采用多层环形压电陶瓷的微电机的制作方法

本发明涉及压电驱动器、微特电机及微型驱动器领域，特别是指一种采用多层环形压电陶瓷的微电机。

背景技术：

微型电机一般是指尺寸(整体结构尺寸或者某一方向的尺寸)微小、定位精度(或者重复定位精度)高、能量消耗低、功率密度大的电机。目前，越来越多的研究以及工程应用领域对微型电机产生迫切的需求，而传统的绕线型电磁电机由于其复杂的结构而难以微型化。上世纪80年代后期，科研工作者利用硅的微加工技术，制造出了静电微电机，其直径可以到几百微米，引发了微电子机械系统(mems，microelectromechanicalsystem)领域微执行器的变革。但是，虽然其具有尺寸小、结构简单的优点，但是，其输出力还是相当的小。

因此，输出力矩大、结构简单的压电微电机正受到广泛的关注。由于采用高能量密度的压电陶瓷材料作为驱动机构，压电微电机可以直接驱动并保持输出力矩，从而可以省去变速装置及制动装置，更易于微型化、集成化。压电微电机有希望在广泛的领域内得到应用，如精密仪器、生物技术、微流体系统、医药、微型机器人等。

压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体产生超声频段的微幅振动，迫使接触面的质点产生类似椭圆轨迹、或周期性的往返曲线运动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子的旋转或直线运动。旋转运动的压电驱动器也称为压电电机。压电驱动器具有结构形式多样、位置精度高、惯性小、低噪声运行、响应快、断电自锁、不产生磁场亦不受电磁干扰等优点。由于具有以上诸多优点，压电驱动器在工业自动化、航空航天、医疗、生物工程等领域得到了大量的应用，并发挥了巨大的作用。

目前，现有的压电电机使用单层的压电陶瓷进行驱动，要产生一定大小的驱动力和驱动速度，需要相对较大的驱动电压(一般约为200v/mm)，这对于电机独立使用的场合或者自身体积较大的电机来说并没有太大的影响，但是，对于微型电机，其电机本身的体积较小，一般的应用场合是一些小型的电子产品，这时就需要电机的驱动电压要尽量的小，尽量要达到用cmos器件来直接驱动(驱动电压约5v)，而且，比较大的驱动电压还会导致电机使用时危险系数增大、高压对低压端的影响增大等不利影响。这时，利用传统的单层块状压电陶瓷就很难达到要求。

并且，现有的压电电机多采用同频率的双相电路驱动，对于双相电路来说，要保证双相电路频率在整个电机工作的时间段内保持较严格的相等是难以做到的，伴随着加工误差、电路电子元器件的误差、温度漂移现象等问题，会导致电机的稳定性较低。

另外，现有技术中，为了实现压电电机大扭矩输出，通常需要增加额外的电路结构才能实现，这样容易导致电机体积增大，而对于自身体积较小的微电机，实现大扭矩输出较为困难。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种具有低压驱动性、稳定性好、大扭矩输出的采用多层环形压电陶瓷的微电机。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种采用多层环形压电陶瓷的微电机，包括壳体，所述壳体的内部设置有定子和转子，所述定子包括定子圆环，所述定子圆环的一侧沿圆周方向均匀设置有至少两个用于驱动所述转子的触点，另一侧设置有用于驱动所述定子圆环运动的多层环形压电陶瓷，其中：

