CN110212808A - 一种非接触力式微旋转机构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种引力/斥力驱动的非接触力式微旋转机构及其制造方法,属于智能微型器件领域，主要涉及微机电系统技术、精密加工技术、以及精密装配等。该机构采用磁极间相互作用力取代传统通孔轴承压簧定位轴的连接方式，能够优化机构组成部件结构，可极大提高空间利用率。并且，引力式结构还具有削弱电机径向振动的作用，在电机运转过程中，提高转子与定子的同轴度。同时，旋转机构并非直接输出轴功，而是可以在盘状转子上添加结构实现不同的功能，将执行器与控制对象一体化，比如转子为玻璃材料时可在上边添加光栅或者覆滤波膜等得到偏振光或者特定波长的光，可实现电机与滤波轮一体化和芯片化，大幅缩小相关器件的体积。
Description
所属技术领域
本发明属于智能微型器件领域，主要涉及微机电系统技术、精密加工技术、以及精密装配等。
现有技术
超声电机是20世纪末发展起来的一种全新概念的微型电机，与传统的电磁电机原理不同，它是利用压电材料的逆压电效应，使得弹性体定子在超声频段产生振动，通过转子和弹性体定子之间的摩擦耦合获得扭矩和运动进而驱动转子。具有的体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、无电磁干扰等优点使其在现代武器装备、工业自动化、家庭生活自动化和办公自动化中发挥了重要作用。超声电机没有线圈，结构简单并且易于加工，在微机电系统(MEMS)等领域具有广阔应用场景，微型化和集成化是其重要发展方向。
Kurosawa于1991年研制的纵/扭矩压电电机(Kurosawa M,Ueha S.IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,1991,38(2):89-92)，利用长轴贯穿于定子和转子的中心孔，依靠弹簧变形力实现转子压紧定子，加在转子上的预压力为90N，电机直径为50mm，全长约为82mm。1999年，日本精工仪器有限公司的研究人员研制了一种微型杆式超声电机(SuzukiY,TaniK,SakuharaT.SensorsandActuatorsA:Physical,2000,83(3):244-248.)，将片弹簧的中心部分和轴的顶部焊接，通过平簧结构将悬架部件弯曲到转子上产生定子和转子之间的接触压力。该新型电机直径为2mm，高度0.3mm。可以看出，施加预压力的方式对于超声电机的微型化和集成化具有重要影响。本发明专利提出的基于非接触力式的微旋转机构实现方法，通过磁力保证定转子之间的摩擦，可大幅度减小电机的体积。
发明内容
为了改进传统旋转驱动装置利用压簧等提供接触式预紧力导致组成复杂、机械效率低等方面的不足，本发明提出了一种非接触力式微旋转机构实现方法，该机构结构简单紧凑、便于集成，可应用在硅晶片、集成电路芯片等领域。
参阅图1，本发明提出的非接触力式微旋转机构有两种实现方式：引力式旋转机构(如图1(a))和斥力式旋转机构(如图1(b))。
