专利名称：开槽金属方柱压电片复合超声微电机的制作方法
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225为转子，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。
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，但电机的直径一般都比较大；在手机，医疗及航天等领域的应用还受到限制。
图3为Kenji Uchino等人发明的定子为半圆半方结构的摇头型超声电机，其直径仅为1.6mm。在金属筒31的两个垂直侧面上分别粘贴沿厚度方向极化的压电陶瓷片32、33，构成定子，如图3(a)所示。压电陶瓷激励出定子的摇头运动，驱动转子34带动输出轴35转动。33为预压力调节弹簧，如图3(b)所示，依次在电极31、32上通入sinωt，cosωt信号激励。利用了压电陶瓷的d31压电效应在定子上激励出弯曲振动。
以图3结构为基础，当金属体45的另外两面，即四面均贴压电陶瓷片41、42、43、44时，构成一个致动器，如图4所示。添加转子系统，可以构成摇头型超声电机，可得到比图3结构的摇头型超声电机更大的输出扭矩/力。
虽然压电陶瓷管和金属复合管柱方案有利于超声电机结构的微型化。但在致动器或电机结构尺寸较小时，振子的弯振幅也较小，不能有效驱动。为了增大弯振幅，必须减小金属体的直径，也因此减小了贴片陶瓷的尺寸，降低输出扭矩/力。
发明内容
本实用新型为了克服已有技术存在的上述问题，提出一种开槽金属方柱压电片复合超声微电机，利用压电陶瓷的d31效应激励定子的弯曲振动模态。具有在不减小贴片陶瓷尺寸的前提下降低定子的刚度，增大弯振幅的优点。
本发明提出的开槽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金属方柱和压电陶瓷片组成的金属压电陶瓷复合方柱与匹配块构成，在所述金属方柱的4个棱角位置沿轴向开有四个槽，所述压电陶瓷片粘结在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。
所述金属方柱可为空心方柱或实心方柱。
所述的金属方柱所开的槽，可为圆形槽、矩形槽、异型槽或直角槽等任何一种形状。
所述金属压电陶瓷复合方柱采用2片压电陶瓷片时，2片压电陶瓷片分别粘结到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)。
所述金属压电陶瓷复合方柱采用4片压电陶瓷片时，4片压电陶瓷片分别粘结到金属方柱的四个侧面，可使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)。
所述金属压电陶瓷复合方柱采用4片压电陶瓷片时，4片压电陶瓷片分别粘结到金属方柱的四个侧面，还可使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/动子运动。
本发明的特点及效果本发明设计的超声电机由于在金属方柱的棱角处沿轴线开有四个槽，可在不减小贴片陶瓷尺寸的前提下降低定子的刚度，增大弯振幅。
本发明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。
本发明可使电机尺寸加工的很小，促进超声电机的微型化；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。
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为从图3结构演变出的四面贴压电陶瓷片的微电机的定子的结构和激励形式示意图。
图5为本发明微电机的定子的结构和激励形式示意图。
其中图5(a)为四侧面均贴压电陶瓷片的金属方柱及其极化和激励方式，图5(b)为开槽的金属方柱的开槽方式。
图6为本发明的实施例一——双端轴输出电机结构示意图。
图7为本发明的实施例二——单端轴输出电机结构示意图。
图8为本发明的实施例三——磁力定位电机结构示意图。
图9为本发明的实施例四——腰腹驱动电机结构示意图；其中，图9(a)为转子与定子垂直，定子驱动转子做旋转运动；图9(b)为转子与定子平行，定子驱动转子做旋转运动。
图10为本发明的实施例五——端部驱动电机结构示意图。
具体实施例方式
本发明的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组件以及匹配块构成；该压电陶瓷组件为由侧面贴压电陶瓷元件的金属方柱构成金属压电陶瓷片复合方柱。金属压电陶瓷片复合方柱的结构形式如图5所示。在金属方柱515的4个棱角位置沿轴向开有四个槽52，压电陶瓷片511、512、513、514粘结在金属方柱的两个或四个侧面上(如图5(a)所示)，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。金属压电陶瓷片复合方柱可以是空心方柱，也可以是实心方柱。
上述的金属方柱所开的槽，可为圆形槽521、矩形槽522、异型槽523和直角槽524等，如图5(b)所示。在保证定子的强度的前提下，槽的尺寸越大，定子的柔度越大，弯曲振幅也越大。
上述金属压电陶瓷片复合方柱加上匹配块构成定子。
压电陶瓷均沿着厚度方向极化。图5(a)所示的结构中，一般情况下，安装时相对的陶瓷片(陶瓷片511和513相对，陶瓷片512和514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5(a)所示的定子结构，电场的施加方式为在陶瓷片511极面上加+sinωt激励信号，在陶瓷片512极面上加cosωt激励信号，若513和511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513极面上加-sinωt激励信号，若陶瓷片513和陶瓷片511在安装时极化方向相反，则在陶瓷片513极面上加sinωt激励信号。若陶瓷片514和陶瓷片512在安装时极化方向相同，则在陶瓷片514极面上加-cosωt激励信号，若陶瓷片514和陶瓷片512在安装时极化方向相反，则在陶瓷片514极面上加cosωt激励信号，将金属柱515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。
