CN109768734A - 一种基于并排磁流变弹性体的高q值压电行波超声微电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，包括电机底座和设置在电机底座上的壳体，壳体内设有压电行波超声电机组件、感应控制组件和磁流压力调整组件。本发明将锚点安放于定子谐振模态的稳定位移零点处，避免了锚点和悬臂梁明显的面外位移和角度偏转。最大限度的限制了定子通过悬臂梁损耗到周围环境的能量，保证了系统的机电转换效率和高品质因数。且通过磁流压力调整组件调整定子与转子之间的压力，通过改变电磁线圈的通电或断开对超声微电机的轴向预紧力进行调整。

Description

一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机

技术领域

本发明涉及超声微电机技术领域，具体涉及一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机。

背景技术

微超声电机作为一种利用MEMS技术设计制作的新型驱动器件，其在交变电压激励下利用压电材料层的逆压电效应激发定子产生高频微幅振动，同时通过定、转子接触界面上的切向摩擦力驱动转子产生转动，实现电机的扭矩输出，从而实现电能向机械能的转换。微超声电机与传统电磁电机相比，具有体积小、响应快(毫秒级)、低速大扭矩、低噪声、抗电磁干扰和自锁能力强等优点，有着广阔的应用前景。

在电机工作过程中，定子处于持续振动状态，因此研究定子振动过程中的能量损耗问题是高性能超声电机设计的重要任务之一。所有的谐振器件都是由一个或多个机械结构将其与基板或者周围结构连接起来，这些连接提供与系统其余部分的机械连接以及用于偏置和检测谐振器件的电路连接，与在空间自由振动的自由梁不同，这些连接为谐振器到周围环境的能量损耗提供了桥梁，即成为了限制器件品质因数的关键。MEMS超声电机作为谐振器件，其工作在正交模态谐振状态下，定子边缘和基底通常由悬臂梁连接，这些连接点称为锚点，锚点为定子到基底的能量损失提供了桥梁，降低了定子结构的品质因数，且在定子边缘产生了较大的面外运动和角度偏转，锚点处的应力集中使得定子工作于不稳定状态，对器件的性能产生较大的影响。

现有定子采用圆盘型结构，图1为马达定子的结构图。它是由压电陶瓷圆片和金属圆片(镍片)粘结而成，其中，金属圆片是作为弹性体，目的是为了放大压电陶瓷的振动。采用光刻形成4n个分区电极(其中，n为模态的阶数，图示n为3，用以高效地激发出所需的B03模态)，分别接上正弦和余弦信号，保持90°的相位差，图2为定子背面压电陶瓷的电极连接示意图。当外加交变电场后，压电陶瓷通过逆压电效应效应产生振动，在定子中激发出两个驻波模态，两个驻波模态在空间和时间上都相差90°，合并形成一旋转的行波。

在圆盘型定子中，定子的锚点位于圆盘的中心，与公共节点和固定器位于同一位置。单独来讲，这种结构对于行波超声定子来说是理想的，因为锚点和电连接点位于运动非常小的地方(公共节点处)，这意味着锚点和电连接(以及相关联的接线)具有对定子动态很小的影响。此外，锚点位于节点处使得通过锚点到基底的能量损失很小，可以获得较高的品质因数，在谐振器件产生更大的偏转。然而当考虑到电机和系统大范围内的定子时，显然中心固定圆盘具有显著的缺点。主要的困难是将电信号传递到定子的连接线必须穿过转子的中心 (除非晶元通孔技术有显著的进步)。手动引线键合可以用于连接定子，但是需要大的线环，以使导线不会抑制转子运动，这种贯穿转子的引线键合限制了可以使用的转子的类型，限制了在转子中心放置部件。

目前国内的行波型超声波电机大都采用环形定子结构，如图2所示。在这类定子中，环形内侧固定是常见的机械支撑方式，在定子环内圈有一段比较薄的支撑板，具有径向隔振效果，而且便于超声波电机的固定。由于固定板是固定在机壳上的，不会发生振动，定子支撑的设置可以减少固定板的约束影响，大大减少电机径向挠度，以得到较大的输出力矩。定子由压电陶瓷、金属弹性体构成，由基座经四个螺孔固定在外壳上，取h表示定子支撑底部到金属弹性底端距离，t表示定子支撑厚度，w表示定子支撑宽度。

环形内侧固定结构适用于大型环形定子电机，可以支持静态负载且高频振动不受阻碍。但是在毫米级电机中，这种支撑结构是不可能的，从内侧支撑定子几乎不能实现，所得到的装置会有类似于圆盘型定子的许多限制，降低电机品质因数。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机解决了现有超声微电机品质因数不高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，包括电机底座和设置在电机底座上的壳体，所述壳体内设有压电行波超声电机组件、感应控制组件和磁流压力调整组件；