引力式旋转机构由圆片1、第一磁石2、弹性体3、压电陶瓷4、第一底座5、第二磁石6、第一外壳7组成。圆片1和第一磁石2组成转子部分，两者为同轴心粘接。圆片1上可增加一层耐磨材料，如聚四氟乙烯基摩擦材料，来提高机械性能和使用寿命。弹性体3和压电陶瓷4组成定子部分，两者也为同轴心粘接。弹性体3为圆环状结构，压电陶瓷4的机械振动将以波的形式在弹性体3中传播。弹性体3内圈的加强筋是为了增加其强度和刚度，克服工作时应力不均造成的歪扭形变。弹性体3上的齿状结构一方面是为了在定子环弯曲刚度基本保持不变的情况下，使定子振动振幅放大，另一方面，齿状结构的槽中可容纳定、转子之间摩擦产生的碎屑，从而保证电机的正常工作。定子、转子以及第二磁石6间为同轴心装配，且转子部分的第一磁石2置于定子部分的弹性体3内，两者之间为间隙配合，以保证正常旋转。引力式旋转机构利用转子上的第一磁石2与第一底座5上的第二磁石6异性磁极相互吸引提供旋转所需的预压力。
斥力式旋转机构由圆片1、第一磁石2、弹性体3、压电陶瓷4、第二磁石6、第二底座8、第二外壳9组成。圆片1和第一磁石2组成转子部分，两者为同轴心粘接。圆片1上可增加一层耐磨材料，如聚四氟乙烯基摩擦材料，来提高机械性能和使用寿命。弹性体3和压电陶瓷4组成定子部分，两者也为同轴心粘接。弹性体3为圆环状结构，压电陶瓷4的机械振动将以波的形式在弹性体3中传播。弹性体3内圈的加强筋是为了增加其强度和刚度，克服工作时应力不均造成的歪扭形变。弹性体3上的齿状结构一方面是为了在定子环弯曲刚度基本保持不变的情况下，使定子振动振幅放大，另一方面，齿状结构的槽中可容纳定、转子之间摩擦产生的碎屑，从而保证电机的正常工作。定子、转子以及第二磁石6间为同轴心装配，转子上的第一磁石2与定子间为间隙配合，以保证正常旋转。斥力式旋转机构利用转子上的第一磁石2与第二外壳9上的第二磁石6同性磁极相互排斥提供旋转所需的预压力。
引力式旋转机构工作原理参阅图1(a)，在压电陶瓷4上施加两项相位差为90度的超声波频率的交变电压，因压电材料的逆压电效应，压电陶瓷4会发生周期性的形变,从而产生几十千赫兹的超声波频率的机械振动。当压电陶瓷4与弹性体3结合在一起时,机械振动就以波的形式在弹性体3中传播,使振动体表面起驱动作用的质点形成椭圆轨迹的超声波频率微观振动。第一磁石2因受到第二磁石6的引力而压紧弹性体3，振动体的表面借助于摩擦力推动与其接触的转子部分转动。
斥力式旋转机构工作原理参阅图1(b)，在压电陶瓷4上施加两项相位差为90度的超声波频率的交变电压，因压电材料的逆压电效应，压电陶瓷4会发生周期性的形变,从而产生几十千赫兹的超声波频率的机械振动。当压电陶瓷4与弹性体3结合在一起时,机械振动就以波的形式在弹性体3中传播,使振动体表面起驱动作用的质点形成椭圆轨迹的超声波频率微观振动。第一磁石2因受到第二磁石6斥力而压紧弹性体3，振动体的表面借助于摩擦力推动与其接触的转子部分转动。
参阅图2，本发明提出的引力式微旋转机构的制备方法，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图2(a)，用机床加工出圆片1；
步骤2：参阅图2(b)，用位移台将圆片1与磁石2粘接，得到电机的转子部分；
步骤3：参阅图2(c)，用机床加工出齿状的弹性体3；
步骤4：参阅图2(d)，用位移台将弹性体3与压电陶瓷4粘接，得到电机的定子部分；
步骤5：参阅图2(e)，在一定厚度的基片上铣出第一底座5；
步骤6：参阅图2(f)，将第二磁石6嵌入第一底座5中，得到磁性底座；
步骤7：参阅图2(g)，在一定厚度的基片上铣出第一外壳7；
步骤8：参阅图2(h)(i)，由上到下，将外壳、转子、定子与磁性底座装配到一起，得到完整的电机；
参阅图3，本发明提出的斥力式微旋转机构的制备方法，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图3(a)，用机床加工出圆片1；
步骤2：参阅图3(b)，用位移台将圆片1与磁石2粘接，得到电机的转子部分；