以上述金属压电陶瓷片复合方柱结构组成的超声微电机的各种实施例分别说明如下实施例一为双端轴输出结构的微电机本实施例结构如图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方柱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。
实施例二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。
实施例三为磁力定位结构的微电机该结构如图8所示，其主要特点在于用磁性钢球81做转子，金属压电陶瓷片复合方柱83和凹形磁性金属匹配块82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82的凹面中。这样靠转子和金属匹配块82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。
实施例四为腰腹驱动结构的微电机该结构如图9所示，图9(a)其主要特点是，定子可以驱动轴线与定子的轴线垂直的转子做旋转运动。粘贴在金属压电陶瓷复合方柱912中部的电机匹配块913，匹配块913通过摩擦材料914与转子915相连，复合方柱912在其弯振的节点处用固定机构911固定。利用定子中部(腰腹)的运动由匹配块913驱动转子915运动，可构成直线电机，也可继续将运动转化为转子轴916的旋转运动。也可构成图9(b)中所示的转子轴925的旋转运动，即定子可以驱动轴线与定子的轴线平行的转子做旋转运动。
实施例五为端部驱动结构的微电机该结构如图10所示，其主要特点是金属压电陶瓷片复合方柱102直接利用端部的匹配块103驱动运动部件104的运动，可构成直线电机；也可继续将运动转化为转子轴105的旋转运动。金属压电陶瓷片复合方柱102在另一端部固定在底座101上。
权利要求
1.一种开槽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金属方柱和压电陶瓷片组成的金属压电陶瓷复合方柱与匹配块构成，在所述金属方柱的4个棱角位置沿轴向开有四个槽，所述压电陶瓷片粘结在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。
2.如权利要求1所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，其特征在于，所述金属方柱为空心方柱或实心方柱。
3.如权利要求1所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，其特征在于，所述的金属方柱所开的槽，为圆形槽、矩形槽、异型槽或直角槽之中的任何一种形状。
4.如权利要求1所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，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。
5.如权利要求1所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，其特征在于，所述压电陶瓷片采用4片，粘结到金属方柱的四个侧面，当相对的压电陶瓷片极化方向相反时，四个相邻侧面依序加sinωt，cosωt，sinωt，cosωt激励电信号；当相对的压电陶瓷片极化方向相同时，四个相邻侧面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt激励电信号。
6.如权利要求1所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，其特征在于，所述压电陶瓷片采用4片，粘结到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，当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，当依序施加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所述的所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，其特征在于，所述的转子采用磁性钢球，所述定子由金属压电陶瓷片复合方柱与结合在其端面的凹形磁性金属匹配块构成，该磁性钢球转子放置在该金属匹配块的凹面中，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所述的所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，其特征在于，所述金属压电陶瓷复合方柱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，所述的转子为两个套于该轴的两端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所述的所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，其特征在于，所述匹配块采用中间有一个细棒作为电机的固定轴的匹配块，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小弹簧提供定、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所述的所述的开槽金属方柱压电片复合超声微电机，其特征在于，还包括固定定子的固定机构，所述匹配块粘贴在金属压电陶瓷复合方柱的中部，该匹配块通过摩擦材料层与所述转子相连，定子中部的运动由匹配块驱动转子运动构成直线电机或转化为转子的轴的旋转运动。
全文摘要
本发明涉及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，其特征在于，所述定子主要由激励振动的金属方柱和压电陶瓷片组成的金属压电陶瓷复合方柱与匹配块构成，在所述金属方柱的4个棱角位置沿轴向开有四个槽，所述压电陶瓷片粘结在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。本发明在不减小贴片陶瓷尺寸的前提下降低了定子的刚度，增大了弯振幅，可以促进了超声电机的微型化。
文档编号H02N2/00GK1667934SQ200510063340
公开日2005年9月14日 申请日期2005年4月8日 优先权日2005年4月8日
发明者周铁英, 鹿存跃, 陈宇 申请人:清华大学