CN109787509A

CN109787509A - 一种具有高q值压电的双定子行波超声微电机

Info

Publication number: CN109787509A
Application number: CN201910253748.5A
Authority: CN
Inventors: 何江波
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2019-03-30
Filing date: 2019-03-30
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明公开了一种具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，包括电机盖、第一定子、转子、第二定子、壳体、电机底座和输出转轴；第一定子、转子和第二定子依次通过轴承套接于输出转轴上；第二定子固定设置于电机底座上；第一定子、转子、第二定子和输出转轴均设置于壳体内部，输出转轴的一端穿设出电机底座与电机驱动机构连接；电机盖覆盖于所述壳体。本发明提供的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机首次将锚点设置于定子谐振模态的稳定位移处，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。

Description

一种具有高Q值压电的双定子行波超声微电机

技术领域

本发明超声电机技术领域，具体涉及一种具有高Q值压电的双定子行波超声微电机。

背景技术

微超声电机作为一种利用MENS技术设计制作的新型驱动器件，其在交编电压激励下利用压电材料层的逆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等的转换。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能有点，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一个或多个机械结构将其与基板或周围结构连接起来，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，定子边缘和基地通常由悬臂梁连接，这些连接点称为锚点，锚点为定子到基地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交大的面外运动和角度偏转，锚点的应力集中使得定子工作与不稳定状态，对器件的性能产生较大的影响。

现有的一种圆盘型非接触压电微马达，定子采用圆盘型结构，如图1所示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，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。在这种圆盘型定子中，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。

另外目前行波型超声波电机大都采用环形定子结构，如图2所示，在在这类定子中，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。这种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，本发明提供的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机解决了现有的超声微电机中无法满足“双模态位移为零”的条件，且其品质因数低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，包括电机盖、第一定子、转子、第二定子、壳体、电机底座和输出转轴；

所述第一定子、转子和第二定子依次通过轴承套接于输出转轴上；

所述第二定子固定设置于电机底座上；

所述第一定子、转子、第二定子和输出转轴均设置于壳体内部，所述输出转轴的一端穿设出电机底座与电机驱动机构连接；

所述电机盖覆盖于所述壳体顶部。

本发明的有益效果为：本发明提供的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机首次将锚点设置于定子谐振模态的稳定位移处，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。

进一步地，所述输出转轴的另一端还连接有预紧机构；

所述预紧机构包括弹簧和压紧块；

所述弹簧的一端与第一定子的上表面固定连接，另一端与压紧块的一端固定连接；

所述压紧块的另一端穿设出电机盖。

上述进一步方案的有益效果为：设置的预紧机构为定子和转子之间的接触提供了预压力，使定子产生了较好的振动特性。

进一步地，所述第一定子和第二定子均包括相互粘结的压电陶瓷和硅基底；

所述第一定子和第二定子中的压电陶瓷均朝向于转子方向设置；

所述压电陶瓷的上表面和下表面均沉积有一层Pt电极。

进一步地，所述第一定子、第二定子和转子均为中空的圆柱形腔体，且所述转子上下表面均粘结有一层摩擦层。

上述进一步方案的有益效果为：通过压电陶瓷和摩擦层在定子振动过程中的接触，使转子按照一定的切向速度转动。

进一步地，所述硅基底边缘设置有切口，所述切口内设置有与之配合的悬臂梁支撑件。

进一步地，所述第一定子和第二定子在其模态中的节圆和节径的交点在切口的闭合端端点所形成的圆周上；

所述切口由闭合端端点向硅基底外侧边缘延伸；

每个所述切口内均设置有悬臂梁支撑件；

所述悬臂梁支撑件的一端镶嵌于切口内，另一端延伸出硅基底的外侧边缘。

上述进一步方案的有益效果为：该悬臂梁支撑件为电极引线提供了电路轨迹，同时悬臂梁支撑件的设置位置使定子结构模态具有正交匹配模态，保证了与锚点支承相连的悬臂梁支撑件的内部所有点的位移接近于零。

进一步地，所述切口的数量为第一定子和第二定子在其模态中的行波数量的4倍，每个所述切口均匀设置于硅基底上；

所述硅基底上切口的开口端的外侧还设置有圆环，所述圆环的内侧边缘与每个所述悬臂梁支撑件的另一端端部连接。

上述进一步方案的有益效果为：设置有的圆环使悬臂梁在发生弯曲形变时器弯曲刚度远小于圆环的弯曲刚度，而悬臂梁的形变不能引起外圆环的形变，进而保证了悬臂梁支撑件的内部所有点的位移接近于零。

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，每个所述锚点支承的设置位置对应于相邻两个悬臂梁支撑件的中间位置；