所述多层环形压电陶瓷均匀分为偶数个分区，相邻两个分区的极化方向相反，相邻两层的环形压电陶瓷的加电方向相反；

所述多层环形压电陶瓷的上下表面具有正电极和负电极，所述正电极也分为偶数个分区且与所述多层环形压电陶瓷的分区一一对应；

所述多层环形压电陶瓷的分区的数量为所述触点的数量的两倍，所述触点的位置对应于相邻两两正电极的分区之间的空白区。

进一步的，所述触点为斜角型触点。

进一步的，各层压电陶瓷及该层压电陶瓷对应的正负电极采用流延工艺生成，并叠加成多层压电陶瓷坯体，所述多层压电陶瓷坯体通过低温共烧技术烧结制成所述多层环形压电陶瓷。

进一步的，所述多层环形压电陶瓷中的各层压电陶瓷的正电极和负电极分别互连，使得所述多层环形压电陶瓷仅具有两个加电端子。

进一步的，所述壳体包括电机底壳和与所述电机底壳相连的电机上盖，所述定子设置在所述电机底壳中，所述转子的一端与所述定子对应设置，所述转子的另一端穿过所述电机上盖。

进一步的，所述转子上设置有台阶轴，所述台阶轴上套设有碟形弹簧对；

所述转子的转轴上套设有轴承，所述轴承挤压设置在所述碟形弹簧对上，所述的电机上盖上设置有放置所述轴承的轴承孔；

所述电机底壳的底部在所述定子的下方设置有硅胶垫片。

进一步的，所述定子圆环的边缘设置有定子定位凸起，所述电机底壳的内壁上设置有与所述定子定位凸起相配合的凹槽。

进一步的，所述触点为3个，所述多层环形压电陶瓷均匀分为6个分区。

进一步的，所述多层环形压电陶瓷通过环氧树脂胶与所述定子圆环粘接。

进一步的，所述定子圆环、触点、定子定位凸起为用铜加工而成的一体结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，采用多层环形压电陶瓷对微电机进行驱动，本发明的多层环形压电陶瓷的主运动方向为周向运动方向，加电方向与主运动方向垂直，因此，多层环形压电陶瓷为d31工作模式，对于工作在d31工作模式下 的多层压电陶瓷，变形量与电压的关系为δl＝d31×(u33×l)/t，其中，δl为多层压电陶瓷加电后的变形，d31为压电陶瓷的压电-变形系数，u33为沿着单层压电陶瓷极化方向所加的电压信号的幅值。根据上述的公式可知，当压电陶瓷为单层块状压电陶瓷时，t值比较大，要想达到一定的变形量δl，需要增加驱动电压u33，当压电陶瓷为多层块状压电陶瓷时(当层数一般为几十到几百层时)，那么t值则为原来的几十到几百分之一，要想达到相同的变形量δl，则需要的驱动电压u33仅需要为原来的几十到几百分之一的大小，因而可以大大的减小电机的驱动电压；

并且，本发明的多层环形压电陶瓷的相邻两个分区的极化方向相反，这样，在对多层环形压电陶瓷供电时，相邻的两个分区采用单相电路驱动，即可使相邻两个分区压电陶瓷的产生反方向形变，避免了现有技术中采用同频率的双相电路驱动带来的稳定性低的问题；

不仅如此，本发明采用多层环形压电陶瓷的驻波工作原理，使微电机利用多层压电陶瓷输出力相互叠加的特性，即可实现大推力输出，使微电机具有大扭矩输出的特性。

综上，与现有技术相比，本发明具有低压驱动性、稳定性好和大扭矩输出的特点。

附图说明

图1为本发明的采用多层环形压电陶瓷的微电机的结构示意图；

图2为本发明的采用多层环形压电陶瓷的微电机的定子圆环的结构示意图；

图3中的图3a为本发明的采用多层环形压电陶瓷的微电机的多层环形压电陶瓷的正电极一侧的电极区布置形式和极化方向示意图；

图3中的图3b为本发明的采用多层环形压电陶瓷的微电机的多层环形压电陶瓷的侧视图；

图3中的图3c为本发明的采用多层环形压电陶瓷的微电机的多层环形压电陶瓷的负电极一侧的电极区布置形式；

图4为本发明的采用多层环形压电陶瓷的微电机的多层环形压电陶瓷的分层结构示意图；

图5为本发明的采用多层环形压电陶瓷的微电机的定子和转子展开图及工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种采用多层环形压电陶瓷的微电机，如图1所示，包括壳体，壳体的内部设置有定子和转子1，定子包括定子圆环5，定子圆环5的一侧沿圆周方向均匀设置有至少两个用于驱动转子1的触点51，另一侧设置有用于驱动定子圆环5运动的多层环形压电陶瓷6，其中：

