一种内梳齿状定子及使用该定子的微型超声电机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种定子W及微型超声电机，属于压电驱动技术领域。
【背景技术】
[0002] 超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激发定子产生超声波振动，通过定子 和转子的接触摩擦驱动，实现将电能转化为机械能输出的新型直接驱动电机。可分为行波 型和驻波型2大类。因其结构灵活，能量密度高，适合于微型化，可W用于MEMS领域。目前微 型旋转超声电机可分为椿形弯曲摇头微电机和短圆柱盘式微电机，前者为细长形结构，研 究较多，后者为扁短形结构，研究较少。经文献检索，已公开的申请号为200710144373. 6,发 明创造名称为：磁力加压的预压力装置及使用该装置的微型弯曲超声电机提出了一种微型 超声电机，该发明申请实质上是将椿形微电机轴向尺寸缩短，但其工作频率提高，增大了高 频损失，受弯曲摇头限制，较难进一步减短轴向尺寸。已公开的申请号为200710144372. 1， 发明创造名称为磁力加压的预压力装置及使用该装置的微型面内超声电机，该微电机采用 一个做面内弯曲振动的定子，利用该定子内圆棱边产生弯曲振动驱动转子旋转，因其内圆 柱面无齿，驱动效率不高。此外，上述两种专利公开的微电机，均属于行波型。随着MEMS技 术发展，急需研制轴向尺寸短小结构的微电机。
【发明内容】
[000引本发明是为解决现有超声电机存在轴向尺寸大，径向尺寸较大，驱动频率高，驱动 效率低的问题，进而提供一种内梳齿状定子及使用该定子的微型超声电机。
[0004] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
[0005] 一种内梳齿状定子包括金属弹性体和2N个压电陶瓷片；金属弹性体包括金属弹 性本体和2N个金属梳状齿，金属弹性本体为中屯、有圆柱形空腔的多边形结构，圆柱形空腔 的内侧面上均布固接有2N个金属梳状齿，每个金属梳状齿的齿顶的一个侧壁面与转子的 外周侧面相接触，每个金属梳状齿对应多边形的一个边，压电陶瓷片的极化面连接在与金 属梳状齿相对应的金属弹性本体的边上，其中N为正整数，且N为2-4。
[0006] 使用内梳齿状定子的微型超声电机包括转子，它还包括内梳齿状定子、上盖、支撑 板和定子座；转子主要由同轴设置并制成一体的上圆柱段、中圆台段和下圆锥段构成，中圆 台段的大直径端面与下圆锥段的大直径端面重合，内梳齿状定子安装在定子座上，定子座 安装在支撑板上，转子穿过内梳齿状定子，内梳齿状定子的齿的齿顶的一个侧壁面与转子 的圆台段的周侧面相接触，圆锥段的锥端顶靠在支撑板中部的锥槽内，上盖穿过转子并与 支撑板连接为一体。
[0007] 使用内梳齿状定子的微型超声电机包括转子，它还包括内梳齿状定子、上盖、定子 座和弹黃；转子主要由同轴设置并制成一体的细圆柱段、粗圆柱段和下圆台段构成，粗圆柱 段的一个端面与下圆台段的大直径端面连接，内梳齿状定子安装在定子座上，转子穿过内 梳齿状定子，内梳齿状定子的齿的齿顶的一个侧壁面与转子的下圆台段的周侧面相接触， 转子通过轴承安装在上盖上，粗圆柱段上套设有弹黃，弹黃的两端分别顶靠在轴承和内梳 齿状定子上，上盖与定子座连接为一体。
[000引本发明相比现有技术的有益效果是：本发明的内梳齿状定子克服了已有定子技术 在轴向尺寸短小的声电机微型化方向的不足之处，金属弹性体加工容易，特别适合用微细 加工技术制造，而压电陶瓷条加工极化容易，解决了超声电机在轴向尺寸短小化过程中定 子的加工难问题。本发明设计的微型超声电机采用了内梳齿状定子，微型超声电机的轴向 厚度方向尺寸得到很大减小，可W加工为3~6mm之间，而整体外径也可W限制在5~10mm 之间。微型超声电机具有轴向尺寸短，径向尺寸小，驱动频率低和驱动效率高的优点，转子 转速达到峰值时的最大驱动频率小于51赫兹，驱动效率提高了 50% -80%。
[0009] 本发明较大地促进了超声电机的中轴向尺寸微小化实用化。本发明在生物、医疗、 微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。
【附图说明】