所述压电行波超声电机组件包括第一定子、第二定子、转子、轴承和转轴；

所述感应控制组件包括控制器、光电传感装置和角度测量装置；

所述磁流压力调整组件包括第一磁流变弹性体、第二磁流变弹性体、第一推杆、第二推杆和电磁线圈；

所述转轴依次贯穿壳体的顶部、转子和电机底座，所述转轴上固定设有第一磁流变弹性体和第二磁流变弹性体，所述第一磁流变弹性体的下表面通过第一推杆与第一定子连接，所述第二磁流变弹性体的下表面通过第二推杆与第二定子连接，所述壳体内两侧均设有电磁线圈，所述电磁线圈的中心与第一磁流变弹性体的中心和第二磁流变弹性体的中心位于同一水平线上；

所述角度测量装置固定设置于转子的底面，所述角度测量装置为表面边缘设有多个槽口的码盘，所述码盘的槽口等距设置，所述光电传感装置固定在电机底座上，所述光电传感装置的感应口为U型，所述码盘转动时穿过光电传感装置的发射器与接收器之间的U型感应口，所述光电传感装置的接收器将接收到的光源反馈到控制器。

进一步地：所述硅基底的边缘处设有切口，所述切口内均设有与开槽配合的悬臂梁支撑件，所述切口的数量为第一定子和第二定子在其模态中行波数量的4倍，所述切口的开口端的外侧还设有圆环，所述圆环的内侧边缘与每个所述悬臂梁支撑件连接。

进一步地：所述圆环上均匀设置有锚点支承，所述锚点支承的数量为悬臂梁支撑件数量的一半，每个所述锚点支承设置在相邻两个悬臂梁支撑件的中间，所述压电陶瓷层的Pt电极通过电极引线穿过悬臂梁支撑件与锚点支承连接。

本发明的有益效果为：本发明中第一定子和第二定子的模态具有正交匹配模态，且锚点支承的位移极小，保证了与锚点相连的悬臂梁支承的内部所有点的位移接近为零。本发明将锚点安放于定子谐振模态的稳定位移零点处，避免了锚点和悬臂梁明显的面外位移和角度偏转。最大限度的限制了定子通过悬臂梁损耗到周围环境的能量，保证了系统的机电转换效率和高品质因数。且通过磁流压力调整组件调整定子与转子之间的压力，通过改变电磁线圈的通电或断开对超声微电机的轴向预紧力进行调整。通过感应控制组件可实时测量转子的转速。

进一步地：所述转轴与壳体和电机底座连接处均设有轴承。

采用上述进一步方案的有益效果为：通过轴承支撑转轴，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。

进一步地：所述转子与第一定子和第二定子靠近一侧设有摩擦层。

进一步地：所述第一定子和第二定子结构相同且均为圆环形，所述第一定子和第二定子均包括硅基底和压电陶瓷层，所述压电陶瓷层附着于靠近转子一侧，所述硅基底附着于远离转子一侧。

采用上述进一步方案的有益效果为：压电陶瓷层表面激发出两列时间和空间上相差四分之一个波长的驻波，两驻波叠加后可合成一列周向的行波，然后通过摩擦层时转子和与第一定子和第二定子之间产生相对滑动，实现转子转动。

进一步地：所述压电陶瓷层的厚度小于硅基底的厚度，所述压电陶瓷层的上下表面均沉积一层Pt电极。

采用上述进一步方案的有益效果为：通过Pt电极可对第一定子和第二定子通电，使其产生振动。

进一步地：所述悬臂梁支撑件的形状为锲形。

进一步地：所述第一磁流变弹性体和第二磁流变弹性体结构相同，所述第一磁流变弹性体和第二磁流变弹性体的上端面均设有上铁托，其下端面均设有下铁托。

进一步地：所述上铁托和下铁托的材质均为高磁导率的电工纯铁。

采用上述进一步方案的有益效果为：使磁流变弹性体处于较为均匀的磁场环境。

附图说明

图1为本发明背景技术中的马达定子结构示意图；

图2为本发明背景技术中的环形定子结构示意图；

图3为本发明结构图；

图4为本发明中第一定子和第二定子的结构图；

图5为本发明中第一定子和第二定子在有限元软件中的B₁₃模态云图；

图6为本发明中定子表面电极部分的分区示意图；

图7为本发明中定子表面引线示意图。

其中：1、壳体；2、电机底座；3、转子；4、第一定子；5、第二定子；6、轴承；7、转轴；8、第一磁流变弹性体；9、第二磁流变弹性体；10、第一推杆； 11、第二推杆；12、电磁线圈；13、硅基底；14、压电陶瓷层；15、悬臂梁支撑件；16、上铁托；17、下铁托；18、摩擦层；19、圆环；20、锚点支承；21、角度测量装置；22、光电传感装置。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图3所示，一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，包括电机底座2和设置在电机底座2上的壳体1，壳体1内设有压电行波超声电机组件、感应控制组件和磁流压力调整组件；

