一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声电机，具体涉及一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，属于机械电子技术领域。
【背景技术】
[0002]作为一种新型微特电机，压电超声电机与传统电磁式微特电机相比，无需减速机构、结构简单，能直接输出低转速大力矩，且瞬态响应快、功率密度大，无电磁干扰、设计形式灵活、易实现微型化等优势，在航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用前景。
[0003]经对现有技术的文献检索发现，近年来，旋转型超声电机在模型、结构等方面取得了众多进展，但目前仍存在效率低，功率密度小，驱动电压高，温升高等问题，不能完全满足航天、生物医学等领域的实际需要。不同的材料和不同的振动模式有着不同的机电耦合系数。选择新的具有高机电耦合系数、大压电系数的材料和振动模式对电机的效率提高有着决定性的影响。行波式旋转型超声电机是目前超声电机研宄和应用最广的类型之一，南京航空航天大学卢小龙等在《IEEE Transact1ns on Ultrasonics, Ferroelectrics, andFrequency Control》(2011 年 58 卷第 12 期第 2708-2719 页)发表的《Analyses of thetemperature field of traveling-wave rotary ultrasonic motors〉〉对行波方定车专超声电机的温度场进行了研宄，表明行波旋转超声电机的不足在于:无法进一步微型化、机电耦合效率低、高驱动电压和高电机温升。已报道的微型旋转超声电机主要为柱式。南京航空航天大学朱华等在《Frontier Mechanical Engineering in China)) (2007 年 2 卷第 4 期第394 - 398 页)发表的〈〈Investigat1n on a cylindrical ultrasonic micromotor〉〉对柱状超声微电机进行了研宄，这种超声电机采用了 PZT片激励的以金属管作为定子，通过弯振的叠加，产生扭曲运动，其不足在于:机电耦合系数很低，为0.16，输出扭矩和功率密度很低，驱动电压高。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术的不足以及精密驱动和生物医学工程应用的需要，提出一种基于压电单晶面切模式的低压高效驱动的柱状旋转超声微电机。本发明利用[011]。极化压电单晶面切模式具有超大压电系数、高功率密度、高机电耦合系数的优势，通过定子结构设计，在激励频率驱动下，由四个压电单晶面切模式的压电振子在轴向方向驱动转子作旋转运动，得到低压高效低热驱动的柱状超声微电机，满足适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。
[0005]本发明是通过以下技术方案来实现的:
[0006]一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，由定子组件和转子组件构成，定子组件包括至少四个压电单晶面切模式振子、用于支承振子的定子支架，振子的形状为方形平板状，定子支架的外部形状为正多棱柱，振子的上表面和下表面均镀有电极，各个振子的上表面所在平面分别与正多棱柱的各个侧面重合，电机的转轴线与正多棱柱的中心线重合。
[0007]优选地，振子为四个，每个振子都与相邻的两个振子垂直。
[0008]优选地，转子组件包括转子、转子轴、轴承；转子、转子轴、轴承为同心结构；转子轴与轴承的内圈固定，轴承的外圈紧固定在定子支架上。
[0009]优选地，转子与振子的驱动足紧密接触以使振子有预压力作用在转子上。
[0010]更优选地，轴承包括第一轴承和第二轴承。
[0011]优选地，转子、第一轴承、第二轴承为同心结构；转子轴与第一轴承和第二轴承的内圈紧配合装配，第一轴承与第二轴承的外圈紧配合装配在定子支架上。
[0012]优选地，振子材料为铁电单晶材料。
[0013]更优选地，铁电单晶材料为PZN-PT、PMN-PT, PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。
[0014]与现有技术相比，本发明利用新型压电单晶材料面切模式具有超大压电系数、高功率密度和高机电耦合系数的优势，设计构造低压高效低热驱动的柱状超声微电机。该超声电机功率密度高、效率高、驱动电压低、发热量极低，结构简单、在微型化情况下保持较大的输出力。适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。
【附图说明】
[0015]图1是本发明一个较佳实施例的旋转超声微电机的结构示意图；
[0016]图2是图1所示的旋转超声微电机A-A面的剖视图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0018]如图1和图2所示，本实施例旋转超声微电机包括:转子轴1、转子2、第一压电单晶面切模式振子3、第二压电单晶面切模式振子4、第三压电单晶面切模式振子5、第四压电单晶面切模式振子6、定子支架7、第一轴承8、第二轴承9。其中四个压电单晶面切模式振子上下表面镀有电极。振子朝向转子轴的面为其下表面，另一面为上表面。