步骤3：参阅图3(c)，用机床加工出齿状的弹性体3；
步骤4：参阅图3(d)，用位移台将弹性体3与压电陶瓷4粘接，得到电机的定子部分；
步骤5：参阅图3(e)，在一定厚度的基片上铣出第二底座8；
步骤6：参阅图3(f)，在一定厚度的基片上铣出第二外壳9；
步骤7：参阅图3(g)，将第二磁石6嵌入第二外壳9中，得到磁性外壳；
步骤8：参阅图3(h)(i)，由上到下，将磁性外壳、转子、定子与底座装配到一起，得到完整的电机。
本发明提出的非接触力式微旋转机构实现方法，采用磁极间相互作用力取代传统通孔轴承压簧定位轴的连接方式，能够优化机构组成部件结构，可极大提高空间利用率。并且，引力式结构还具有削弱电机径向振动的作用，在电机运转过程中，提高转子与定子的同轴度。在磁石的选取时应注意提供的预应力大小适当，需兼顾定、转子间的摩擦、磨损和噪声，并同时保证电机有较好的输出性能，合适的预应力可以使电机有较快的空载转速和较大的输出扭矩。同时，旋转机构并非直接输出轴功，而是可以在盘状转子上添加结构实现不同的功能，将执行器与控制对象一体化，比如转子为玻璃材料时可在上边添加光栅或者覆滤波膜等得到偏振光或者特定波长的光，可实现电机与滤波轮一体化和芯片化，大幅缩小相关器件的体积。本发明为实现微型电机芯片化应用提供一种可行思路。
附图说明
图1非接触力式微旋转机构的基本工作原理
图2引力式微旋转机构的实现工艺
图3斥力式微旋转机构的实现工艺
其中：1.圆片；2.第一磁石；3.弹性体；4.压电陶瓷；5.第一底座；6.第二磁石；7.第一外壳；8.第二底座；9.第二外壳
具体实施方式
实施例1
本实施例为一个引力式旋转机构，由Φ25mm厚度0.3mm的玻璃材质的圆片1、Φ6.8mm厚度0.6mm的铷铁硼第一磁石2、内径Φ6.9mm外径Φ12mm带齿的圆环状的磷青铜弹性体3、厚0.3mm内径Φ6.9mm外径Φ12mm带有电极的压电陶瓷4、带有Φ10mm深0.4mm盲孔的Φ28mm厚度1mm的第一底座5、Φ6.8mm厚度0.6mm的铷铁硼第二磁石6、PMMA材质的第一外壳7组成。圆片1和第一磁石2组成转子部分，两者为同轴心粘接。圆片1上可增加一层耐磨材料，如聚四氟乙烯基摩擦材料，来提高机械性能和使用寿命。弹性体3和压电陶瓷4组成定子部分，两者也为同轴心粘接。弹性体3为圆环状结构，压电陶瓷4的机械振动将以波的形式在弹性体3中传播。弹性体3内圈的加强筋是为了增加其强度和刚度，克服工作时应力不均造成的歪扭形变。弹性体3上的齿状结构一方面是为了在定子环弯曲刚度基本保持不变的情况下，使定子振动振幅放大；另一方面，齿状结构的槽中可容纳定、转子之间摩擦产生的碎屑，从而保证电机的正常工作。定子、转子以及第二磁石6间为同轴心装配，且转子部分的第一磁石2置于定子部分的弹性体3内，两者之间为间隙配合，以保证正常旋转。引力式旋转机构利用转子上的第一磁石2与第一底座5上的第二磁石6异性磁极相互吸引提供旋转所需的预压力。
参阅图2，本实施例中引力式微旋转机构实现方法，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图2(a)，在0.3mm厚玻璃片上用精雕机床加工出Φ25mm的玻璃圆片1；
步骤2：参阅图2(b)，用压电位移台将圆片1与Φ6.8mm厚度0.6mm铷铁硼磁石2精密粘接，得到超声波电机的转子部分；
步骤3：参阅图2(c)，将2mm的磷青铜片铣薄至1.4mm，用0.2mm微铣刀铣出24道深0.8mm的辐射状槽，用1mm铣刀铣出内部Φ6.9mm深1.2mm的孔、Φ4.5mm通孔以及Φ12mm外圆，得到磷青铜弹性体3；
