专利名称：压电方柱弯曲振动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摇头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。
现有的两种激励弯曲摇头振动方式如图2和图4所示图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Sinwt信号，B相输入Coswt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sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt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。
上述两种弯曲振动模态超声微电机的主要优势就是易于实现微型化和产业化。到目前为止做的最小的超声微电机是清华大学的直径为1mm的摇头电机，该电机用压电陶瓷圆柱来激励电机的弯曲振动。由于前者压电片要考虑内径，所以要进一步小型化比较困难；后者压电圆柱微电机虽然可以做的很细，但由于电极表面呈弧形，极化工艺困难。
本发明的目的是为克服已有技术在微型化方向上的不足之处，提出一种压电方柱超声微电机，其特点是以压电方柱为激励弯曲振动的压电元件。它不需要考虑内径，可以做的非常小；电极表面为平面，极化容易操作。其微电机直径可达0.3mm左右，可将超声微电机的应用推向一个新的阶段。
本发明提出的一种基于压电方柱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，所说的激励弯曲振动的压电陶瓷元件为压电方柱，该压电方柱四个外壁均涂有均匀分布的供极化和激励振动所用的外电极。
本发明的特点及效果本发明设计的超声微电机可加工的尺寸为0.1mm到6mm之间，大大的促进了超声微电机的微型化。在输入电信号峰峰值约3-6V时，转子可以在定子表面上明显转动起来。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为本发明的压电方柱分极示意图。
图7为本发明的压电方柱外壁横截面极化实施例示意图。
图8为图7的压电方柱通电流激励弯曲摇头振动方式示意图。
图9为压电方柱超声微电机实施例一——磁力定位电机结构示意图。
图10为压电方柱超声微电机实施例二——力矩轴输出电机结构示意图。
图11为压电方柱超声微电机实施例三——固定轴电机结构示意图。
图12为压电方柱超声微电机实施例四——外壳卡定电机结构示意图。
图13为压电方柱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为压电方柱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。
具体实施例方式
本发明的压电方柱超声微电机结合六种实施例结构各附图详细说明如下本发明的压电方柱超声微电机六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四份银电极61的压电方柱，如图6所示。各实施例压电方柱的极化和激励方法按图7(a)方式或图7(b)方式加高压直流电极化，极化后该陶瓷就具有特殊方向的压电效应。使用时在四份电极81、82、83和84上分别加sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt四路交流电信号如图8(a)或在85，87上加sinωt、在86，88上加cosωt两路交流电信号如图8(b)，则根据压电陶瓷的逆压电效应，就可激励该压电方柱产生所需的弯曲摇头振动。
六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。
本发明的六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91做转子，压电方柱93和凹形磁性金属匹配块92用强力胶粘结形成一体，共同构成电机的定子。磁性钢球转子放置在金属匹配块凹面中。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凹形圆孔。将轴101从下到上穿过匹配块后再将匹配块104与压电方柱105在107处胶粘，这样匹配块104与压电方柱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。压电方柱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。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。在压电方柱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。压电方柱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，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，其特点是压电方柱131通过与其相连的夹持部件135和136固定到相应的物体上。压电方柱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，压电方柱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。压电方柱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。
权利要求
1.一种基于压电方柱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压电方柱，该压电方柱四个外壁表面涂有供极化和激励振动所用的四份外电极。
2.如权利要求1所述的超声微电机，其特征在于，所述的四份外电极由其中相邻一对电极通入高压直流电，另一对电极接地进行极化而成，在相对的两电极(85、87)上同时分别加sinωt、在另两个电极(86、88)上加cosωt交流电信号。
3.如权利要求1所述的超声微电机，其特征在于，所述的四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，在四份电极(81、82、83和84)上同时分别加sinωt、cosωt、-sinωt、-cosωt四路交流电信号。
4.如权利要求1、2或3述的超声微电机，其特征在于，采用磁性钢球(91)做转子，压电方柱(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；磁性钢球转子放置在金属匹配块凹面中，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，磁性转子和磁性匹配块之间设有调整吸力大小的非磁性垫片。
5.如权利要求1、2或3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(104)粘接成一体的压电方柱(105)构成，所述的转子(103)置于定子匹配块104之上并与轴101通过键卡合。预压力由套在轴(101)的凸盘下的小弹簧(102)提供，力矩由轴(101)直接输出。
6.如权利要求1、2或3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)，与匹配块粘接的压电方柱(114)构成，所述的转子(112)套在定子匹配块113的固定轴(1130)上，该固定轴(1130)连有一凸盘，用于顶住套于轴上的小弹簧(111)，由该小弹簧111提供预压力，力矩由转子直接输出。
7.如权利要求1、2或3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压电方柱(125)，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)通过橡胶垫(121)和聚四氟圈(127)从金属外壳(120)上的孔中伸出，所述压电方柱(125)下端表面粘接在金属外壳的底座(126)上，力矩由轴直接输出。
8.如权利要求1、2或3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)的压电方柱(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，转子直接或与转子相连的轴输出力矩。
9.如权利要求1、2或3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)的压电方柱(131)构成，该突起物(132)通过与其侧面相连的摩擦片(137)与转子(133)接触，转子直接或与转子相连的轴输出力矩。
全文摘要
本发明涉及一种基于压电方柱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压电方柱，该压电方柱四个外壁表面涂有供极化和激励振动所用的四份外电极。本发明的电机可加工的尺寸范围广，可小到0.1mm，大大的促进了超声微电机的微型化。在输入电信号峰峰值约3－6V时，转子可以在定子表面上明显转动起来。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H02N2/10GK1610236SQ200410091130
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月19日 优先权日2004年11月19日
发明者周铁英, 陈宇, 鹿存跃 申请人:清华大学