专利名称：多面体压电柱或压电管超声微电机的制作方法
技术领域：
本发明属于超声应用技术领域，特别涉及一种微型化的超声微电机结构设计。
背景技术：
压电超声微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。超声微电机具有低转速、大转矩，不需要减速机构可直接驱动负载等优点。
弯曲振动模态超声微电机是超声微电机的一种，它的结构相对别的超声微电机比较简单，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微电机又根据激励弯曲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，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。
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微电机结构如图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。
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，在使用时其内壁电极接地，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sinwtωt，coswtωt，-sinwtωt，-coswtωt信号激励。这种压电管激励的弯曲振动模态超声微电机结构如图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。
上述由压电片激励的超声电机目前已经实现产业化，但很难微型化。压电圆柱微电机虽然可以做的很细，然而由于电极表面呈弧形，极化工艺和焊接工艺困难。已有的压电方柱超声微电机针对弧形表面问题采用了平面电极面，但是在相同尺寸下的弯曲刚度偏高。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术在微型化实用上的不足之处，提出一种多面体压电柱或压电管超声微电机，其特点是以多面体压电柱或压电管为激励弯曲振动的压电元件。它既可以做的非常小，又易于焊接导线，还能保证较小的弯曲刚度。且电极表面为平面，极化也容易操作。
本发明提出的一种基于多面体压电柱或压电管的弯曲振动模态超声微电机，由激励超声振动的定子，输出力矩的转子或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，其特征在于，所述激励弯曲振动的压电陶瓷元件为多面体压电柱或压电管；该多面体压电柱或压电管外壁的多个侧面涂有供极化和激励振动所用的外电极。
该多面体压电柱或压电管可以是六棱柱、八棱柱、十二棱柱等多种形状之任一种。
本发明的特点及效果本发明设计的超声微电机电极面为平面，易于操作，促进了超声微电机的微型化和生产过程的自动化。在输入电信号时，转子可以在定子表面上、或中、内、外转动起来。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。
图1为弯曲振动模态超声微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为本发明的多面体压电柱或压电管分极示意图。
图7为本发明的多面体压电柱或压电管外壁横截面极化实施例示意图。
图8为图7的多面体压电柱或压电管通电流激励弯曲摇头振动方式示意图。
图9为多面体压电柱或压电管超声微电机实施例一——磁力定位电机结构示意图。
图10为多面体压电柱或压电管超声微电机实施例二——力矩轴输出电机结构示意图。
图11为多面体压电柱或压电管超声微电机实施例三——固定轴电机结构示意图。
图12为多面体压电柱或压电管超声微电机实施例四——外壳卡定电机结构示意图。
图13为多面体压电柱或压电管超声微电机实施例五——中间突起物上下部驱动转子转动电机结构示意图。
图14为多面体压电柱或压电管超声微电机实施例六——中间突起物左右部驱动转子转动电机结构示意图。
图15为多面体压电管超声微电机实施例七——管端部双转子轴输出驱动转子转动的电机结构示意16为多面体压电管超声微电机实施例八——管内表面端部或中部突起物驱动转子转动的电机结构示意图具体实施方式
本发明的多面体压电柱或压电管超声微电机结合八种实施例结构及其附图的详细说明如下，其中以八棱柱形压电柱或压电管微电机作为主要说明对象，其他形状的多面体超声微电机的情况可以类比得到。
