專利名稱：開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于超聲應用領域，特別涉及一種微型化的超聲波電機的結構設計。
背景技術：
壓電超聲電機是利用壓電材料的逆壓電效應，采取特定的結構制成的驅動機構，它一般由定子、轉子以及預壓力機構等功能部件構成。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應，在定子表面產生超聲振動，并由定子與轉子之間的摩擦力驅動轉子運動。超聲電機具有以下優于普通電磁電機的特點1、低轉速、大轉矩，不需要減速機構可直接驅動負載；2、體積小、結構靈活，功率體積比是電磁電機的3-10倍；3、起動停止響應快，響應時間小于1毫秒；4、不產生電磁干擾，也不受電磁干擾；5、有自保持力矩，無齒輪間隙，可精密定位；6、運行安靜無噪聲。
彎曲振動模態超聲波電機是超聲電機的一種，它的結構相對別的超聲電機簡單，同樣主要由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子(或動子)以及給轉子(或動子)加壓的預壓力機構等組成，所述定子又主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構成。彎曲振動模態超聲波電機的傳動原理如圖1所示，定子處于圓周搖頭的振動方式，定子11與環狀轉子12之間有一很小的間隙，傳動時定子邊彎曲邊搖頭運動，因此定、轉子之間有切點接觸，其接觸點在定子的外圓周邊上移動，依次，定、轉子間的摩擦力使轉子沿與接觸點移動方向相反的方向轉動。
常見的彎曲振動模態超聲波電機定子振動的激勵方式有兩種，第一種利用壓電陶瓷的d33效應，在極化方向施加電場，使壓電陶瓷產生沿極化方向的形變；第二種利用壓電陶瓷的d31效應，在極化方向施加電場，使壓電陶瓷產生沿與極化方向的垂直的形變。圖2是采用壓電陶瓷的d33壓電效應的彎曲搖頭超聲電機的激勵方式和結構示意圖，該種電機已經比較成熟，它利用壓電陶瓷的d33效應進行定子的彎曲振動激勵，從而激發出定子的搖頭振動。該電機的壓電陶瓷的極化和激勵如圖2(a)所示，該定子所用的壓電陶瓷元件為4片壓電片，在同一壓電片上以直徑對稱分兩半反相極化，通A相電流的兩片壓電片211和通B相電流的兩片壓電片212空間垂直排列，采用朗之萬夾心結構組成定子，同時A相輸入Sinωt信號，B相輸入Cosωt信號，這樣采用時間和空間各90度相位差來激勵彎曲振動；這種壓電片激勵的彎曲振動模態超聲波電機結構如圖2(b)所示，上下匹配塊226、228夾緊4片壓電陶瓷片227后共同構成電機的定子，置于定子上的225為轉子，其中空部位有施加預壓力的彈簧224，力矩通過齒輪223輸出，222為聚四氟乙烯套，起軸承的作用，221為墊圈，229為主軸。
彎曲振動模態超聲波電機的主要優勢就是易于實現微型化和產業化。棒狀搖頭型超聲電機已經產業化，但電機的直徑一般都比較大；在手機，醫療及航天等領域的應用還受到限制。
圖3為Kenji Uchino等人發明的定子為半圓半方結構的搖頭型超聲電機，其直徑僅為1.6mm。在金屬筒31的兩個垂直側面上分別粘貼沿厚度方向極化的壓電陶瓷片32、33，構成定子，如圖3(a)所示。壓電陶瓷激勵出定子的搖頭運動，驅動轉子34帶動輸出軸35轉動。33為預壓力調節彈簧，如圖3(b)所示，依次在電極31、32上通入sinωt，cosωt信號激勵。利用了壓電陶瓷的d31壓電效應在定子上激勵出彎曲振動。
以圖3結構為基礎，當金屬體45的另外兩面，即四面均貼壓電陶瓷片41、42、43、44時，構成一個致動器，如圖4所示。添加轉子系統，可以構成搖頭型超聲電機，可得到比圖3結構的搖頭型超聲電機更大的輸出扭矩/力。
雖然壓電陶瓷管和金屬復合管柱方案有利于超聲電機結構的微型化。但在致動器或電機結構尺寸較小時，振子的彎振幅也較小，不能有效驅動。為了增大彎振幅，必須減小金屬體的直徑，也因此減小了貼片陶瓷的尺寸，降低輸出扭矩/力。

發明內容
本實用新型為了克服已有技術存在的上述問題，提出一種開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，利用壓電陶瓷的d31效應激勵定子的彎曲振動模態。具有在不減小貼片陶瓷尺寸的前提下降低定子的剛度，增大彎`振幅的優點。
本實用新型提出的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子或動子以及給轉子或動子加壓的預壓力機構組成，其特征在于，所述定子主要由激勵振動的金屬方柱和壓電陶瓷片組成的金屬壓電陶瓷復合方柱與匹配塊構成，在所述金屬方柱的4個棱角位置沿軸向開有四個槽，所述壓電陶瓷片粘結在金屬方柱的兩個或四個側面上，沿著厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵電極的表面涂有供極化和激勵用的外電極。