多层环形压电陶瓷6均匀分为偶数个分区，相邻两个分区的极化方向相反，相邻两层的环形压电陶瓷的加电方向相反；

多层环形压电陶瓷6的上下表面具有正电极和负电极，正电极也分为偶数个分区且与多层环形压电陶瓷6的分区一一对应；

多层环形压电陶瓷6的分区的数量为触点51的数量的两倍，触点51的位置对应于相邻两两正电极的分区之间的空白区。

本发明中，采用多层环形压电陶瓷6对微电机进行驱动，本发明的多层环形压电陶瓷的主运动方向为周向运动方向，加电方向与主运动方向垂直，因此，多层环形压电陶瓷为d31工作模式，对于工作在d31工作模式下的多层压电陶瓷，变形量与电压的关系为δl＝d31×(u33×l)/t，其中，δl为多层压电陶瓷加电后的变形，d31为压电陶瓷的压电-变形系数，u33为沿着单层压电陶瓷极化方向所加的电压信号的幅值。根据上述的公式可知，当压电陶瓷为单层块状压电陶瓷时，t值比较大，要想达到一定的变形量δl，需要增加驱动电压u33，当压电陶瓷为多层块状压电陶瓷时(当层数一般为几十到几百层时)，那么t值则为原来的几十到几百分之一，要想达到相同的变形量δl，则需要的驱动电压u33仅需要为原来的几十到几百分之一 的大小，因而可以大大的减小电机的驱动电压；

并且，本发明的多层环形压电陶瓷6的相邻两个分区的极化方向相反，这样，在对多层环形压电陶瓷6供电时，相邻的两个分区采用单相电路驱动，即可使相邻两个分区压电陶瓷的产生反方向形变，避免了现有技术中采用同频率的双相电路驱动带来的稳定性低的问题；

不仅如此，本发明采用多层环形压电陶瓷6的驻波工作原理，使微电机利用多层压电陶瓷输出力相互叠加的特性，即可实现大推力输出，使微电机具有大扭矩输出的特性。

综上，与现有技术相比，本发明具有低压驱动性、稳定性好和大扭矩输出的特点。

如图2所示，触点51为斜角型触点51。使本发明具有单相旋转性。

现有的电磁电机以及大部分的压电电机，都具有双向旋转性，即通过交换电源输出端的两路(或三路)信号，即可实现电机的换向旋转，这在大部分的实际应用中是必须的，但是，在一些特殊的应用场合，往往存在着不需要或者必须不能具有双向旋转性的应用要求，本发明提供了一种具有单向旋转性的压电微型电机，以解决一些特殊应用场合对于单向旋转微电机的特殊需求。本发明中，定子圆环5上采用了斜角型触点51，即使在交换两路电压信号接线后，微电机也不会发生换向转动，实现了单向旋转工作。

本发明中，如图3-4所示，各层压电陶瓷及该层压电陶瓷对应的正负电极采用流延工艺生成，并叠加成多层压电陶瓷坯体，多层压电陶瓷坯体通过低温共烧技术烧结制成多层环形压电陶瓷6。

作为本发明的改进，多层环形压电陶瓷6中的各层压电陶瓷的正电极和负电极分别互连，使得多层环形压电陶瓷6仅具有两个加电端子。

具体的，可以在多层环形压电陶瓷6的每一个分区电极上均焊有导线，并且将每一个分区电极上焊接的导线均连接在一起，在多层环形压电陶瓷6的整区电极上也焊有导线，这样，所有的导线最终形成两个电端子。本发明加电时，可以在两个电端子上施加一定频率的正弦电压信号或者锯齿 波形电压信号，施加电压信号的频率接近微电机定子的谐振频率。

作为本发明的一种改进，如图1所示，壳体可以包括电机底壳3和与电机底壳3相连的电机上盖2，定子设置在电机底壳3中，转子1的一端与定子对应设置，转子1的另一端穿过电机上盖2。