步骤4：参阅图2(d)，用压电位移台将磷青铜弹性体3与压电陶瓷4粘接，得到超波电机的定子部分；
步骤5：参阅图2(e)，在1mm厚的PMMA片上铣出Φ10mm，深0.4mm的孔，在片子上切Φ28mm外圆将其切离，得到第一底座5；
步骤6：参阅图2(f)，将Φ10mm厚度0.4mm铷铁硼第二磁石6嵌入第一底座5的Φ10mm深0.4mm孔中，得到磁性底座；
步骤7：参阅图2(g)，在2.5mm厚的PMMA片上铣出Φ27mm，深2.2mm的孔，在片子上切Φ28mm外圆将其切离，得到第一外壳7；
步骤8：参阅图2(h)(i)，由上到下，将外壳、转子、定子与磁性底座装配到一起，得到完整的电机；
备注：玻璃圆片1的材料也可以为硅、钢、铜、铝、塑料等，磷青铜弹性体3的材料也可以是不锈钢、铝等。
实施例2
本实施例为一个斥力式旋转机构，由Φ25mm厚度0.3mm的玻璃材质的圆片1、Φ6.8mm厚度0.6mm的铷铁硼第一磁石2、内径Φ6.9mm外径Φ12mm带齿的圆环状的磷青铜弹性体3、厚0.3mm内径Φ6.9mm外径Φ12mm带有电极的压电陶瓷4、Φ6.8mm厚度0.6mm的铷铁硼第二磁石6、Φ28mm厚度1mm的第二底座8、PMMA材质的第二外壳9组成。玻璃圆片1上镀有六个通道的，可透过六个不同波段可见光的扇形滤波膜。每个扇形为60°，每个扇形滤波膜由四层薄膜构成，由下到上分别为1nm的铬膜、18nm银膜，20-40nm的硅膜，18nm的银膜，透过的可见光的波长通过改变硅膜的厚度来实现。圆片1和第一磁石2组成转子部分，两者为同轴心粘接。圆片1上可增加一层耐磨材料，如聚四氟乙烯基摩擦材料，来提高机械性能和使用寿命。弹性体3和压电陶瓷4组成定子部分，两者也为同轴心粘接。弹性体3为圆环状结构，压电陶瓷4的机械振动将以波的形式在弹性体3中传播。弹性体3内圈的加强筋是为了增加其强度和刚度，克服工作时应力不均造成的歪扭形变。弹性体3上的齿状结构一方面是为了在定子环弯曲刚度基本保持不变的情况下，使定子振动振幅放大，另一方面，齿状结构的槽中可容纳定、转子之间摩擦产生的碎屑，从而保证电机的正常工作。定子、转子以及第二磁石6间为同轴心装配，转子上的第一磁石2与定子间为间隙配合，以保证正常旋转。斥力式旋转机构利用转子上的第一磁石2与第二外壳9上的第二磁石6同性磁极相互排斥提供旋转所需的预压力。参阅图3，本实施例中斥力式微旋转机构实现方法，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图3(a)，在0.3mm厚玻璃片上用精雕机床加工出Φ25mm的玻璃圆片1，用电子束蒸发镀膜机在圆片上蒸镀六个滤波通道，每个通道为60°扇形，布满整个玻璃片，扇形通道由四层薄膜构成，由下到上分别为1nm的铬膜、18nm银膜，20-40nm的硅膜，18nm的银膜，各通道只有中间那层硅膜厚度不同，分别是20nm、24nm、28nm、32nm、36nm、40nm；
步骤2：参阅图3(b)，用压电位移台将圆片1与Φ6.8mm厚度0.6mm铷铁硼磁石2精密粘接，得到超声波电机的转子部分；
步骤3：参阅图3(c)，将2mm的磷青铜片铣薄至1.4mm，用0.2mm微铣刀铣出24道深0.8mm的辐射状槽，用1mm铣刀铣出内部Φ6.9mm深1.2mm的孔、Φ4.5mm通孔以及Φ12mm外圆，得到磷青铜弹性体3；
步骤4：参阅图3(d)，用压电位移台将磷青铜弹性体3与压电陶瓷4粘接，得到超声波电机的定子部分；
步骤5：参阅图3(e)，在1mm厚的PMMA片上切出Φ28mm圆片，得到第二底座8；