所述悬臂梁支撑件上设置有电极引线；

所述电极引线的一端与压电陶瓷上的Pt电极连接，另一端与距离该悬臂梁支撑件最近的锚点支承连接。

进一步地，所述第一定子和第二定子与转子摩擦层的接触面均设置有至少一个温度传感器。

进一步地，所述温度传感器为WZPD埋入式热电阻贴片传感器。

上述进一步方案的有益效果为：设置的温度传感器于监测定子振动并带动转子13转动过程的温度情况，并将监测结果传输至电极的驱动电路中，使其调整定子的振动频率，从而延长电极的工作寿命。

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为本发明中超声微电机正视结构图。

图4为本发明中超声微电机俯视结构图。

图5为本发明中定子部分在有限元软件中的B₁₃模态云图。

图6为本发明中定子部分(切口)结构示意图。

图7为本发明中悬臂梁支撑件结构示意图。

图8为本发明中定子表面电极分区示意图。

图9为本发明中其他几种可选的悬臂梁支撑件结构示意图。

图10为本发明中其他几种可选的悬臂梁支撑件对应的超声微电机俯视结构示意图，

其中：1、弹簧；2、压紧块；3、电机盖；4、温度传感器；5、摩擦层；6、悬臂梁支撑件；7、圆环；8、硅基底；9、电机底座；10、轴承；11、输出转轴；12、壳体；13、转子；14、压电陶瓷；15、电极引线；16、锚点支承。

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至图4所示，一种具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，电机盖3、第一定子、转子13、第二定子、壳体12、电机底座9和输出转轴11；

第一定子、转子13和第二定子依次通过轴承10套接于输出转轴11上；

第二定子固定设置于电机底座9上；

第一定子、转子13、第二定子和输出转轴11均设置于壳体12内部，输出转轴11的一端穿设出电机底座9与电机驱动机构连接；

电机盖3覆盖于壳体12顶部。

上述输出转轴11的另一端还连接有预紧机构；预紧机构包括弹簧1和压紧块2；弹簧1的一端与第一定子的上表面固定连接，另一端与压紧块2的一端固定连接；压紧块2的另一端穿设出电机盖3。预紧机构通过压紧块2和弹簧1的配合，方便调节向定子和转子13施加的预压力，进而使定子产生较好的振动特性。

上述第一定子和第二定子均包括相互粘结的压电陶瓷14和硅基底8；该压电陶瓷14的厚度远小于硅基底8的厚度；第一定子和第二定子中的压电陶瓷14均朝向于转子13方向设置；压电陶瓷14的上表面和下表面均沉积有一层较薄的Pt电极。

第一定子、第二定子和转子13均为中空的圆柱形腔体，且转子13上下表面均粘结有一层摩擦层5，该摩擦层5的厚度远小于压电陶瓷14的厚度。

硅基底8边缘设置有切口，该切口为悬臂梁支撑件6提供了放置控制，切口内设置有与之配合的悬臂梁支撑件6，该悬臂梁支撑件6为电极引线15提供了电路轨迹。

第一定子和第二定子在其模态中的节圆和节径的交点在切口的闭合端端点所形成的圆周上；切口由闭合端端点向硅基底8外侧边缘延伸；每个切口内均设置有悬臂梁支撑件6；悬臂梁支撑件6的一端镶嵌于切口内，另一端延伸出硅基底8的外侧边缘。

切口的数量为第一定子和第二定子在其模态中的行波数量的4倍，每个切口均匀设置于硅基底8上；硅基底8上切口的开口端的外侧还设置有圆环7，圆环7的内侧边缘恰好与每个悬臂梁支撑件6的另一端端部连接。

圆环7上均匀设置有数量为悬臂梁支撑件6数量一半的锚点支承16，每个锚点支承16的设置位置对应于相邻两个悬臂梁支撑件6的中间位置；悬臂梁支撑件6上设置有电极引线15；电极引线15的一端与压电陶瓷14上的Pt电极连接，另一端与距离该悬臂梁支撑件6最近的锚点支承16连接。

在本发明的一个实施例中，第一定子和第二定子与转子13上的摩擦层5的接触面均设置有至少一个温度传感器4；温度传感器4为WZPD埋入式热电阻贴片传感器。该传感器用于监测定子振动并带动转子13转动过程的温度情况，并将监测结果传输至电极的驱动电路中，使其调整定子的振动频率，从而延长电极的工作寿命。

在本发明的一个实施例中，提供了该超声微电机的工作原理：当电机驱动器将两相相位差为90度的同频等符的交变电压信号施加到由压电陶瓷和硅基底构成的第一定子和第二定子上时，通过压电陶瓷的逆压电效应，电机的第一定子和第二定子会发生完全形变，当外界电压信号频率和定子弹性体的固有频率接近时，第一定子和第二定子都会同时激发出两相幅值相等、在时间和空间相位相差为90度的驻波，两相驻波相叠加，结果便在第一定子和第二定子中分别形成沿一定方向传播的波，然后借助定子表面接触点椭圆时，定子和转子接触界面之间的切向摩擦力使它们产生相对滑动，实现转子的转动。两个定子表面支点的切向速度决定了转子的转动速度，且转子的转动方向与行波的传播方向相同。

