CN102118118B - 直线型超声波微电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线型超声波微电机，属于超声波微电机技术领域，其技术要点包括定子、运动部件和固定机构，其中所述的定子主要由压电陶瓷元件和驱动足粘接构成；所述的压电陶瓷元件为薄板状，沿长度方向极化，在压电陶瓷元件的上下表面均设有电极，其中至少一个表面上的电极分成若干小的电极面，相邻的两对电极面对压电陶瓷元件所施加的激励电场方向相反；本发明旨在提供一种压电陶瓷元件电极面有效面积大、极化充分、振动效率高的直线型超声波微电机；用于生物、医疗、微机械、国防科技等各领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波微电机，更具体地说，尤其涉及一种直线型超声波微电机。
背景技术
超声波电机是利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声波电机定子的振动能，再通过摩擦转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子（动子）及预压力机构等功能部件组成。与传统电磁电机相比，超声波电机具有许多独特的特点和优点，比如：
（1）结构紧凑，能量密度（转矩/质量）大，电机易于微型化。
（2）低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动。
（3）电机响应速度快，并且能实现断电自锁。
（4）位置和速度控制性好，位移分辨率高。
（5）不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强。
（6）安静无噪声。
（7）设计灵活，结构形式多样化。
直线型超声波电机是超声波电机的一种,因为其紧凑的薄片形结构，优秀的驱动精度而获得广泛关注和应用。图11为一种纵弯直线型超声波电机结构原理图，其中: 111、112、113、114为电极面，115为驱动头，116为运动部件，117为弹簧。图12为纵弯直线型超声波电机的工作原理图，其中: 121为定子，122为驱动头、123为运动部件。工作时电极面111、114上加Asin(ωt)激励信号，电极面112、113上加Acos(ωt)激励信号，在电机定子121上激励出第一阶纵振模态和第二阶弯曲模态的复合振动模态，此时，驱动头122上驱动质点的运动轨迹为椭圆，驱动头122通过摩擦驱动与之相接触的运动部件123产生直线运动。
由于不同类型的振动模态对外部条件变化的敏感度不同，当温度、预压力、驱动信号的电压等条件变化时，容易影响到采用不同类型复合振动模态电机的定子的复合振动，使得电机性能剧烈变化，且不容易调节。为此，采用不同类型复合振动模态的电机对工作条件要求比较苛刻，经常要求工作在恒温等条件下。
采用单一驻波模态工作的直线超声电机工作比较稳定。图13至图15给出了一种驻波直线型超声波电机结构示意图。其中: 131和133为压电陶瓷板，132为定子基体，134、136、137、138、139为压电陶瓷板131上的电极面，135为驱动足，1310，1311，1312，1313，1314为压电陶瓷板133上的电极面。“x”和“˙”表示压电陶瓷的极化方向，“x”表示指向内部，“˙”表示指向外部。每一个压电陶瓷板分为五个区沿着厚度方向极化，相邻区极化方向相反，激励时在定子上激励出2.5个波长的驻波振动。图16驻波直线型超声波电机驱动原理示意图，仅出了一个波长的情况。其中: 164为一个振动极限位置，161为一个振动极限位置时的驱动足，163为另一个振动极限位置，162为驱动足的行程。从图16中可以看出，定子安放在波峰和波谷之间时，在一个振动周期里，驱动足将向某一个方向产生一次拨动冲击，然后退回来。循环往复，定子就能够驱动与其相接触的运动部件产生向某一方向的运动。朝着另一方向驱动时，则采用另一片压电陶瓷激励出另一个在空间位置上偏移了1/4波长的驻波振动。