步骤6：参阅图3(f)，在3mm厚的PMMA片上铣出Φ27mm深2.2mm的孔和Φ10mm深0.4mm的孔，在片子上切Φ28mm外圆将其切离，得到第二外壳9；
步骤7：参阅图3(g)，将Φ10mm厚度0.4mm铷铁硼第二磁石6嵌入第二外壳9的Φ10mm深0.4mm孔中，得到磁性外壳；
步骤8：参阅图3(h)(i)，由上到下，将磁性外壳、转子、定子与底座装配到一起，得到完整的电机；
备注：玻璃圆片1的材料也可以为硅、钢、铜、铝、塑料等，磷青铜弹性体3的材料也可以是不锈钢、铝等。
Claims (7)
1.非接触力式微旋转机构,其特征在于，属于引力式旋转机构，由圆片1、第一磁石2、弹性体3、压电陶瓷4、第一底座5、第二磁石6、第一外壳7组成；圆片1和第一磁石2组成转子部分，两者为同轴心粘接；弹性体3和压电陶瓷4组成定子部分，两者也为同轴心粘接；弹性体3为圆环状结构，压电陶瓷4的机械振动将以波的形式在弹性体3中传播；定子、转子以及第二磁石6间为同轴心装配，且转子部分的第一磁石2置于定子部分的弹性体3内，两者之间为间隙配合，以保证正常旋转；所述机构利用转子上的第一磁石2与第一底座5上的第二磁石6异性磁极相互吸引提供旋转所需的预压力。
2.非接触力式微旋转机构,其特征在于，属于斥力式旋转机构,由圆片1、第一磁石2、弹性体3、压电陶瓷4、第二磁石6、第二底座8、第二外壳9组成；圆片1和第一磁石2组成转子部分，两者为同轴心粘接；弹性体3和压电陶瓷4组成定子部分，两者也为同轴心粘接；性体3为圆环状结构，压电陶瓷4的机械振动将以波的形式在弹性体3中传播；定子、转子以及第二磁石6间为同轴心装配，转子上的第一磁石2与定子间为间隙配合，以保证正常旋转；所述机构利用转子上的第一磁石2与第二外壳9上的第二磁石6同性磁极相互排斥提供旋转所需的预压力。
3.如权利要求1或2所述的非接触力式微旋转机构,其特征在于，所述弹性体3上有齿状结构，相邻齿之间为径向槽。
4.如权利要求1或2所述的非接触力式微旋转机构,其特征在于，所弹性体3内圈有加强筋。
5.如权利要求1或2所述的非接触力式微旋转机构,其特征在于，所述圆片1上有一层耐磨材料。
6.如权利要求1所述的非接触力式微旋转机构的制备方法,包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：用机床加工出圆片1；
步骤2：用位移台将圆片1与磁石2粘接，得到电机的转子部分；
步骤3：用机床加工出齿状的弹性体3；
步骤4：用位移台将弹性体3与压电陶瓷4粘接，得到电机的定子部分；
步骤5：在基片上铣出第一底座5；
步骤6：将第二磁石6嵌入第一底座5中，得到磁性底座；
步骤7：在另一基片上铣出第一外壳7；
步骤8：由上到下，将外壳、转子、定子与磁性底座装配到一起，得到完整的电机。
7.如权利要求1所述的非接触力式微旋转机构的制备方法,包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：用机床加工出圆片1；
步骤2：用位移台将圆片1与磁石2粘接，得到电机的转子部分；
步骤3：用机床加工出齿状的弹性体3；
步骤4：用位移台将弹性体3与压电陶瓷4粘接，得到电机的定子部分；
步骤5：在基片上铣出第二底座8；
步骤6：在另一基片上铣出第二外壳9；
步骤7：将第二磁石6嵌入第二外壳9中，得到磁性外壳；
步骤8：由上到下，将磁性外壳、转子、定子与底座装配到一起，得到完整的电机。
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