[0010] 图1是【具体实施方式】一的四齿四支撑足内梳齿状定子的结构示意图，图2是四齿 四支撑足内梳齿状定子中的压电陶瓷片施加反相的激励信号的状态示意图，图3是四齿四 支撑足内梳齿状定子中的压电陶瓷片施加单相的激励信号的状态示意图，图4是具体实施 方式一的六齿六支撑足内梳齿状定子的结构示意图，图5是【具体实施方式】一的六齿=支撑 足内梳齿状定子的结构示意图，图6是六齿六支撑足内梳齿状定子中的压电陶瓷片施加反 相的激励信号的状态示意图，图7是六齿六支撑足内梳齿状定子中的压电陶瓷片施加单相 激励信号的状态示意图，图8是【具体实施方式】=的使用四齿四支撑足内梳齿状定子或六齿 六支撑足内梳齿状定子的微型超声电机的结构示意图，图9是图8的使用四齿四支撑足内 梳齿状定子的微型超声电机的俯视结构示意图，图10是图9的A-A剖面图，图11是图8中 的转子的结构示意图，图12是【具体实施方式】=的使用六齿六支撑足内梳齿状定子的微型 超声电机的俯视结构示意图，图13是【具体实施方式】走的使用内梳齿状定子的微型超声电 机的结构示意图，图14是图13中的转子的结构示意图，图15是本发明的微型超声电机转 速随频率变化示意图，图16是本发明的微型超声电机堵转力矩随电压变化示意图，图17是 本发明的微型超声电机工作原理示意图，图18是粘贴压电陶瓷片的定子的实物图，图19是 安装有四齿四支撑足定子的微型超声电机实物图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0011] 一；结合图1、图4和图5说明，本实施方式的一种内梳齿状定子包 括金属弹性体1和2N个压电陶瓷片2 ;金属弹性体1包括金属弹性本体1-1和2N个金属 梳状齿1-2,金属弹性本体1-1为中屯、有圆柱形空腔的多边形结构，圆柱形空腔的内侧面上 均布固接有2N个金属梳状齿1-2,每个金属梳状齿1-2的齿顶的一个侧壁面与转子22的外 周侧面相接触，每个金属梳状齿1-2对应多边形的一个边，压电陶瓷片2的极化面连接在与 金属梳状齿1-2相对应的金属弹性本体1-1的边上，其中N为正整数，且N为2-4。
[0012] 本实施方式的金属弹性体1为四齿四支撑足结构或六齿六支撑足结构或六齿= 支撑足结构。支撑足1-5与金属弹性本体1-1固接。六齿=支撑足结构的=支撑足相间呈 120°布置。
[0013] 压电陶瓷片都极化为一个表面为正极面，另一个表面为负极面。压电陶瓷片的厚 度为0. 2-1. 0mm，压电陶瓷片采用PZT4或PZT5或PZT8压电陶瓷片。
[0014] 本实施方式的金属梳状齿均匀分布在金属弹性本体圆柱形空腔的内侧面适当位 置（通常在一个波长的1/8和5/8,或3/8和7/8处），本实施方式的金属梳状齿犹如梳子 在圆柱形空腔内布置，齿的齿顶可为斜尖角形状，齿的一侧面可为一段斜面和一段直面的 组合，齿的另一侧为直面。2N个金属梳状齿1-2环绕转子布置，2N个金属梳状齿1-2通电 能推动转子周向转动，齿顶点在转子上作斜圆弧形运动，有切向运动分量。
【具体实施方式】 [0015] 二；结合图1、4和图5说明，本实施方式的多边形的边分为2N个长 边1-3和2N个短边1-4,长边1-3和短边1-4相间设置，压电陶瓷片2的极化面胶接在金属 弹性本体1的长边1-3上。
[0016] 本实施方式的短边1-4上安装支撑足1-5,可用耐热环氧树脂胶黏剂依次把具有 相同极性表面的压电陶瓷片2黏贴到金属弹性本体1-1的长边1-3上。
[0017] 如图2所示，当内梳齿状定子为四齿四支撑足结构时，四个压电陶瓷片2的负 极面粘接在与金属梳状齿1-2相对应的金属弹性本体1-1的长边1-3上，四个压电陶瓷 片2顺次施加正弦波（sin(?t))、负正弦波（-sin(ot))、正弦波（sin(?t))、负正弦波 (-sin(?t))的激励信号，可使金属弹性本体1-1产生4阶弯曲驻波振动，使施加负弦波压 电陶瓷片对应的齿远离，而施加正弦波压电陶瓷片对应的齿靠近。当激励信号W超声频率 交替变化时四个齿的靠近和远离动作呈现高频交替变化。
[001引如图3所示，当内梳齿状定子为四齿四支撑足结构时，四个压电陶瓷片2中的任意 正对的两个压电陶瓷片2为一组，两组压电陶瓷片2的极化面各自粘接在金属弹性本体1-1 的长边1-3上，两组压电陶瓷片2的粘接面的极性相反，四个压电陶