压电行波超声电机组件包括第一定子4、第二定子5、转子3、轴承6和转轴7；

感应控制组件包括控制器、光电传感装置22和角度测量装置21；

磁流压力调整组件包括第一磁流变弹性体8、第二磁流变弹性体9、第一推杆10、第二推杆11和电磁线圈12；

所述转轴7依次贯穿壳体1的顶部、转子3和电机底座2，转轴7上固定设有第一磁流变弹性体8和第二磁流变弹性体9，第一磁流变弹性体8的下表面通过第一推杆10与第一定子4连接，第二磁流变弹性体9的下表面通过第二推杆 11与第二定子5连接，壳体1内两侧均设有电磁线圈12，电磁线圈12的中心与第一磁流变弹性体8的中心和第二磁流变弹性体9的中心位于同一水平线上；

角度测量装置21固定设置于转子3的底面，角度测量装置21为表面边缘设有多个槽口的码盘，码盘的槽口等距设置，光电传感装置22固定在电机底座 2上，光电传感装置22的感应口为U型，码盘转动时穿过光电传感装置22的发射器与接收器之间的U型感应口，所述光电传感装置22的接收器将接收到的光源反馈到控制器。

码盘的槽口数量为5000-6000个，光电传感装置22为槽型光电传感器，型号为SU-02X，角度测量装置21的型号为RVIT-15-60。

本发明将锚点安放于定子谐振模态的稳定位移零点处，避免了锚点和悬臂梁明显的面外位移和角度偏转。最大限度的限制了定子通过悬臂梁损耗到周围环境的能量，保证了系统的机电转换效率和高品质因数。且通过磁流压力调整组件调整定子与转子之间的压力，对超声微电机进行参数调整，通过感应控制组件可实时测量该电机的转动角度，有利于实现该电机稳定运行。通过感应控制组件可实时测量转子的转速。

在本发明的一个实施例中，转轴7与壳体1和电机底座2连接处均设有轴承6。通过轴承支撑转轴，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。

在本发明的一个实施例中，第一定子4和第二定子5结构相同且均为圆环形，第一定子4和第二定子5均包括硅基底13和压电陶瓷层14，压电陶瓷层 14附着于靠近转子3一侧，硅基底13附着于远离转子3一侧。压电陶瓷层14 的厚度远小于硅基底13的厚度，压电陶瓷层14的上下表面均沉积一层较薄的 Pt电极。转子3与第一定子4和第二定子5靠近一侧设有摩擦层18。压电陶瓷层表面激发出两列时间和空间上相差四分之一个波长的驻波，两驻波叠加后可合成一列周向的行波，然后通过摩擦层时转子和与第一定子和第二定子之间产生相对滑动，实现转子转动。

如图4所示，硅基底13的边缘处设有切口，切口内均设有与开槽配合的悬臂梁支撑件15，切口的数量为第一定子4和第二定子5在其模态中行波数量的 4倍，切口的开口端的外侧还设有圆环19，圆环19的内侧边缘与每个所述悬臂梁支撑件15连接。

圆环19上均匀设置有锚点支承20，锚点支承20的数量为悬臂梁支撑件6 数量的一半，每个锚点支承20设置在相邻两个悬臂梁支撑件的中间，压电陶瓷层14的Pt电极通过电极引线穿过悬臂梁支撑件15与锚点支承20连接。悬臂梁支撑件15的形状为锲形。

在本发明的一个实施例中，第一磁流变弹性体8和第二磁流变弹性体9结构相同，第一磁流变弹性体8和第二磁流变弹性体9的上端面均设有上铁托16，其下端面均设有下铁托17。上铁托16和下铁托17的材质均为高磁导率的电工纯铁。使磁流变弹性体处于较为均匀的磁场环境。