[0019]旋转超声微电机由定子组件和转子组件构成。定子组件由第一压电单晶面切模式振子3、第二压电单晶面切模式振子4、第三压电单晶面切模式振子5、第四压电单晶面切模式振子6和定子支架7组成。转子组件由转子轴1、转子2、第一轴承8和第二轴承9组成。
[0020]第一压电单晶面切模式振子2、第二压电单晶面切模式振子3、第三压电单晶面切模式振子4、第四压电单晶面切模式振子5分别置于定子支架7四个面，相邻压电单晶面切模式振子夹角相互垂直，且压电单晶面切模式振子中心线与转子轴I中心线平行。转子2与四个压电单晶振子驱动足紧密接触以使四个压电单晶振子以一定的预压力作用在转子2上。转子2、第一轴承8、第二轴承9与转子轴I为同心结构，转子轴I与第一轴承8、第二轴承9内圈紧配合装配，第一轴承8和第二轴承9外圈紧配合装配在定子支架7上，保证同心度。
[0021]本实施例具体工作的实现包括以下过程:
[0022]当第一压电单晶面切模式振子2、第二压电单晶面切模式振子3、第三压电单晶面切模式振子4、第四压电单晶面切模式振子5被同时施加一定频率的激励信号时，在每个压电单晶振子激发出相应的面切振型，驱动足端部产生斜线运动，且四个压电单晶振子形成斜线运动为同一方向，从而通过摩擦力驱动转子2绕转子轴I旋转，并在转子轴I输出一定的输出力矩的正向圆周运动。当改变第一压电单晶面切模式振子2、第二压电单晶面切模式振子3、第三压电单晶面切模式振子4、第四压电单晶面切模式振子5的激励区域，并同时施加相同激励频率的驱动信号时，驱动足端部产生相反方向的斜线运动，并在转子轴I输出一定的输出力矩的反向圆周运动。
[0023]由上述实施例可以看出，通过控制四个压电单晶面切模式振子的激励方式，在逆压电效应下压电振子激发相应的面切振型，由驱动足通过摩擦力驱动转子沿圆周旋转运动。该超声微电机机电耦合效率高2.8倍(约0.6)、驱动电压低40-200倍、温升低10度以上，驱动简单、输出力矩大、功率密度高，在微型化情况下能保持较大的输出力，尤其适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。
[0024]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，由定子组件和转子组件构成，其特征在于，所述定子组件包括至少四个压电单晶面切模式振子、用于支承所述振子的定子支架，所述振子的形状为方形平板状，所述定子支架的外部形状为正多棱柱，所述振子的上表面和下表面均镀有电极，各个所述振子的上表面所在平面分别与所述正多棱柱的各个侧面重合，电机的转轴线与所述正多棱柱的中心线重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，其特征在于，所述振子为四个，每个振子都与相邻的两个振子垂直。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，其特征在于，所述转子组件包括转子、转子轴、轴承；所述转子、所述转子轴、所述轴承为同心结构；所述转子轴与所述轴承的内圈固定，所述轴承的外圈固定在所述定子支架上。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，其特征在于，所述转子与所述振子的驱动足紧密接触以使所述振子有预压力作用在所述转子上。
5.根据权利要求3所述的一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，其特征在于，所述轴承包括第一轴承和第二轴承。
6.根据权利要求5所述的一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，其特征在于，所述转子、所述第一轴承、所述第二轴承为同心结构；所述转子轴与所述第一轴承和所述第二轴承的内圈紧配合装配，所述第一轴承与所述第二轴承的外圈紧配合装配在所述定子支架上。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，其特征在于，所述振子材料为铁电单晶材料。
8.根据权利要求7所述的一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，其特征在于，所述铁电单晶材料为PZN-PT、PMN-PT, PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。
【专利摘要】本发明公开了一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，由定子组件和转子组件构成，定子组件包括四个振子和定子支架，振子的形状为方形平板状，定子支架的外部形状为正多棱柱，振子的上下表面均镀有电极，上表面所在平面分别与同一个正多棱柱的各个侧面重合，电机的转轴线与正多棱柱的中心线重合。通过控制压电振子的激励方式激发出面切模式，并通过驱动足驱动转子旋转运动。本发明利用新型压电单晶材料面切模式具有的优势，设计构造低压高效低热驱动的柱状超声微电机。该超声电机功率密度高、效率高、驱动电压低、发热量极低，结构简单、在微型化情况下保持较大的输出力，适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。
【IPC分类】H02N2-12
【公开号】CN104852628
【申请号】CN201510272485
【发明人】李世阳, 杨明, 鹿存跃
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月25日