“X”表示指向 內(nèi)部，“ * ”表示指向外部。每一個壓電陶瓷板分為五個區(qū)沿著厚度方向極化，相鄰區(qū)極化 方向相反，激勵時在定子上激勵出2. 5個波長的駐波振動。圖16駐波直線型超聲波電機驅 動原理示意圖，僅出了一個波長的情況。其中164為一個振動極限位置，161為一個振動 極限位置時的驅動足，163為另一個振動極限位置，162為驅動足的行程。從圖16中可以看 出，定子安放在波峰和波谷之間時，在一個振動周期里，驅動足將向某一個方向產(chǎn)生一次撥動沖擊，然后退回來。循環(huán)往復，定子就能夠驅動與其相接觸的運動部件產(chǎn)生向某一方向的 運動。朝著另一方向驅動時，則采用另一片壓電陶瓷激勵出另一個在空間位置上偏移了 1/4 波長的駐波振動。微型化是電機發(fā)展的一個重要方向。上述直線超聲波電機在微型化時都有一些困 難，主要表現(xiàn)為兩點，一是壓電陶瓷正反向分區(qū)極化時，容易擊穿，且極化不充分，除去電極 面間隙后電極面過小，嚴重影響壓電陶瓷性能。二是d31壓電常數(shù)數(shù)值很小，機電耦合系數(shù) 低，振動效率很低。這就造成微型直線超聲波電機性能很差，難以應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電陶瓷元件電極面有效面積大、極化充分、振動效 率高的直線型超聲波微電機。本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的一種直線型超聲波微電機，包括定子、運動部件 和固定機構，其中所述的定子主要由壓電陶瓷元件和驅動足粘接構成；所述的壓電陶瓷元 件為薄板狀，沿長度方向極化，在壓電陶瓷元件的上下表面均設有電極，其中至少一個表面 上的電極分成若干小的電極面，相鄰的兩對電極面對壓電陶瓷元件所施加的激勵電場方向 相反。上述的直線型超聲波微電機中，所述的定子還包括基體，壓電陶瓷元件與基體粘 接連接。上述的直線型超聲波微電機中，所述的壓電陶瓷元件為兩個，分別與基體粘接連接。上述的直線型超聲波微電機中，所述的壓電陶瓷元件外側表面的電極由若干對稱 的小的電極面構成，與基體粘接的內(nèi)側表面的電極為整體電極。上述的直線型超聲波微電機中，所述的兩個壓電陶瓷元件外側的電極面相互錯 開。上述的直線型超聲波微電機中，所述的驅動足與運動部件的接觸面上設有耐磨層。上述的直線型超聲波微電機中，所述的驅動足為單驅動足。上述的直線型超聲波微電機中，所述的驅動足為雙驅動足。本發(fā)明采用上述結構后，通過壓電陶瓷元件及其構造的直線型超聲波微電機，并 采用壓電陶瓷的切變dl5逆壓電效應的壓電陶瓷元件，極化均勻，電極劃分容易，克服了常 規(guī)d31型壓電陶瓷部件電極間隙大，電極面有效面積小，極化不充分，正反向極化時容易擊 穿，振動效率低等缺點。同時，由于壓電陶瓷的dl5壓電常數(shù)要比d31數(shù)值高很多，所以，采 用了所發(fā)明的新型陶瓷元件構造的直線型超聲微電機將有助于明顯提高電機的性能。該發(fā) 明特別適用于空間小，力矩大，精度高的應用場合。由于市場上可用的微型超聲波直線電機 幾乎沒有，極大地制約了相關的應用需求。本發(fā)明提出的壓電陶瓷振動激勵元件及其構造 的直線型超聲波微電機方案將有助于拓展電機的應用領域，并將在生物、醫(yī)療、微機械、國 防科技等方面有廣闊的應用前景。