微型化是电机发展的一个重要方向。上述直线超声波电机在微型化时都有一些困难，主要表现为两点，一是压电陶瓷正反向分区极化时，容易击穿，且极化不充分，除去电极面间隙后电极面过小，严重影响压电陶瓷性能。二是d31压电常数数值很小，机电耦合系数低，振动效率很低。这就造成微型直线超声波电机性能很差，难以应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电陶瓷元件电极面有效面积大、极化充分、振动效率高的直线型超声波微电机。
本发明的技术方案是这样实现的：一种直线型超声波微电机，包括定子、运动部件和固定机构，其中所述的定子主要由压电陶瓷元件和驱动足粘接构成；所述的压电陶瓷元件为薄板状，沿长度方向极化，在压电陶瓷元件的上下表面均设有电极，其中至少一个表面上的电极分成若干小的电极面，相邻的两对电极面对压电陶瓷元件所施加的激励电场方向相反。
上述的直线型超声波微电机中，所述的定子还包括基体，压电陶瓷元件与基体粘接连接。
上述的直线型超声波微电机中，所述的压电陶瓷元件为两个，分别与基体粘接连接。
上述的直线型超声波微电机中，所述的压电陶瓷元件外侧表面的电极由若干对称的小的电极面构成，与基体粘接的内侧表面的电极为整体电极。
上述的直线型超声波微电机中，所述的两个压电陶瓷元件外侧的电极面相互错开。
上述的直线型超声波微电机中，所述的驱动足与运动部件的接触面上设有耐磨层。
上述的直线型超声波微电机中，所述的驱动足为单驱动足。
上述的直线型超声波微电机中，所述的驱动足为双驱动足。
本发明采用上述结构后，通过压电陶瓷元件及其构造的直线型超声波微电机，并采用压电陶瓷的切变d15逆压电效应的压电陶瓷元件，极化均匀，电极划分容易，克服了常规d31型压电陶瓷部件电极间隙大，电极面有效面积小，极化不充分，正反向极化时容易击穿，振动效率低等缺点。同时，由于压电陶瓷的d15压电常数要比d31数值高很多，所以，采用了所发明的新型陶瓷元件构造的直线型超声微电机将有助于明显提高电机的性能。该发明特别适用于空间小，力矩大，精度高的应用场合。由于市场上可用的微型超声波直线电机几乎没有，极大地制约了相关的应用需求。本发明提出的压电陶瓷振动激励元件及其构造的直线型超声波微电机方案将有助于拓展电机的应用领域，并将在生物、医疗、微机械、国防科技等方面有广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明压电陶瓷元件表面电极划分示意图；
图3是本发明压电陶瓷元件弯曲变形示意图国；
图4是本发明具体实施例1的结构示意图；
图5是本发明具体实施例1高阶弯曲变形的压电陶瓷元件表面电极划分示意图；
图6是本发明具体实施例2中定子主要部件的结构示意图；
图7是本发明具体实施例3中定子主要部件的结构示意图；
图8是本发明具体实施例4和5中定子主要部件的结构示意图；
图9是本发明具体实施例6的结构示意图；
图10是本发明具体实施例7的结构示意图；
图11是现有技术中纵弯直线型超声波电机结构原理图；
图12是现有技术中纵弯直线型超声波电机工作原理图；
图13是现有技术中驻波直线型超声波电机结构示意图；
图14是图13的俯视图；
图15是图13的仰视图；
图16是现有技术中驻波直线型超声波电机驱动原理示意图。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明的一种直线型超声波微电机，包括定子1、运动部件2和固定机构3，定子1主要由压电陶瓷元件1a、驱动足1b粘接构成，也可以增加基体1c，可以使定子1的结构更为稳固，不易损坏；固定机构3由安装板3a和弹性垫3b构成，弹性垫3b设置在安装板3a与底座1d之间；固定机构3的结构可以根据实际的需要进行调整，例如弹性垫3b可以用弹簧进行替换；压电陶瓷元件1a为薄板状，沿长度方向极化，在压电陶瓷元件1a的上下表面均设有电极4，其中至少一个表面上的电极4分成若干小的电极面，另一个表面上的电极4可以是整块结构，也可以是同样的由若干小的电极面构成，相邻的两对电极面对压电陶瓷元件1a所施加的激励电场方向相反。
参阅图2、图3所示，压电陶瓷元件1a的极化分区和激励方法。在压电陶瓷元件1a上下表面各加工有两个电极面21、22和23、24,上下表面电极面对称布置,相邻的两对电极面所施加的激励电场方向相反，即电极面21施加正电压，电极面23施加负电压，形成由电极面21指向电极面23的电场25；同时，电极面22加负电压，电极面24施加正电压，形成由电极面24指向电极面22的电场26；两个相邻的电场25和26方向相反，从而在定子1上激励出陶瓷薄板的弯曲变形27。若所施加激励电压为一定频率的交变信号，则在压电陶瓷元件1a上能够激励出同频的弯曲振动。