所述金屬方柱可為空心方柱或實心方柱。
所述的金屬方柱所開的槽，可為圓形槽、矩形槽、異型槽或直角槽等任何一種形狀。
所述金屬壓電陶瓷復合方柱采用2片壓電陶瓷片時，2片壓電陶瓷片分別粘結到金屬方柱相鄰的兩個側面，分別加sinωt和cosωt激勵電信號(可在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
所述金屬壓電陶瓷復合方柱采用4片壓電陶瓷片時，4片壓電陶瓷片分別粘結到金屬方柱的四個側面，可使相對的壓電陶瓷片極化方向相反(相對于金屬柱粘貼表面的法方向)，四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，sinωt，cosωt激勵電信號(可在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
所述金屬壓電陶瓷復合方柱采用4片壓電陶瓷片時，4片壓電陶瓷片分別粘結到金屬方柱的四個側面，還可使相對的壓電陶瓷片極化方向相同(相對于金屬柱粘貼表面的法方向)，四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt激勵電信號(可在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
所述壓電陶瓷片可采用4片，粘結到金屬方柱的四個側面，一組相對的壓電陶瓷片極化方向相同(相對于金屬柱粘貼表面的法方向)，另一組相對的壓電陶瓷片極化方向相反，若四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，cosωt激勵電信號，則兩個cosωt信號加在極化方向相反的兩片陶瓷上，若依序施加sinωt，cogωt，sinωt，-cosωt激勵電信號，則兩個sinωt信號加在極化方向相反的兩片陶瓷上(在定子上激勵出相互垂直的兩個彎曲振動模態，定子的端部和中部均產生橢圓振動)。
上述sinωt(或-sinωt)激勵信號和cosωt(或-cosωt)激勵信號交換，則彎曲搖頭振動反向，電機運動反向。
本實用新型施加電場的目的是在定子上激勵出兩個空間相位差為90度的彎曲振動，定子的兩個彎曲振動合成為定子的搖頭運動。此時定子上用于驅動轉子的表面上的點的運動軌跡為一個橢圓，從而可以驅動轉子/動子運動。
本實用新型的特點及效果本實用新型設計的超聲電機由于在金屬方柱的棱角處沿軸線開有四個槽，可在不減小貼片陶瓷尺寸的前提下降低定子的剛度，增大彎振幅。
本實用新型具有壓電陶瓷易于極化，極化工藝簡單且能夠保證激勵電場垂直于極化方向，效率較高的優點。
本實用新型可使電機尺寸加工的很小，促進超聲電機的微型化；將在生物、醫療、微機械、國防科技等方面有著廣闊的應用前景。


圖1為一般采用彎曲振動模態超聲波電機的傳動原理示意圖。
圖2為已有的采用壓電陶瓷的d33壓電效應的彎曲搖頭超聲電機示意圖；其中圖2(a)為壓電陶瓷的極化和激勵，圖2(b)為電機的結構示意圖。
圖3為已有的采用壓電陶瓷的d31壓電效應的彎曲搖頭超聲電機的結構示意圖；其中圖3(a)為壓電陶瓷的極化和分區，圖3(b)為電機結構；圖4為從圖3結構演變出的四面貼壓電陶瓷片的微電機的定子的結構和激勵形式示意圖。
圖5為本實用新型微電機的定子的結構和激勵形式示意圖。
其中圖5(a)為四側面均貼壓電陶瓷片的金屬方柱及其極化和激勵方式，圖5(b)為開槽的金屬方柱的開槽方式。
圖6為本實用新型的實施例一——雙端軸輸出電機結構示意圖。
圖7為本實用新型的實施例二——單端軸輸出電機結構示意圖。
圖8為本實用新型的實施例三——磁力定位電機結構示意圖。
圖9為本實用新型的實施例四——腰腹驅動電機結構示意圖；其中，圖9(a)為轉子與定子垂直，定子驅動轉子做旋轉運動；圖9(b)為轉子與定子平行，定子驅動轉子做旋轉運動。
圖10為本實用新型的實施例五——端部驅動電機結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型的金屬方柱壓電片復合超聲微電機結合附圖及五種電機結構的實施例分別說明如下本實用新型提出的金屬方柱壓電片復合超聲微電機，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子(或動子)以及給轉子(或動子)加壓的預壓力機構組成，所述定子主要由激勵振動的壓電陶瓷組件以及匹配塊構成；該壓電陶瓷組件為由側面貼壓電陶瓷元件的金屬方柱構成金屬壓電陶瓷片復合方柱。金屬壓電陶瓷片復合方柱的結構形式如圖5所示。在金屬方柱515的4個棱角位置沿軸向開有四個槽52，壓電陶瓷片511、512、513、514粘結在金屬方柱的兩個或四個側面上(如圖5(a)所示)，沿著厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵電極的表面涂有供極化和激勵用的外電極。金屬壓電陶瓷片復合方柱可以是空心方柱，也可以是實心方柱。