本发明中，电机底壳3和电机上盖2通过螺纹连接。电机上盖2和电机底壳3在连接处分别设置有内、外螺纹，电机上盖2和电机底壳3通过内、外螺纹连接在一起，同时，通过调节电机上盖2和电机底壳3之间的螺纹连接的松紧程度，可以调节电机转子1和定子圆环5之间的预紧力，达到调节电机预紧力的作用。

作为本发明的进一步改进，如图1所示，转子1上设置有台阶轴，台阶轴上套设有碟形弹簧对7；

转子1的转轴上套设有轴承8，轴承8挤压设置在碟形弹簧对7上，的电机上盖2上设置有放置轴承8的轴承孔；

电机底壳3的底部在定子的下方设置有硅胶垫片4。

本发明中，硅胶垫片4可以采用高阻尼材料，该材料的硅胶垫片4具有对电机定子进行柔性约束的作用，本发明中的硅胶垫片4除了采用硅胶材料以外，还可以采用本领域技术人员公知的其他可代替的高阻尼性材料，也能够实现本发明的技术效果。

本发明中，如图2所示，定子圆环5的边缘可以设置有定子定位凸起52，电机底壳3的内壁上可以设置有与定子定位凸起52相配合的凹槽。定子定位凸起52放置于凹槽中，能够起到定子圆环5径向和周向的定位。

本发明中，多层环形压电陶瓷6可以均匀分为数量大于2的偶数个分区，如4个分区、6个分区或8个分区等，触点51数量为分区数量的一半，优选的，触点51为3个，多层环形压电陶瓷6均匀分为6个分区。

优选的，多层环形压电陶瓷6可以通过环氧树脂胶与定子圆环5粘接。

为了增强定子的机械性能，定子圆环5、触点51、定子定位凸起52为用铜加工而成的一体结构。

作为本发明的进一步改进，每一层压电陶瓷的厚度可以约为50μm， 相邻两层的环形压电陶瓷共用同一个电极。

下面，本发明结合附图提供一个完整的实施例：

本发明的结构，如图1所示，包括电机底壳3、电机上盖2、定子圆环5、多层环形压电陶瓷6、电机转子1、硅胶垫片4、碟形弹簧对7、轴承8。多层环形压电陶瓷6通过环氧树脂胶与定子圆环5粘接在一起，形成电机定子。电机底壳3中设置有硅胶垫片4，电机定子设置在硅胶垫片4上，电机转子1设置在电机定子的定子圆环5上，碟形弹簧对7套设在电机转子1的台阶轴上，轴承8套设在电机转子1的转轴上并与碟形弹簧对7产生挤压，电机上盖2上加工有设置轴承8的轴承孔，轴承8设置在电机上盖2的轴承孔中。电机上盖2和电机底壳3分别加工有内、外螺纹，电机上盖2和电机底壳3通过内、外螺纹连接在一起，同时，通过调节电机上盖2和电机底壳3之间的螺纹连接的松紧程度，可以调节电机转子1和定子圆环5之间的压力，从而达到调节电机预紧力的目的。

定子圆环5的结构，如图2所示，包括定子圆环5基体、3个均匀地设置在定子圆环5一侧的斜角型触点51和3个均匀地设置在定子圆环5基体边缘的定子定位凸起52。定子圆环5基体、斜角型触点51和定子定位凸起52是用铜加工而成的一体结构。电机底壳3的内壁上加工有用于与定子圆环5的定子定位凸起52相配合的凹槽，定子圆环5的定子定位凸起52放置于凹槽中，起到定子圆环5径向和周向的定位作用。

多层环形压电陶瓷6的整体结构图，如图3中的图3a、3b、3c所示，多层环形压电陶瓷6为圆环型的压电陶瓷，多层环形压电陶瓷6的两侧底面上刷有高温银电极。多层环形压电陶瓷6的正电极一侧的高温银电极为均匀六分区电极，六分区电极依次为图3a中的631、641、651、661、671和681，图3a中的加号(+)和减号(-)均表示各分区的多层环形压电陶瓷6的极化方向。多层环形压电陶瓷6的负电极一侧的高温银电极为整区电极，即图3b中的691。

