CN1156068C - 基于压电柱的弯曲振动超声波微电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声应用领域，涉及一种基于压电柱的弯曲振动模态超声波微电机，包括激励超声振动的定子，输出力矩的转子/轴以及给转子加压的预压力机构，所说的定子主要由激励振动的压电陶瓷元件以及匹配块构成，其特征在于，所说的激励弯曲振动的压电陶瓷元件为压电柱，其外壁涂有四个均匀分布的供极化和激励振动所用的外电极。本电机可加工的尺寸为0.2mm到3mm之间，大大的促进了超声电机的微型化。在输入电信号峰峰值约10V时，转子可以在定子表面上明显转动起来。本发明将在生物、医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

Description

基于压电柱的弯曲振动超声波微电机及其电极组合和激励方法

技术领域  本发明属于超声应用领域，特别涉及一种微型化的超声波电机结构设计。

背景技术  压电超声电机是利用压电材料的逆压电效应，采取特定的结构制成的驱动机构，它一般由定子、转子以及预压力机构等功能部件构成。它利用压电陶瓷的逆压电效应，在定子表面产生超声振动，并由定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动。超声电机具有以下优于普通电磁电机的特点：

1、低转速、大转矩，不需要减速机构可直接驱动负载。

2、体积小、结构灵活，功率体积比是电磁电机的3-10倍。

3、起动停止响应快，响应时间小于1毫秒。

4、不产生电磁干扰，也不受电磁干扰。

5、有自保持力矩，无齿轮间隙，可精密定位。

6、运行安静无噪声。

弯曲振动模态超声波电机是超声电机的一种，它的结构相对别的超声电机比较简单，同样主要由激励超声振动的定子，输出力矩的转子/轴以及给转子加压的预压力机构等组成，所说的定子又主要由激励振动的压电陶瓷元件以及匹配块构成。同时弯曲振动模态超声波电机又根据激励弯曲摇头振动的方式和压电陶瓷元件的形状分为压电片驱动电机、压电管驱动电机。它们的传动原理和驱动机构都相同，如图1所示。定子处于圆周摇头的振动模态，定子11与环状转子12之间有一很小的间隙，传动时定子边弯曲边摇头运动，因此定转子之间有切点接触，其接触点在定子的外圆周边上移动，依次，定、转子间的摩擦力使转子沿与接触点移动方向相反的方向转动。

现有的两种激励弯曲摇头振动方式如图2和图4所示：

图2为已有的压电片激励弯曲摇头振动的原理图，所用的压电陶瓷元件为4片压电片。在同一压电片上以直径对称分两半反相极化，通A相电流的两片压电片21和通B相电流的两片压电片22空间垂直排列，两相均采用朗之万夹心结构组成定子，同时A相输入Sin信号，B相输入Cos信号，这样采用时间和空间各90度相位差来激励弯曲振动；这种压电片激励的弯曲振动模态超声波电机结构如图3所示，上下匹配块36、38夹紧4片压电陶瓷片37后共同构成电机的定子，置于定子上的转子35为空心结构，其中空部位有施加预压力的弹簧34，力矩通过齿轮33输出，32为聚四氟乙烯套，起轴承的作用，31为垫圈，39为主轴。

图4为已有的压电管激励弯曲摇头振动的原理图，所用的压电陶瓷元件为压电管。压电管由外壁向内壁均匀极化，在使用时其内电极接地，外壁涂有四个均匀分布的外电极45，依次在41、42、43和44四极上通入sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt信号激励。这种压电管激励的弯曲振动模态超声波电机结构如图5所示，压电管51两端接两个金属帽52构成电机定子，两端的转子53用螺母55和弹簧54拧在轴56上。

上述弯曲振动模态超声波电机的主要优势就是易于实现微型化和产业化。到目前为止做的最小的超声电机是新加坡国立大学的直径为1.5mm的摇头电机，该电机用压电陶瓷管来激励电机的弯曲振动，但压电管和压电片由于要考虑内径，所以要进一步小型化比较困难。