上述的金屬方柱所開的槽，可為圓形槽521、矩形槽522、異型槽523和直角槽524等，如圖5(b)所示。在保證定子的強度的前提下，槽的尺寸越大，定子的柔度越大，彎曲振幅也越大。
上述金屬壓電陶瓷片復合方柱加上匹配塊構成定子。
壓電陶瓷均沿著厚度方向極化。圖5(a)所示的結構中，一般情況下，安裝時相對的陶瓷片(陶瓷片511和513相對，陶瓷片512和514相對)的極化方向應相反，以降低驅動電源的設計難度，當然也可以是任意的；對于圖5(a)所示的定子結構，電場的施加方式為在陶瓷片511極面上加+sinωt激勵信號，在陶瓷片512極面上加cosωt激勵信號，若513和511在安裝時極化方向相同(相對于金屬柱粘貼表面的法方向)，則在513極面上加-sinωt激勵信號，若陶瓷片513和陶瓷片511在安裝時極化方向相反，則在陶瓷片513極面上加sinωt激勵信號。若陶瓷片514和陶瓷片512在安裝時極化方向相同，則在陶瓷片514極面上加-cosωt激勵信號，若陶瓷片514和陶瓷片512在安裝時極化方向相反，則在陶瓷片514極面上加cosωt激勵信號，將金屬柱515接地；sinωt(或-sinωt)激勵信號和cosωt(或-cosωt)激勵信號交換，則彎曲搖頭振動反向，電機運動反向。
施加電場的目的是在定子上激勵出兩個空間相位差為90度的彎曲振動，定子的兩個彎曲振動合成為定子的搖頭運動。此時定子上用于驅動轉子的表面上的點的運動軌跡為一個橢圓，從而可以驅動轉子運動。
以上述金屬壓電陶瓷片復合方柱結構組成的超聲微電機的各種實施例分別說明如下
實施例一為雙端軸輸出結構的微電機本實施例結構如圖6所示，其主要特點是雙端驅動、軸輸出，即在金屬壓電陶瓷復合方柱64的兩端粘貼匹配塊63構成定子，66為用于粘貼定子64和匹配塊63的一層薄膠。兩端的轉子62通過從中空定子穿過的軸68、套于軸68上的彈簧61和緊固螺母67連在一起。彈簧用于提供定、轉子間的預壓力。定子通過摩擦層65驅動轉子62旋轉。力矩由轉子直接輸出，實際使用時可將轉子62外邊緣加工成齒輪，通過齒輪傳動輸出力矩。
實施例二為單端軸輸出結構的微電機該結構如圖7所示，其主要特點在于定子匹配塊73的中間一體加工出(或固定)一個細棒作為電機的固定軸77。該軸與定子匹配塊可以是同一金屬件。金屬壓電陶瓷片復合方柱74與匹配塊73在76處膠粘接，共同作為電機的定子。轉子72套在定子匹配塊73的固定軸77上并由套在固定軸77上的小彈簧71提供定、轉子間的預壓力。該電機中，軸77起的主要作用是給轉子72和壓力小彈簧71定位。78為滑動或滾動軸承。力矩由轉子直接輸出，實際使用時可將轉子外邊緣加工成齒輪，通過齒輪傳動輸出力矩。75處為定子與轉子之間的摩擦界面。
實施例三為磁力定位結構的微電機該結構如圖8所示，其主要特點在于用磁性鋼球81做轉子，金屬壓電陶瓷片復合方柱83和凹形磁性金屬匹配塊82用強力膠粘結形成一體，共同構成電機的定子。磁性鋼球轉子放置在金屬匹配塊82的凹面中。這樣靠轉子和金屬匹配塊82之間的磁力作為固定轉子和產生摩擦力所需的預壓力，力矩由轉子直接輸出。
實施例四為腰腹驅動結構的微電機該結構如圖9所示，圖9(a)其主要特點是，定子可以驅動軸線與定子的軸線垂直的轉子做旋轉運動。粘貼在金屬壓電陶瓷復合方柱912中部的電機匹配塊913，匹配塊913通過摩擦材料914與轉子915相連，復合方柱912在其彎振的節點處用固定機構911固定。利用定子中部(腰腹)的運動由匹配塊913驅動轉子915運動，可構成直線電機，也可繼續將運動轉化為轉子軸916的旋轉運動。也可構成圖9(b)中所示的轉子軸925的旋轉運動，即定子可以驅動軸線與定子的軸線平行的轉子做旋轉運動。
實施例五為端部驅動結構的微電機該結構如圖10所示，其主要特點是金屬壓電陶瓷片復合方柱102直接利用端部的匹配塊103驅動運動部件104的運動，可構成直線電機；也可繼續將運動轉化為轉子軸105的旋轉運動。金屬壓電陶瓷片復合方柱102在另一端部固定在底座101上。
權利要求1.一種開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子或動子以及給轉子或動子加壓的預壓力機構組成，其特征在于，所述定子主要由激勵振動的金屬方柱和壓電陶瓷片組成的金屬壓電陶瓷復合方柱與匹配塊構成，在所述金屬方柱的4個棱角位置沿軸向開有四個槽，所述壓電陶瓷片粘結在金屬方柱的兩個或四個側面上，沿著厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵電極的表面涂有供極化和激勵用的外電極。