多层环形压电陶瓷6的内部结构，如图4所示，多层环形压电陶瓷6为分区-插指型结构。601、602和603为压电陶瓷层，631为压电陶瓷层 601的六分区正电极层，632为压电陶瓷层602的六分区正电极层，692为压电陶瓷层601和602的公共的整区负电极层，压电陶瓷层601与602反向设置，691为压电陶瓷层603的整区负电极层，压电陶瓷层603的六分区正电极层为与压电陶瓷层602公用的六分区正电极层632。因此，可以看出，相邻两层的环形压电陶瓷的加电方向相反。本发明中，压电陶瓷层和电极层通过流延工艺生成，并叠加成多层压电陶瓷坯体，多层压电陶瓷坯体通过低温共烧技术烧结，最终形成所需的多层环形压电陶瓷6。

上述实施例的微电机的工作原理：

如图5所示，为电机定子(包括定子圆环5和多层环形压电陶瓷6)和转子1沿着圆周方向的展开图。其中，电机的定子圆环5、多层环形压电陶瓷6和电机转子1分别为图5中的5、6和1。

多层环形压电陶瓷6的六个分区极化方向分别相反，如极化方向61所示。定子圆环5与多层环形压电陶瓷6通过环氧树脂胶水粘接在一起，在粘接时，多层环形压电陶瓷6的电极691与定子圆环5没有触点51的一面进行粘接，而且要保证，多层环形压电陶瓷6分区电极的一面上两电极分区之间的留白处(无电极的空白区)要与定子圆环5的触点51对齐。多层环形压电陶瓷6的每一个分区电极上均焊有导线，并且所有导线均连接在一起，在多层环形压电陶瓷6的整区电极上也焊有导线，所有的导线最终形成两个电端子。

将正弦电压信号u＝asin(ωt)加载在上述的两个电端子上，这时，定子圆环5和多层环形压电陶瓷6形成的电机定子会产生如图5所示的变形：由于相邻的两个电极分区之间的压电陶瓷极化方向相反，所以相邻的两个压电陶瓷分区的变形相反，即一个分区伸长时，另一个分区会变短，又由于定子圆环5本身不会自发变形，定子圆环5在多层环形压电陶瓷6的作用下发生变形，所以整体上微电机会形成连续的弯曲变形。当驱动电压信号u＝asin(ωt)的频率接近电机定子的谐振频率时，电机定子的振幅会得到大幅度的增大。由于定子圆环5的触点51与定子圆环5基体一直保持垂直状态，在定子圆环5弯曲的波节点位置处，定子圆环5的弯曲状态达到 最大值，由于触点51设置在定子圆环5弯曲的节点位置，此时，触点51达到右侧摆动的最大值，触点51的顶端处获得最大的横向位移量。在施加一个完整周期的正弦驱动电压信号u＝asin(ωt)后，触点51在与转子1接触的部分产生近似斜直线的振动轨迹，该振动轨迹通过定子圆环5上的触点51与电机转子1之间的摩擦力推动电机转子1产生旋转运动。

上述，具体实施例带来如下有益效果：

1、采用了多层压电陶瓷结构，在保证驱动力和驱动速度不变的情况下，会使得驱动电压相对较小，使本发明具有低压驱动性；

2、由于电机在工作时只需要施加一路电压信号，可以避免由于多相驱动带来的工作不稳定的问题，具有稳定性好的特点；

3、采用多层环形压电陶瓷6的驻波工作原理，使微电机利用多层压电陶瓷输出力相互叠加的特性，促使3个触点51同时工作，同时对电机转子1进行摩擦力推动，使输出力并联叠加，实现大推力输出，使微电机具有大扭矩输出的特性；

4、本发明的定子圆环上由于采用了斜角型触点51，在交换两路电压信号接线后，微电机并不会发生换向旋转，能够实现单向旋转工作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。