发明内容  本发明的目的是为克服已有技术在微型化方向上的不足之处，提出一种圆柱微超声电机，其特点是以压电陶瓷柱为激励弯曲振动的压电元件。它不需要考虑内径，可以做的非常小，其微电机的直径可达到0.30mm左右，可将超声电机的应用推向一个新的阶段。

本发明提出的一种基于压电陶瓷柱的弯曲振动模态超声波微电机，包括激励超声振动的定子，输出力矩的转子/轴以及给转子加压的预压力机构，所说的定子主要由激励振动的压电陶瓷元件以及匹配块构成，其特征在于，所说的激励弯曲振动的压电陶瓷元件为压电柱，其外壁涂有四个均匀分布的供极化和激励振动所用的外电极。

用于上述的超声波微电机的压电陶瓷圆柱极化的电极组合和激励方法：其特征在于，其中所述的极化的电极组合方法包括以下步骤：

1)在压电陶瓷圆柱的侧面上均匀涂上四份银电极；

2)相对的两个电极通入高压直流电，另两个相对的电极接地；

3)再按常规压电陶瓷的极化方法进行极化；

所述的激励方法包括以下步骤：

1)在已极化的压电柱四个电极81、82、83和84上分别焊上导线；

2)在四份电极81、82、83和84上同时分别加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流电信号，则可激励该压电柱产生所需的弯曲摇头振动。

本发明的特点及效果：

本发明设计的超声电机可加工的尺寸为0.2mm到3mm之间，大大的促进了超声电机的微型化。在输入电信号峰峰值约10V时，转子可以在定子表面上明显转动起来。本发明将在生物、医疗、微机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为所有弯曲振动模态超声波电机的传动原理示意图。

图2为通过压电片激励弯曲摇头振动的原理示意图。

图3为已有的压电片激励弯曲摇头电机的结构示意图。

图4为通过压电管激励弯曲摇头振动的原理示意图。

图5为已有的压电管激励弯曲摇头电机的结构示意图。

图6为压电柱分极示意图。

图7为压电柱极化示意图。

图8为压电柱通电流激励弯曲摇头振动方式示意图。

图9为圆柱微超声电机实施例一——磁力定位电机结构示意图。

图10为圆柱微超声电机实施例二——力矩轴输出电机结构示意图。

图11为圆柱微超声电机实施例三——固定轴电机结构示意图。

图12为圆柱微超声电机实施例四——外壳卡定电机结构示意图。

具体实施方式    本发明的四种圆柱微超声电机实施例结构结合各附图详细说明如下：

本发明的四种圆柱微超声电机实施例由激励超声振动的定子，输出力矩的转子/轴以及给转子加压的预压力机构组成，所说的定子主要由激励振动的压电陶瓷元件以及匹配块构成。他们的共同点在于激励定子振动的压电陶瓷元件都完全相同，即极化和激励方式相同的压电陶瓷柱。不同点主要在于转子/轴及预压力机构的结构不同。

本发明的四种结构电机的实施例分别说明如下：

该结构的主要特点在于用磁性钢球91做转子，压电陶瓷柱93和凹形磁性金属匹配块92用强力胶粘结形成一体，共同构成电机的定子。磁性钢球转子放置在金属匹配块凹面中。这样靠转子和金属匹配块92之间的磁力作为固定转子和产生摩擦力所需的预压力，力矩由转子直接输出，如图9所示。

实施例二为力矩轴输出结构该结构的主要特点在于：轴101的下端固定有一个直径比轴稍大的小圆盘，它和轴是一体。定子匹配块104中间除了有穿轴孔外还在上下表面各有一个凹形圆孔。将轴101从下到上穿过匹配块后再将匹配块104与压电陶瓷圆柱105在107处胶粘，这样104与105共同构成电机的定子。转子103置于定子匹配块104之上并与轴101通过键卡合。预压力由小弹簧102提供。这样轴可以用定子的匹配块104反扣定位，并且可以和转子一起转动，力矩可由轴101直接输出。图中106处为定子与转子之间的摩擦界面。如图10所示。