下面結合附圖中的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但并不構成對本發(fā)明的 任何限制。圖1是本發(fā)明的結構示意圖2是本發(fā)明壓電陶瓷元件表面電極劃分示意圖； 圖3是本發(fā)明壓電陶瓷元件彎曲變形示意圖國； 圖4是本發(fā)明具體實施例1的結構示意圖5是本發(fā)明具體實施例1高階彎曲變形的壓電陶瓷元件表面電極劃分示意圖； 圖6是本發(fā)明具體實施例2中定子主要部件的結構示意圖； 圖7是本發(fā)明具體實施例3中定子主要部件的結構示意圖； 圖8是本發(fā)明具體實施例4和5中定子主要部件的結構示意圖； 圖9是本發(fā)明具體實施例6的結構示意圖； 圖10是本發(fā)明具體實施例7的結構示意圖； 圖11是現(xiàn)有技術中縱彎直線型超聲波電機結構原理圖； 圖12是現(xiàn)有技術中縱彎直線型超聲波電機工作原理圖； 圖13是現(xiàn)有技術中駐波直線型超聲波電機結構示意圖； 圖14是圖13的俯視圖； 圖15是圖13的仰視圖16是現(xiàn)有技術中駐波直線型超聲波電機驅動原理示意圖。
具體實施例方式參閱圖1所示，本發(fā)明的一種直線型超聲波微電機，包括定子1、運動部件2和固定 機構3，定子1主要由壓電陶瓷元件la、驅動足Ib粘接構成，也可以增加基體lc，可以使定 子1的結構更為穩(wěn)固，不易損壞；固定機構3由安裝板3a和彈性墊北構成，彈性墊北設置 在安裝板3a與底座Id之間；固定機構3的結構可以根據(jù)實際的需要進行調(diào)整，例如彈性墊 3b可以用彈簧進行替換；壓電陶瓷元件Ia為薄板狀，沿長度方向極化，在壓電陶瓷元件Ia 的上下表面均設有電極4，其中至少一個表面上的電極4分成若干小的電極面，另一個表面 上的電極4可以是整塊結構，也可以是同樣的由若干小的電極面構成，相鄰的兩對電極面 對壓電陶瓷元件Ia所施加的激勵電場方向相反。參閱圖2、圖3所示，壓電陶瓷元件Ia的極化分區(qū)和激勵方法。在壓電陶瓷元件 Ia上下表面各加工有兩個電極面21、22和23、24，上下表面電極面對稱布置，相鄰的兩對 電極面所施加的激勵電場方向相反，即電極面21施加正電壓，電極面23施加負電壓，形成 由電極面21指向電極面23的電場25 ；同時，電極面22加負電壓，電極面M施加正電壓， 形成由電極面M指向電極面22的電場沈；兩個相鄰的電場25和沈方向相反，從而在定 子1上激勵出陶瓷薄板的彎曲變形27。若所施加激勵電壓為一定頻率的交變信號，則在壓 電陶瓷元件Ia上能夠激勵出同頻的彎曲振動。實施例1 駐波型單壓電陶瓷板直線超聲微電機
參閱圖4、圖5所示，本發(fā)明的直線型超聲波微電機，包括定子1、運動部件2和固定機 構3，定子1由薄板狀的壓電陶瓷元件la、驅動足Ib和底座Id粘接構成，基體Ic通常為金屬，如銅；固定機構3由安裝板3a和彈性墊北構成，彈性墊北設置在安裝板3a與底座Id 之間；壓電陶瓷元件Ia沿長度方向極化；在壓電陶瓷元件Ia的上下表面分別設有電極4， 上下表面的電極4均由若干小的電極面構成，壓電陶瓷元件Ia上下表面之間的電極面互相 對應，在本實施例中，電極面包括第一電極面51、第二電極面52、第三電極面53、第四電極 面M、第五電極面55、第六電極面56、第七電極面57和第八電極面58，若在第一、第三、第 六、第八電極面51，53，56，58上施加Asin (ω t)激勵信號，同時在對應的第二、第四、第五、 第七電極面52，54，55，57上施加-Asin(Cot)激勵信號，則使得相鄰的激勵電場方向相反。 若施加激勵信號的頻率接近定子B (4，0)彎曲共振模態(tài)頻率，則在定子上激勵出B (4,0) 彎曲振動。同樣，若在第一、第二、第七、第八電極面51，52，57，58上施加Asin(Cot)激勵信 號，同時在對應的第六、第七、第三、第四電極面56，57，53，54上施加-Asin (ω t)激勵信號， 若施加激勵信號的頻率接近定子B (2，0)彎曲共振模態(tài)頻率，則在定子上激勵出B (2,0) 彎曲振動。定子駐波振動時，驅動足將對與其摩擦接觸的運動部件產(chǎn)生一個沖擊驅動力，驅 動運動部件向某一方向運動。