本发明的多面体压电柱或压电管超声微电机八种实施例均由激励超声振动的定子、输出力矩的转子或轴、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。他们的共同点在于激励定子振动的压电陶瓷元件都完全相同，即为在外侧面分别均匀镀上银电极61的多面体压电柱或压电管，如图6所示。各实施例多面体压电柱或压电管的极化按图7(a)、图7(b)或图7(c)所示方式加高压直流电极化，极化后该陶瓷就具有特定方向的压电效应。使用时，若按照按照图7(a)的极化方式，则在多份电极81、82、83、84、…上分别加Sinωt、Cosωt、-Sinωt、-Cosωt多路交流电信号，如图8(a)；或按图7(b)的极化方式，则在85，86、87、88分别上加Sinωt、Cosωt、-Sinωt、-Cosωt多路交流电信号，如图8(b)；或按图7(c)+的极化方式，则在8a、8b、8c、8d上加Sinωt、Cosωt、-Sinωt、-Cosωt多路交流电信号，如图8(c)；或按图7(c)-的极化方式，将8a、8c连接一起加Sinωt，8b、8d连接一起加Cosωt两路交流电信号，如图8(c).根据压电陶瓷的逆压电效应，就可激励该多面体压电柱或压电管产生所需的弯曲摇头振动。
八种实施例的不同点主要在于转子(或轴)及预压力机构的结构不同。
本发明的八种结构的实施例分别说明如下实施例一为磁力定位结构的单端部驱动转子的摇头式超声微电机该结构的主要特点在于用磁性钢球或钢环91做转子，多面体压电柱或压电管93和凹形或锥形磁性金属匹配块92用强力胶粘结形成一体，共同构成电机的定子。磁性钢球或钢环91放置在金属匹配块凹面或锥形面上。这样靠转子和金属匹配块92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，如图9所示。磁性转子和磁性匹配块之间可以使用非磁性垫片调整吸力的大小。
实施例二为力矩轴输出结构的单端部驱动转子的摇头式超声微电机该结构的主要特点在于轴101连有一个直径比轴稍大的凸盘，用于作为底部转子并顶住套于轴上的小弹簧102，它和轴是一体。定子匹配块104中间除了有穿轴孔外，还在上下表面各有一个锥形圆孔。将轴101从下到上穿过匹配块后再将匹配块104与多面体压电柱或压电管105在107处胶粘，这样匹配块104与多面体压电柱或压电管105共同构成电机的定子。转子103置于定子匹配块104之上并与轴101通过键卡合。预压力由小弹簧102提供。这样轴可以用定子的匹配块104反扣定位，并且可以和转子一起转动，力矩由轴101直接输出。图中106处为定子与转子之间的摩擦界面。如图10所示。
实施例三为固定轴结构的单端部驱动转子的摇头式超声微电机该结构的主要特点是在定子匹配块113的中间加工出一个细棒作为电机的固定轴1130。该轴与定子匹配块是同一金属件。多面体压电柱或压电管114与匹配块在116处胶粘接，共同作为电机的定子。转子112套在定子匹配块113的固定轴1130上，固定轴1130连有一个直径比轴稍大的凸盘，用于顶住套于轴上的小弹簧111，由小弹簧111提供预压力。该电机中，轴1130起的主要作用是给转子112和压力小弹簧111定位。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，通过该齿轮传动输出力矩。115处为定子与转子之间的摩擦界面，该面最好是锥面。如图11所示。
实施例四为外壳卡定结构的单端部驱动转子的摇头式超声微电机该结构的主要特点是转子123置于定子匹配块124之上，转子123的中间加工有一个细棒作为轴1230，该轴和转子是同一金属件。在多面体压电柱或压电管125上端表面与匹配块124下端表面之间129处胶粘接。整个驱动机构罩在一个金属外壳120里面，外壳通过橡胶垫121和聚四氟圈127压迫弹簧122产生预压力。多面体压电柱或压电管125下端表面同样胶粘接在金属底座126上并通过螺纹在下端侧面1210处和金属外壳定位固定。定子与转子之间为摩擦界面128，该面最好是锥面。力矩可由轴直接输出，如图12所示。
实施例五为中部驱动转子的超声微电机该结构如图13所示，其特点是多面体压电柱或压电管131通过与其相连的夹持部件135和136固定到相应的物体上。多面体压电柱或压电管131中部有一突起物132，该突起物132通过与其下端面相连的摩擦片137与转子133接触，转子直接与外部机构连接。转子可直接输出力矩，也可通过与其相连的轴134输出力矩。转子也可通过与突起物的上端面相连的摩擦片接触，形成与上述转子133的对称结构。
实施例六为中部驱动转子的超声微电机该结构如图14所示，与实施例5相同，多面体压电柱或压电管141通过与其相连的夹持部件145和146的位置固定到相应的物体上。多面体压电柱或压电管141中部有突起物142。与实施例5的不同之处是该突起物142通过与其侧面相连的摩擦片147与转子143接触。转子可直接输出力矩，也可通过轴144输出力矩。
实施例七为多面体压电管超声微电机一管端部双转子轴输出驱动转子转动的电机，结构如图15所示。压电管151厚度极化，在使用时其内壁电极接地或悬地，外壁涂有均匀分布的外电极，通入信号激励。压电管151两端接两个金属帽152构成电机定子，两端的转子153用螺母155和弹簧154拧在轴156上。