实施例三为固定轴结构

该结构的主要特点是在定子匹配块113的中间加工出一个细棒作为电机的固定轴1130。该轴与定子匹配块是同一金属件。压电陶瓷圆柱114与匹配块在116处胶粘接，共同作为电机的定子。转子112套在定子匹配块113的固定轴1130上并由小弹簧111提供预压力。该电机中，轴1130起的主要作用是给转子112和压力小弹簧111定位。力矩由转子直接输出，实际使用时可将转子外边缘加工成齿轮，通过齿轮传动输出力矩。115处为定子与转子之间的摩擦界面。如图11所示。

实施例四为外壳卡定结构

该结构的主要特点是整个驱动机构罩在一个金属外壳120里面，外壳通过橡胶垫121和聚四氟圈127压迫弹簧122产生预压力。转子123置于定子匹配块124之上，转子123的中间加工有一个细棒作为轴1230，该轴和转子是同一金属件。在压电陶瓷圆柱125上端表面与匹配块124下端表面之间129处胶粘接。压电陶瓷圆柱125下端表面同样胶粘接在金属底座126上并通过螺纹在下端侧面1210处和外壳定位固定。定子与转子之间为摩擦界面128，力矩可由轴直接输出。

本实施例压电柱极化的电极组合和激励方法如图7和图8所示。在压电陶瓷圆柱侧面上分别均匀度上四份银电极61如图6所示，然后再按图7方式加高压直流电极化，图中71通入高压直流电，72接地，则箭头所示方向为极化方向。极化后该陶瓷就具有特殊方向的压电效应。使用时在四份电极81、82、83和84上分别加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流电信号(图8)，则根据压电陶瓷的逆压电效应和图7所示的特殊极化方向，就可激励该压电柱产生所需的弯曲摇头振动。

Claims (4)

1、一种基于压电柱的弯曲振动模态超声波微电机，包括激励超声振动的定子，输出力矩的转子/与转子连成一体的轴以及给转子加压的预压力机构，所说的定子主要由激励振动的压电陶瓷元件以及定子匹配块构成，其特征在于，所说的激励弯曲振动的压电陶瓷元件为压电陶瓷圆柱，其外壁涂有四个均匀分布的供极化和激励振动所用的外电极，所述四个电极同时分别加正弦、余弦、反向正弦、反向余弦四路交流电信号，激励该压电柱产生所需的弯曲摇头振动。

2、如权利要求1所述的基于压电柱的弯曲振动模态超声波微电机，其特征在于，其中所说的轴的下端固定有一个直径比轴稍大的小圆盘，它和轴是一体；所说的定子匹配块中间除了有穿轴孔外还在上下表面各有一个凹形圆孔；将轴从下到上穿过定子匹配块后再将定子匹配块与其中所说的压电陶瓷圆柱粘接，共同构成电机的定子；所说的转子置于定子匹配块之上并与轴通过键卡合；所说的预压力机构为小弹簧。

3、如权利要求1所述的基于压电柱的弯曲振动模态超声波微电机，其特征在于，在所说的定子匹配块的中间加工出一个细棒，该细棒与定子匹配块是同一金属件，所说的压电陶瓷圆柱与定子匹配块胶粘接，共同作为电机的定子；所说的转子套在定子匹配块的细棒上，所说的预压力机构为小弹簧。

4、如权利要求1所述的基于压电柱的弯曲振动模态超声波微电机，其特征在于，还包括一个金属外壳，所说的电机各部件均罩在该金属外壳里面，所说的预压力机构由橡胶垫、聚四氟圈和弹簧构成，所说的转子的中间加工有一个细棒作为轴，该轴和转子是同一金属件，该转子置于所说的定子匹配块之上，所说的压电陶瓷圆柱上端表面与匹配块下端表面之间胶粘接；压电陶瓷圆柱下端表面同样胶粘接在金属底座上并通过螺纹在下端侧面和外壳定位固定。

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