合理布置驅動足的位置和個數(shù)，能達到雙向驅動的目的。比如該例一個(或一對) 驅動足放在第二電極面12的左半邊位置，用B (4,0)模態(tài)激勵時，電機向右驅動運動部件 運動，用B (2，0)模態(tài)激勵時，電機向左驅動運動部件運動。本實施例中工作模態(tài)并不局限 于2階和4階，相應的電極面的個數(shù)也可以是其他數(shù)值。驅動足Ib可以直接在基體Ic上加工出來，也可以通過在粘接等方式形成。驅動 足Ib通常在基體Ic兩個側面成對安放，也可用一個。在驅動足Ib與基體Ic的接觸表面 設有耐磨層5，耐磨層5為粘貼的耐磨材料層或經(jīng)過耐磨處理的耐磨表面。實施例2 駐波型單壓電陶瓷板和基體復合型直線超聲微電機
參閱圖6所示，本發(fā)明的一種直線型超聲波微電機，其結構與實施例1基本相同，不同 之處在于，壓電陶瓷板Ia的外側表面的電極4由多個電極面構成，另一側用于與基體Ic粘 接的表面則為一整體電極4，通常接地。其激勵方式和工作原理與實施例1類同。實施例3 駐波型雙壓電陶瓷板和基體復合型直線超聲微電機之一
參閱圖7所示，本發(fā)明的直線型超聲波微電機，其結構與實施例2基本相同，不同之處 在于，壓電陶瓷元件Ia有兩個，分別粘接在基體Ic的上下表面，兩個壓電陶瓷元件Ia的外側 表面的電極4由多個電極面構成，另一側與基體Ic粘接的表面則為一整體電極4，通常接地。若兩片壓電陶瓷元件Ia按極化方向相反的方式粘貼，激勵時，壓電陶瓷元件Ia每 一電極面與另一面對稱電極之間形成一個電場，相鄰的區(qū)域電場方向相反，對稱的區(qū)域電 場方向對稱，即同時指向對稱中心面或者背離對稱中心面，若兩片壓電陶瓷元件Ia按極化 方向相同的方式粘貼，激勵時，壓電陶瓷元件Ia每一電極面與另一面對稱電極之間形成一 個電場，相鄰的區(qū)域電場方向相反，對稱的區(qū)域電場方向相同，即對稱的區(qū)域電場方向一個 指向對稱中心面，另一個背離對稱中心面。其激勵方式和工作原理與實施例1類同。實施例4 駐波型雙壓電陶瓷板和基體復合型直線超聲微電機之一
參閱圖8所示，本發(fā)明的直線型超聲波微電機，其結構與實施例3基本相同，不同之處 在于，兩塊壓電陶瓷元件Ia外側表面的小電極面之間分相互錯開。振動激勵時，上下兩片壓電陶瓷元件Ia不同時工作，在定子1上分別激勵出兩個空間上相位差1/4波長的駐波，如b和c所示，一片壓電陶瓷元件Ia工作時，電機往一個 方向驅動，換另一片壓電陶瓷元件Ia工作時，電機換向。具體為若兩片壓電陶瓷元件Ia 按極化方向相同方式粘接，電極面81、83上施加Asin(Cot)激勵信號，電極面82、84上施 加-Asin(on)激勵信號，在定子上激勵出振型為b的駐波。此時，電機每一驅動足Ib均放 在節(jié)點與其該節(jié)點某一側的波峰之間，共同往一個方向驅動。換向時，電極面89、87、85上 施加Asin(cot)激勵信號，電極面88、86上施加-Asin(Cot)激勵信號，在定子上激勵出振 型為c的駐波。此時，驅動足Ib共同往另一個方向驅動。本實施例中工作模態(tài)并不局限4 階，相應的電極面?zhèn)€數(shù)也可以是其他數(shù)值。實施例5 行波型雙壓電陶瓷板和基體復合型直線超聲微電機
參閱圖8所示，本發(fā)明的直線型超聲波微電機，其結構與實施例4相同，但振動激勵不 同。上下兩片壓電陶瓷元件Ia同時工作，在定子1上同時激勵出兩個時間上相差1/4周期， 空間上相位差1/4波長的駐波，如b和c所示。兩個駐波合成一個行波，使得驅動足Ib上 的質(zhì)點均做橢圓運動，驅動與其相接觸的運動部件運動。實施例6 單(對)驅動足旋轉超聲微電機
