CN104883089B - 一种静电力驱动的微型超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静电力驱动的微型超声电机，包括：硅基定子、转子、轴承和弹性预压力装置，所述硅基定子上表面设有一齿状凸起；所述转子的一端套设于轴承内作旋转运动，所述转子与所述硅基定子的齿状凸起相接触；所述弹性预压力装置沿轴向施加预压力于转子，使转子与硅基定子间产生法向压力，所述硅基定子在驱动电压作用下产生超声振动，硅基定子的齿状凸起通过摩擦力驱动转子旋转。本发明满足体积小、结构简单、材料和制备工艺成熟等特点。
Description
技术领域
本发明属于超声电机技术领域，尤其是一种基于静电力激发结构体的超声振动的微型超声电机。
背景技术
与传统的电磁电机相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范围中，超声电机已经显示了许多独特的优点，诸如相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率。传统的电磁电机在几个毫米量级尺寸的制造方面已变得很困难，而且它的效率在几个毫米尺寸时只剩下百分之几(<8％)，因为它缺少足够强的磁场。超声电机利用结构体(定子)的超声振动和介面摩擦驱动转子(动子)运动，其效率基本与尺寸无关，也没有磁场问题。超声电机即使在毫米尺寸，也能维持低速和大力矩的特征。作为精密驱动元件，超声电机被应用于一些高新技术产品诸如手机，医学成像系统和其它微型医用设备的关键元件。许多新的驱动技术，诸如音圈电机、压电驱动器、超声电机等，已有了快速发展，并在许多领域里获得成功应用。在这些微型驱动技术中，超声电机在运动行程、驱动力、驱动精度和功率消耗等方面已显示出明显的优越性。
利用结构体的高频振动和介面摩擦来输出运动和力的思想在上世纪60年代被提出。日本的Toshiiku Sashida于上世纪80年代初提出旋转型行波超声电机(美国专利US4562374A)，此类超声电机具有较大的力矩和较低的转速，被大量应用于照相机中驱动镜头运动实现自动聚焦。日本精工公司(Seiko)在1996年研制出一种直径为8mm的旋转型驻波超声电机，并用于手表的振动报时(A.Iino,K.Suzuki,M.Kasuga,M.Suzuki,T.Yamanaka.Development of a self-oscillating ultrasonic micro-motor and itsapplication to a watch.Ultrasonics 38,54-59,2000.)。精工公司通过进一步改进结构缩小尺寸，研制出直径为4.5mm，厚度为2.5mm的超声电机，并将其应用于手表中驱动日历，使机构简化。以上这些超声电机都是利用压电陶瓷激发定子的超声振动，制备过程中需要用环氧树脂将压电陶瓷与金属结构体粘接在一起而形成定子，难以进一步微型化，且难以保证粘接的质量一致性。
利用微加工的方法在硅片上制备微型超声电机有可能使电机进一步微型化。G.-A.Racine等人利用硅微加工的方法制备了超声微电机[G.-A.Racine,R.Luthier,andN.F.de Rooij,Hybrid ultrasonic micromachined motors,Proceedings of MicroElectro Mechanical Systems,1993.]，在硅膜片(Si,厚度9.2μm)一侧淀积了氧化锌薄膜材料(ZnO film,厚度4.5μm)，ZnO/Si复合膜片在电压作用下产生弯曲振动，硅膜片与柔性转子(转子上制备了倾斜的柔性齿)接触并输出单向旋转运动。该电机定子制备过程中利用了薄膜制备方法和硅刻蚀方法，制备的电机尺寸为6×6×2mm3，转速为600rpm，力矩为50nNm。P.Muralt和M.-A.Dubois制备了类似工作原理的超声微电机[M.