对于环形定子结构而言，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便于安放锚点，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一直定子模态振型中，即无法形成稳定的行波。在本发明中的定子结构其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。究其原因在于悬臂梁的弯曲刚度远小于外圆环的弯曲刚度，悬臂梁的变形不能引起外圆环的变形。

在本发明中，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所示，以锚点所在的圆周为起始点，沿着径向向外做切口(如图6所示)，切口数量等于行波数量的4倍(环形定子结构B₁₃模态波数为3)，然后在锚点处安放悬臂梁支撑件(如图7所示)，其宽度小于矩形切口；如图8所示，压电陶瓷上的PZT薄膜采用相同的极化方式，并对其上表面电极进行分区处理，由于采用的是四相电压激励，电极数目4倍于行波数，以B₁₃模态为例，电极数目为12个。

在本发明的一个实施例中，本发明中的悬臂梁支撑件的形状除了图7所示的形状外，还可包括如图9所示的几种形状；相应的图6中的定子结构形状还可包括图10所示的几种形状；上述几种定子结构组成的电机均具有本发明电机的特点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims

1.一种具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，包括电机盖(3)、第一定子、转子(13)、第二定子、壳体(12)、电机底座(9)和输出转轴(11)；

所述第一定子、转子(13)和第二定子依次通过轴承(10)套接于输出转轴(11)上；

所述第二定子固定设置于电机底座(9)上；

所述第一定子、转子(13)、第二定子和输出转轴(11)均设置于壳体(12)内部，所述输出转轴(11)的一端穿设出电机底座(9)与电机驱动机构连接；

所述电机盖(3)覆盖于所述壳体(12)顶部。

2.根据权利要求1所述的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，所述输出转轴(11)的另一端还连接有预紧机构；

所述预紧机构包括弹簧(1)和压紧块(2)；

所述弹簧(1)的一端与第一定子的上表面固定连接，另一端与压紧块(2)的一端固定连接；

所述压紧块(2)的另一端穿设出电机盖(3)。

3.根据权利要求1所述的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，所述第一定子和第二定子均包括相互粘结的压电陶瓷(14)和硅基底(8)；

所述第一定子和第二定子中的压电陶瓷(14)均朝向于转子(13)方向设置；

所述压电陶瓷(14)的上表面和下表面均沉积有一层Pt电极。

4.根据权利要求3所述的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，所述第一定子、第二定子和转子(13)均为中空的圆柱形腔体，且所述转子(13)上表面和下表面均粘结有一层摩擦层(5)。

5.根据权利要求3所述的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，所述硅基底(8)边缘设置有切口，所述切口内设置有与之配合的悬臂梁支撑件(6)。

6.根据权利要求5所述的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，所述第一定子和第二定子在其模态中的节圆和节径的交点在切口的闭合端端点所形成的圆周上；

所述切口由闭合端端点向硅基底(8)外侧边缘延伸；

每个所述切口内均设置有悬臂梁支撑件(6)；

所述悬臂梁支撑件(6)的一端镶嵌于切口内，另一端延伸出硅基底(8)的外侧边缘。

7.根据权利要求6所述的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，所述切口的数量为第一定子和第二定子在其模态中的行波数量的4倍，每个所述切口均匀设置于硅基底(8)上；

所述切口的开口端的外侧还设置有圆环(7)，所述圆环(7)的内侧边缘与每个所述悬臂梁支撑件(6)的另一端端部连接。

8.根据权利要求7所述的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，所述圆环(7)上均匀设置有锚点支承(16)，所述锚点支承(16)的数量为悬臂梁支撑件(6)数量的一半，每个所述锚点支承(16)的设置位置对应于相邻两个悬臂梁支撑件(6)的中间位置；

所述悬臂梁支撑件(6)上设置有电极引线(15)；

所述电极引线(15)的一端与压电陶瓷(14)上的Pt电极连接，另一端与距离该悬臂梁支撑件(6)最近的锚点支承(16)连接。

9.根据权利要求4所述的具有高Q值压电的双定子行波超声微电机，其特征在于，所述第一定子和第二定子与转子(13)上的摩擦层(5)的接触面均设置有至少一个温度传感器(4)。

10.根据权利要求9所述的具有高Q值压电的双钉子行波超声微电机，其特征在于，所述温度传感器(4)为WZPD埋入式热电阻贴片传感器。