參閱圖9所示，本發(fā)明的直線型超聲波微電機，其結構可以是實施例1、2、3、4、5中的任 一種，在定子1上激勵出駐波，利用單(對)驅動足Ib摩擦驅動與其相接觸的轉子旋轉。驅 動足Ib通常在定子1兩個側面成對安放，也可單獨安放。實施例7 雙(對)驅動足旋轉超聲微電機
參閱圖10所示，本發(fā)明的直線型超聲波微電機，其結構如實施例5所示，在定子1上激 勵出行波，利用雙(對)驅動足Ib摩擦驅動與其相接觸的轉子旋轉。驅動足Ib通常在定子 1兩個側面成對安放，也可單獨安放。
權利要求
1.一種直線型超聲波微電機，包括定子(1)、運動部件(2)和固定機構(3)，其特征在 于，所述的定子(1)主要由壓電陶瓷元件(Ia)和驅動足(Ib)粘接構成；所述的壓電陶瓷元 件(Ia)為薄板狀，沿長度方向極化，在壓電陶瓷元件(Ia)的上下表面均設有電極(4)，其中 至少一個表面上的電極(4)分成若干小的電極面，相鄰的兩對電極面對壓電陶瓷元件(Ia) 所施加的激勵電場方向相反。
2.根據(jù)權利要求1所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的定子(1)還包括基 體(lc)，壓電陶瓷元件(Ia)與基體(Ic)粘接連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的壓電陶瓷元件 (la)為兩個，分別與基體(Ic)粘接連接。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的壓電陶瓷元件 (Ia)外側表面的電極(4)由若干對稱的小的電極面構成，與基體(Ic)粘接的內(nèi)側表面的電 極(4)為整體電極。
5.根據(jù)權利要求4所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的兩個壓電陶瓷元 件(Ia)外側的電極面相互錯開。
6.根據(jù)權利要求5所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的驅動足(Ib)與運 動部件(2)的接觸面上設有耐磨層(5)。
7.根據(jù)權利要求6所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的驅動足(Ib)為單 驅動足。
8.根據(jù)權利要求6所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的驅動足(Ib)為雙 驅動足。
9.根據(jù)權利要求1至3任一所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的驅動足 (Ib)為單驅動足。
10.根據(jù)權利要求1至3任一所述的直線型超聲波微電機，其特征在于，所述的驅動足 (Ib)為雙驅動足。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直線型超聲波微電機，屬于超聲波微電機技術領域，其技術要點包括定子、運動部件和固定機構，其中所述的定子主要由壓電陶瓷元件和驅動足粘接構成；所述的壓電陶瓷元件為薄板狀，沿長度方向極化，在壓電陶瓷元件的上下表面均設有電極，其中至少一個表面上的電極分成若干小的電極面，相鄰的兩對電極面對壓電陶瓷元件所施加的激勵電場方向相反；本發(fā)明旨在提供一種壓電陶瓷元件電極面有效面積大、極化充分、振動效率高的直線型超聲波微電機；用于生物、醫(yī)療、微機械、國防科技等各領域。
文檔編號H02N2/04GK102118118SQ20111006533
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權日2011年3月18日
發(fā)明者廖進華, 張發(fā)強, 張禮, 鐘侃生 申請人:廣東嘉和微特電機股份有限公司