-A.Dubois andP.Muralt,PZT thin film actuated elastic fin micromotor,IEEE Transactions onUltrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control 45,1169-1177,1998.]，利用具有更强压电性能的PZT压电薄膜材料(Pb(Zr,Ti)O3缩写为PZT，厚度1μm)替换ZnO材料，硅膜片的尺寸为直径5.2mm，厚度34μm，测试结果表明PZT/Si复合膜片的振动比ZnO/Si复合膜片更强，电机性能得到明显提升，输出力矩0.94μNm，转速1020rpm。G.L.Smith和R.Q.Rudy等人制备了基于PZT/Si复合膜片的旋转型行波超声微电机[G.L.Smith,R.Q.Rudy,R.G.Polcawich,and D.L.DeVoe,Integrated thin-film piezoelectric traveling waveultrasonic motors,Sensors and Actuators A188,305-311,2012.R.Q.Rudy,G.L.Smith,D.L.DeVoe,and G.Polcawich,Millimeter-scale traveling wave rotary ultrasonicmotors,Journal of Microelectromechanical Systems 24,108-114,2015.]，实验证实定子中能产生振幅均匀的行波，最大转速可达2300rpm。虽然以上研究工作演示了基于PZT/Si复合膜片的微型超声电机，但由于高质量的PZT压电薄膜难以获得(PZT薄膜的制备过程中需要在含氧气氛下进行高温热处理，与硅半导体工艺不兼容，且PZT由于成分复杂以及铅元素的挥发性导致薄膜性能和一致性很难控制，另外，PZT薄膜的刻蚀工艺也有待研究)，超声电机的性能和一致性难以保证。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种静电力驱动的微型超声电机，在硅片上制备硅膜片-腔体-硅基底平板电容结构的定子，利用平板电容两电极间的静电吸引力激发电机定子硅膜片的超声共振，并通过定/转子间的摩擦输出力矩，不需要利用压电材料，能提高超声微电机的性能一致性。
为达到上述目的，本发明的一种静电力驱动的微型超声电机，包括：硅基定子、转子、轴承和弹性预压力装置，所述硅基定子上表面设有一齿状凸起；所述转子的一端套设于轴承内作旋转运动，所述转子与所述硅基定子的齿状凸起相接触；所述弹性预压力装置沿轴向施加预压力于转子，使转子与硅基定子间产生法向压力，所述硅基定子在驱动电压作用下产生超声振动，硅基定子的齿状凸起通过摩擦力驱动转子旋转。
较佳地，所述的硅基定子为一个复合结构体，其基底为低电阻率硅片，基底的上表面刻蚀出一个环形凹槽，基底的上表面和环形凹槽内表面覆盖二氧化硅绝缘层，一个高电阻率硅膜片与基底的上表面键合并封闭凹槽形成真空腔体，所述高电阻率硅膜片上表面设置有第一金属电极和所述的齿状凸起。
较佳地，所述硅基定子的基底、真空腔体、第一金属电极之间形成平行板电容，在交流电压作用下，第一金属电极与基底之间变化的静电力引起硅膜片的振动。
较佳地，所述硅基定子的真空腔体上的环形硅膜片中有沿圆周方向传播的弯曲振动行波，通过接触摩擦驱动所述转子旋转。
本发明的有益效果：
本发明采用硅片作为基底材料制备微型超声电机的定子，利用平行板电容两电极间的静电力激发定子结构体的超声振动，定子的制备过程中利用当前技术水平成熟的材料和工艺，能进一步缩小电机的尺寸，且能保证电机的性能一致性。
附图说明
图1绘示本发明的静电力驱动的微型超声电机的结构示意图。
图2绘示本发明中硅基定子结构的轴侧图。
图3绘示本发明中硅基定子结构的剖面图。
图4绘示本发明中硅膜片自由环形部分的第3阶弯曲振动模态的结构变形图。