2.如權利要求1所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，所述金屬方柱為空心方柱或實心方柱。
3.如權利要求1所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，所述的金屬方柱所開的槽，為圓形槽、矩形槽、異型槽或直角槽之中的任何一種形狀。
4.如權利要求1所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，所述壓電陶瓷片采用2片，粘結到空心金屬方柱相鄰的兩個側面，分別加sinωt和cosωt激勵電信號。
5.如權利要求1所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，所述壓電陶瓷片采用4片，粘結到金屬方柱的四個側面，當相對的壓電陶瓷片極化方向相反時，四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，sinωt，cosωt激勵電信號；當相對的壓電陶瓷片極化方向相同時，四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt激勵電信號。
6.如權利要求1所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，所述壓電陶瓷片采用4片，粘結到金屬方柱的四個側面，一組相對的壓電陶瓷片極化方向相同，另一組相對的壓電陶瓷片極化方向相反，當四個相鄰側面依序加sinωt，cosωt，-sinωt，cosωt激勵電信號，則兩個cosωt信號加在極化方向相反的兩片陶瓷上，當依序施加sinωt，cosωt，sinωt，-cosωt激勵電信號，則兩個sinωt信號加在極化方向相反的兩片陶瓷上。
7.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，所述的轉子采用磁性鋼球，所述定子由金屬壓電陶瓷片復合方柱與結合在其端面的凹形磁性金屬匹配塊構成，該磁性鋼球轉子放置在該金屬匹配塊的凹面中，該轉子和匹配塊之間的磁力用于固定轉子和產生摩擦力所需的預壓力，力矩由轉子直接輸出。
8.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，所述金屬壓電陶瓷復合方柱的兩端粘貼匹配塊構成定子，還包括從中空定子穿過的軸，所述預壓力機構采用彈簧，所述的轉子為兩個套于該軸的兩端通過摩擦層與定子相接，并通過套于軸上的彈簧和緊固螺母與該定子連成一體；力矩由轉子直接輸出。
9.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，所述匹配塊采用中間有一個細棒作為電機的固定軸的匹配塊，所述預壓力機構采用套在該固定軸上的彈簧，所述轉子套在該匹配塊的固定軸上并由小彈簧提供定、轉子間的預壓力；力矩由轉子直接輸出。
10.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的所述的開槽金屬方柱壓電片復合超聲微電機，其特征在于，還包括固定定子的固定機構，所述匹配塊粘貼在金屬壓電陶瓷復合方柱的中部，該匹配塊通過摩擦材料層與所述轉子相連，定子中部的運動由匹配塊驅動轉子運動構成直線電機或轉化為轉子的軸的旋轉運動。
專利摘要本實用新型涉及金屬方柱壓電片復合超聲微電機，屬于超聲應用領域，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉子或動子以及給轉子或動子加壓的預壓力機構組成，其特征在于，所述定子主要由激勵振動的金屬方柱和壓電陶瓷片組成的金屬壓電陶瓷復合方柱與匹配塊構成，在所述金屬方柱的4個棱角位置沿軸向開有四個槽，所述壓電陶瓷片粘結在金屬方柱的兩個或四個側面上，沿著厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵電極的表面涂有供極化和激勵用的外電極。本實用新型具有壓電陶瓷易于極化，極化工藝簡單且能夠保證激勵電場垂直于極化方向，效率較高的優點。本實用新型在不減小貼片陶瓷尺寸的前提下降低了定子的剛度，增大了彎振幅，可以促進了超聲電機的微型化。
文檔編號H02N2/12GK2847685SQ20052001139
公開日2006年12月13日 申請日期2005年4月8日 優先權日2005年4月8日
發明者周鐵英, 鹿存躍, 陳宇 申請人:清華大學