实施例八为多面体压电管内端部或中部驱动转子的超声微电机该结构的剖面如图16所示，其特点是多面体压电管161和弹性片165一端固定到相应的物体上。161另一端部有一突起物163，它通过与其相连的摩擦片166与转子164接触，转子直接与外部机构连接。压电管内壁162为地电极。
权利要求
1.一种基于多面体压电柱或压电管的弯曲振动模态超声微电机，由激励超声振动的定子、输出力矩的转子或与转子相连的轴、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，其特征在于，所说的激励弯曲振动的压电陶瓷元件为多面体压电柱或压电管，该多面体压电柱或压电管外壁的多个表面涂有供极化和激励振动所用的外电极。
2.如权利要求1所述的超声微电机，其特征在于，所述的多份外电极由其中相对的一对电极通入高压直流电，另一对电极接地进行极化而成，在多份电极上依次分别加Sinωt、Cosωt、-Sinωt、-Cosωt组成四路交流电信号；或将相对的一组电极(8a、8c)连接一起加Sinωt，另一组电极(8b、8d)连接一起加Cosωt，组成两路交流电信号。
3.如权利要求1或2述的超声微电机，其特征在于，所述的转子采用磁性钢球或钢环(91)，所述多面体压电柱或压电管(93)和凹形磁性金属匹配块(92)粘结形成一体，共同构成电机的定子；该磁性钢球或钢环放置在金属匹配块上，该磁性钢球或钢环与金属匹配块之间设有调整吸力大小的非磁性垫片。
4.如权利要求1或2述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由带有凸盘的轴(101)、套于该轴(101)上的定子匹配块(104)及与该定子匹配块粘接成一体的多面体压电柱或压电管(105)构成，所述的转子(103)置于该定子匹配块(104)之上并与轴(101)通过键卡合；还包括套在该轴(101)的凸盘下提供预压力的小弹簧(102)。
5.如权利要求1或2述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由带有一固定轴(1130)的定子匹配块(113)，与该匹配块粘接的多面体压电柱或压电管(114)构成，所述的转子(112)套在该定子匹配块(113)的固定轴(1130)上，该固定轴(1130)连有一凸盘，还包括套于轴上的小弹簧(111)。
6.如权利要求1或2述的超声微电机，其特征在于，还包括一金属外壳(120)，所述定子由匹配块(124)及与其下端表面粘接的多面体压电柱或压电管(125)构成，所述转子(123)的中间有一个细棒作为轴(1230)，该转子(123)置于定子匹配块(124)之上，该轴(1230)上套有产生预压力的压迫弹簧(122)，该轴(1230)从所述金属外壳(120)上的孔中伸出，所述多面体压电柱或压电管(125)下端表面粘接在该金属外壳的底座(126)上。
7.如权利要求1或2述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由中部连有一突起物(132)的多面体压电柱(131)，构成，该突起物(132)通过与其上或下端面相连的摩擦片(137)与转子(133)接触。
8.如权利要求1或2述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由端部连有一突起物(163)的多面体压电管(161)构成，该突起物(163)通过与其端面相连的摩擦片(166)与转子(164)接触。
9.如权利要求1或2述的超声微电机，其特征在于，所述的定子由多面体压电管(151)与两定子帽(152)构成，所述的转子为与两定子帽端面接触的双转子(153)，还包括一个从该定子和转子中穿过并伸出的轴(156)，将两端的转子153固定在轴(156)上的螺母(155)和弹簧(154)。力矩由转子直接输出或由与转子相连的轴输出。
全文摘要
本发明涉及一种基于多面体压电柱或压电管的弯曲振动模态超声微电机，属于超声应用领域，由激励超声振动的定子、输出力矩的转子或与转子相连的轴、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，其特征在于，所说的激励弯曲振动的压电陶瓷元件为多面体压电柱或压电管，该多面体压电柱或压电管外壁多个表面涂有供极化和激励振动所用的多份外电极。本发明的电机可加工的尺寸范围广，大大的促进了超声电机的微型化。在输入电信号时，转子可以在定子表面上旋转。本发明将在生物、医疗、微机械、精密电子机械，国防科技等方面有着广阔的应用前景。
文档编号H02N2/00GK1738178SQ20051009298
公开日2006年2月22日 申请日期2005年8月26日 优先权日2005年8月26日
发明者周铁英, 陈宇, 鹿存跃 申请人:清华大学