实施例1：驻波型单压电陶瓷板直线超声微电机
参阅图4、图5所示，本实用新型的直线型超声波微电机，包括定子1、运动部件2和固定机构3，定子1由薄板状的压电陶瓷元件1a、驱动足1b和底座1d粘接构成，基体1c通常为金属，如铜；固定机构3由安装板3a和弹性垫3b构成，弹性垫3b设置在安装板3a与底座1d之间；压电陶瓷元件1a沿长度方向极化；在压电陶瓷元件1a的上下表面分别设有电极4，上下表面的电极4均由若干小的电极面构成，压电陶瓷元件1a上下表面之间的电极面互相对应，在本实施例中，电极面包括第一电极面51、第二电极面52、第三电极面53、第四电极面54、第五电极面55、第六电极面56、第七电极面57和第八电极面58，若在第一、第三、第六、第八电极面51，53，56，58上施加Asin(ωt)激励信号，同时在对应的第二、第四、第五、第七电极面52，54，55，57上施加-Asin(ωt)激励信号，则使得相邻的激励电场方向相反。若施加激励信号的频率接近定子B（4，0）弯曲共振模态频率，则在定子上激励出B（4，0）弯曲振动。
同样，若在第一、第二、第七、第八电极面51，52，57，58上施加Asin(ωt)激励信号，同时在对应的第六、第七、第三、第四电极面56，57，53，54上施加-Asin(ωt)激励信号，若施加激励信号的频率接近定子B（2，0）弯曲共振模态频率，则在定子上激励出B（2，0）弯曲振动。定子驻波振动时，驱动足将对与其摩擦接触的运动部件产生一个冲击驱动力，驱动运动部件向某一方向运动。
合理布置驱动足的位置和个数，能达到双向驱动的目的。比如该例一个（或一对）驱动足放在第二电极面12的左半边位置，用B（4，0）模态激励时，电机向右驱动运动部件运动，用B（2，0）模态激励时，电机向左驱动运动部件运动。本实施例中工作模态并不局限于2阶和4阶，相应的电极面的个数也可以是其他数值。
驱动足1b可以直接在基体1c上加工出来，也可以通过在粘接等方式形成。驱动足1b通常在基体1c两个侧面成对安放，也可用一个。在驱动足1b与运动部件2的接触表面设有耐磨层5，耐磨层5为粘贴的耐磨材料层或经过耐磨处理的耐磨表面。
实施例2：驻波型单压电陶瓷板和基体复合型直线超声微电机
参阅图6所示，本发明的一种直线型超声波微电机，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于，压电陶瓷板1a的外侧表面的电极4由多个电极面构成，另一侧用于与基体1c粘接的表面则为一整体电极4，通常接地。其激励方式和工作原理与实施例1类同。
实施例3：驻波型双压电陶瓷板和基体复合型直线超声微电机之一
参阅图7所示，本发明的直线型超声波微电机，其结构与实施例2基本相同，不同之处在于，压电陶瓷元件1a有两个，分别粘接在基体1c的上下表面，两个压电陶瓷元件1a的外侧表面的电极4由多个电极面构成，另一侧与基体1c粘接的表面则为一整体电极4，通常接地。
若两片压电陶瓷元件1a按极化方向相反的方式粘贴，激励时，压电陶瓷元件1a每一电极面与另一面对称电极之间形成一个电场，相邻的区域电场方向相反，对称的区域电场方向对称，即同时指向对称中心面或者背离对称中心面，若两片压电陶瓷元件1a按极化方向相同的方式粘贴，激励时，压电陶瓷元件1a每一电极面与另一面对称电极之间形成一个电场，相邻的区域电场方向相反，对称的区域电场方向相同，即对称的区域电场方向一个指向对称中心面,另一个背离对称中心面。其激励方式和工作原理与实施例1类同。
实施例4：驻波型双压电陶瓷板和基体复合型直线超声微电机之一
参阅图8所示，本发明的直线型超声波微电机，其结构与实施例3基本相同，不同之处在于，两块压电陶瓷元件1a外侧表面的小电极面之间分相互错开。