当电压信号施加到由压电薄膜和硅基构成的电机定子上时，通过压电材料的逆压电效应，电机定子会发生弯曲形变，当外界电压信号频率和定子弹性体的固有频率接近时，定子将发生一定规律的机械共振，此时定子压电材料层表面激发出两列时间和空间上相差四分之一个波长的驻波，两驻波叠加后可合成一列周向的行波，然后借助定子表面接触点椭圆运动时定、转子接触界面之间的切向摩擦力使它们产生相对滑动，实现了转子转动。对环形定子结构而言，由于其锚点支承只能安放于定子边缘，通过COMSOL仿真分析易知无论怎样在定子边缘安放锚点，都难以满足“双模态锚点位移为零”的条件。锚点处存在面外振动就会抑制定子模态振型，即无法形成稳定的行波。本发明通过仿真分析确定了定子结构B₁₃谐振模态下稳定的位移零点(锚点)，环形定子COMSOL模态分析B₁₃模态结果如图5，以锚点所在圆周为起始点，沿着径向向外做切口，切口数量等于行波数目的4倍(环形定子结构B₁₃模态波数为3)，然后在锚点处安放直悬臂梁支承，其宽度小于切口。在具有切口的圆环外侧再制作一个圆环，使其能够将所有悬臂梁支撑件连接为一体，外圆环的外侧制作锚点支承，锚点支承数目为悬臂梁数目的一半且与悬臂梁呈现交错分布状态，如图4。定子表面PZT薄膜采用相同的极化方式，并对上表面电极分区处理，由于采用四相电压激励，电极数目4倍于波数，以B₁₃模态为例，如图6和图7 所示，电极数目为12个。

Claims (10)

1.一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，包括电机底座(2)和设置在电机底座(2)上的壳体(1)，所述壳体(1)内设有压电行波超声电机组件、感应控制组件和磁流压力调整组件；

所述压电行波超声电机组件包括第一定子(4)、第二定子(5)、转子(3)、轴承(6)和转轴(7)；

所述感应控制组件包括控制器、光电传感装置(22)和角度测量装置(21)；

所述磁流压力调整组件包括第一磁流变弹性体(8)、第二磁流变弹性体(9)、第一推杆(10)、第二推杆(11)和电磁线圈(12)；

所述转轴(7)依次贯穿壳体(1)的顶部、转子(3)和电机底座(2)，所述转轴(7)上固定设有第一磁流变弹性体(8)和第二磁流变弹性体(9)，所述第一磁流变弹性体(8)的下表面通过第一推杆(10)与第一定子(4)连接，所述第二磁流变弹性体(9)的下表面通过第二推杆(11)与第二定子(5)连接，所述壳体(1)内两侧均设有电磁线圈(12)，所述电磁线圈(12)的中心与第一磁流变弹性体(8)的中心和第二磁流变弹性体(9)的中心位于同一水平线上；

所述角度测量装置(21)固定设置于转子(3)的底面，所述角度测量装置(21)为表面边缘设有多个槽口的码盘，所述码盘的槽口等距设置，所述光电传感装置(22)固定在电机底座(2)上，所述光电传感装置(22)的感应口为U型，所述码盘转动时穿过光电传感装置(22)的发射器与接收器之间的U型感应口，所述光电传感装置(22)的接收器将接收到的光源反馈到控制器。

2.根据权利要求1所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述转轴(7)与壳体(1)和电机底座(2)连接处均设有轴承(6)。

3.根据权利要求1所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述转子(3)与第一定子(4)和第二定子(5)靠近一侧设有摩擦层(18)。

4.根据权利要求1所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述第一定子(4)和第二定子(5)结构相同且均为圆环形，所述第一定子(4)和第二定子(5)均包括硅基底(13)和压电陶瓷层(14)，所述压电陶瓷层(14)附着于靠近转子(3)一侧，所述硅基底(13)附着于远离转子(3)一侧。

5.根据权利要求4所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述压电陶瓷层(14)的厚度小于硅基底(13)的厚度，所述压电陶瓷层(14)的上下表面均沉积一层Pt电极。

6.根据权利要求5所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述硅基底(13)的边缘处设有切口，所述切口内均设有与开槽配合的悬臂梁支撑件(15)，所述切口的数量为第一定子(4)和第二定子(5)在其模态中行波数量的4倍，所述切口的开口端的外侧还设有圆环(19)，所述圆环(19)的内侧边缘与每个所述悬臂梁支撑件(15)连接。

7.根据权利要求6所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述圆环(19)上均匀设置有锚点支承(20)，所述锚点支承(20)的数量为悬臂梁支撑件(15)数量的一半，每个所述锚点支承(20)设置在相邻两个悬臂梁支撑件(15)的中间，所述压电陶瓷层(14)的Pt电极通过电极引线穿过悬臂梁支撑件(15)与锚点支承(20)连接。

8.根据权利要求7所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述悬臂梁支撑件(15)的形状为锲形。

9.根据权利要求1所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述第一磁流变弹性体(8)和第二磁流变弹性体(9)结构相同，所述第一磁流变弹性体(8)和第二磁流变弹性体(9)的上端面均设有上铁托(16)，其下端面均设有下铁托(17)。

10.根据权利要求9所述的基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，其特征在于，所述上铁托(16)和下铁托(17)的材质均为高磁导率的电工纯铁。