图5绘示本发明中硅膜片自由环形部分的第3阶弯曲振动模态Z方向位移云图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种静电力驱动的微型超声电机1，包括：硅基定子2、转子3、轴承4和弹性预压力装置5，所述硅基定子2上表面设有一圈均匀分布的齿状凸起24；所述转子3的一端套设于轴承4内作旋转运动，所述转子3与所述硅基定子2的齿状凸起24相接触；所述弹性预压力装置5沿轴向施加预压力F于转子3，使转子3与硅基定子2间产生法向压力，所述硅基定子2在驱动电压作用下产生超声振动，硅基定子2的齿状凸起24通过摩擦力驱动转子3旋转。
参照图2-图3所示，所述的硅基定子2为一个复合结构体，其基底21为低电阻率硅片，基底21的上表面刻蚀出一个环形凹槽，利用氧化法在基底的上表面和环形凹槽内表面制备一层二氧化硅(SiO2)绝缘层22，一个高电阻率硅膜片23与基底21的上表面键合并封闭凹槽形成真空腔体，所述高电阻率硅膜片23上表面设置有所述的齿状凸起24和第一金属电极25，在低电阻率硅基底21的下表面设置有第二金属电极26用于焊接导线。所述低电阻率硅基底21、真空腔体、第一金属电极25之间形成平行板电容，在交流电压作用下，第一金属电极25与基底21之间变化的静电力引起高电阻率硅膜片23自由部分的振动。所述的第一金属电极25分为12个沿圆周均匀分布的扇形电极25a、25b、25c、25d、25e、25f、25g、25h、25i、25j、25k、25l，并通过引线连接到周边的12个焊盘。所述第一金属电极25的形状设定是为了激发高电阻率硅膜片23自由部分(真空腔体上部环形区域)的第3阶弯曲振动模态(如图4、图5所示)。所述超声电机1工作时所施加的交流驱动电压频率f等于或接近高电阻率硅膜片23的第3阶弯曲振动模态固有频率fB3(f≌fB3)。驱动电压的施加方式为：第二金属电极26接地，电极25a、25b、25c、25d···25l上施加相位递增或递减90°的交流电压(即分别施加电压Vacsin(2πft)+Vbias、Vaccos(2πft)+Vbias、-Vacsin(2πft)+Vbias、-Vaccos(2πft)+Vbiss...-Vaccos(2πft)+Vbiss，或Vacsin(2πft)+Vbias、-Vaccos(2πft)+Vbias、-Vacsin(2πft)+Vbias、Vaccos(2πft)+Vbias...Vaccos(2πft)+Vbias，其中Vbias为偏置电压)，高电阻率硅膜片23的自由环形部分中将有顺时针或逆时针方向传播的弯曲振动行波，硅基定子2通过接触摩擦将驱动转子3逆时针或顺时针旋转。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种静电力驱动的微型超声电机，其特征在于，包括：硅基定子、转子、轴承和弹性预压力装置，所述硅基定子上表面设有一齿状凸起；所述转子的一端套设于轴承内作旋转运动，所述转子与所述硅基定子的齿状凸起相接触；所述弹性预压力装置沿轴向施加预压力于转子，使转子与硅基定子间产生法向压力，所述硅基定子在驱动电压作用下产生超声振动，硅基定子的齿状凸起通过摩擦力驱动转子旋转；所述的硅基定子为一个复合结构体，其基底为低电阻率硅片，基底的上表面刻蚀出一个环形凹槽，基底的上表面和环形凹槽内表面覆盖二氧化硅绝缘层，一个高电阻率硅膜片与基底的上表面键合并封闭凹槽形成真空腔体，所述高电阻率硅膜片上表面设置有第一金属电极和所述的齿状凸起。
2.根据权利要求1所述的静电力驱动的微型超声电机，其特征在于，所述硅基定子的基底、真空腔体、第一金属电极之间形成平行板电容，在交流电压作用下，第一金属电极与基底之间变化的静电力引起硅膜片的振动。
3.根据权利要求1所述的静电力驱动的微型超声电机，其特征在于，所述硅基定子的真空腔体上的环形硅膜片中有沿圆周方向传播的弯曲振动行波，通过接触摩擦驱动所述转子旋转。
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