振动激励时，上下两片压电陶瓷元件1a不同时工作，在定子1上分别激励出两个空间上相位差1/4波长的驻波，如b和c所示,一片压电陶瓷元件1a工作时，电机往一个方向驱动，换另一片压电陶瓷元件1a工作时，电机换向。具体为：若两片压电陶瓷元件1a按极化方向相同方式粘接，电极面81、83上施加Asin(ωt)激励信号，电极面82、84上施加-Asin(ωt)激励信号，在定子上激励出振型为b的驻波。此时，电机每一驱动足1b均放在节点与其该节点某一侧的波峰之间，共同往一个方向驱动。换向时，电极面89、87、85上施加Asin(ωt)激励信号，电极面88、86上施加-Asin(ωt)激励信号，在定子上激励出振型为c的驻波。此时，驱动足1b共同往另一个方向驱动。本实施例中工作模态并不局限4阶，相应的电极面个数也可以是其他数值。
实施例5：行波型双压电陶瓷板和基体复合型直线超声微电机
参阅图8所示，本发明的直线型超声波微电机，其结构与实施例4相同，但振动激励不同。上下两片压电陶瓷元件1a同时工作，在定子1上同时激励出两个时间上相差1/4周期，空间上相位差1/4波长的驻波，如b和c所示。两个驻波合成一个行波，使得驱动足1b上的质点均做椭圆运动，驱动与其相接触的运动部件运动。
实施例6：单（对）驱动足旋转超声微电机
参阅图9所示，本发明的直线型超声波微电机，其结构可以是实施例1、2、3、4、5中的任一种，在定子1上激励出驻波，利用单（对）驱动足1b摩擦驱动与其相接触的转子旋转。驱动足1b通常在定子1两个侧面成对安放，也可单独安放。
实施例7：双（对）驱动足旋转超声微电机
参阅图10所示，本发明的直线型超声波微电机，其结构如实施例5所示，在定子1上激励出行波，利用双（对）驱动足1b摩擦驱动与其相接触的转子旋转。驱动足1b通常在定子1两个侧面成对安放，也可单独安放。
Claims (10)
1.一种直线型超声波微电机，包括定子(1)、运动部件(2)和固定机构(3)，其特征在于，所述的定子(1)主要由压电陶瓷元件(1a)和驱动足(1b)粘接构成；在压电陶瓷元件(1a)的上下表面均设有电极(4)，其中至少一个表面上的电极(4)分成若干小的电极面，相邻的两对电极面对压电陶瓷元件(1a)所施加的激励电场方向相反，上述电极面在压电陶瓷元件(1a)上能够激励出与激励电场同频的弯曲振动；所述的压电陶瓷元件(1a)为薄板状，沿长度方向极化；所施加激励电场的方向与压电陶瓷元件(1a)的极化方向垂直，利用压电陶瓷的d15逆压电效应对电机进行振动激励。
2.根据权利要求1所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的定子(1)还包括基体(1c)，压电陶瓷元件(1a)与基体(1c)粘接连接。
3.根据权利要求2所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的压电陶瓷元件(1a)为两个，分别与基体(1c)粘接连接。
4.根据权利要求2或3所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的压电陶瓷元件(1a)外侧表面的电极(4)由若干对称的小的电极面构成，与基体(1c)粘接的内侧表面的电极(4)为整体电极。
5.根据权利要求4所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的两个压电陶瓷元件(1a)外侧的电极面相互错开。
6.根据权利要求5所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的驱动足(1b)与运动部件(2)的接触面上设有耐磨层(5)。
7.根据权利要求6所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的驱动足(1b)为单驱动足。
8.根据权利要求6所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的驱动足(1b)为双驱动足。
9.根据权利要求1至3任一所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的驱动足(1b)为单驱动足。
10.根据权利要求1至3任一所述的直线型超声波微电机，其特征在于，所述的驱动足(1b)为双驱动足。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121219 |