CN1588784A - 多组压电叠片堆换能器组成的弯曲摇头超声微电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多组压电叠片堆换能器组成的弯曲摇头超声微电机，属于超声应用领域，包括中心轴及套于中心轴上的转子和定子，以及力矩输出部件；定子由上匹配块、换能器、电极引出片、下匹配块组成；换能器为n层压电叠片堆，n≥14，每片压电片的两个表面均分割成极化方向不同的m份电极，m≥32，各层压电叠片再叠压成一叠片堆；各层压电叠片之间的电极连接方法采用内接法或外接法，分别将sinwt信号激励的并联引出电极，再将coswt激励的也并联引出电极。本发明促进了超声电机的微型化。在输入电信号峰峰值约32－6V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、国防科技等领域有广阔的应用前景。

Description

多组压电叠片堆换能器组成的弯曲摇头超声微电机

技术领域

本发明属于超声应用领域，特别涉及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3-12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相似，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，因此定子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。

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两层压电叠片(每层由两片压电片组成)组成一组换能器。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sinwt信号，B相输入coswt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夹紧两层压电叠片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。

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。但受常规加工工艺限制，电机所用的压电片厚度不能太薄(一般不低于0.2mm)，工作时加到压电片的外加电压很高，需要变压器升压，电源不易集成化，且因只用一组换能器，两层压电片的上下位置差别大，使电机的两路信号共振频率不简并，运动不易稳定，限制了这种电机的使用。

发明内容

本发明为克服已有技术的不足之处，提出一种多组压电叠片堆换能器组成的弯曲摇头超声微电机，其特点是利用叠片共烧法制作的多层压电叠片堆组成多组换能器作为激励弯曲振动的压电元件，本发明的微电机不但性能稳定，而且由于每个压电片很薄，驱动电源不需要变压器升压，可易于集成化，可大大的促进超声电机的微型化和产业化。

本发明提出的多组压电叠片堆换能器组成的弯曲摇头超声微电机，包括中心轴及套于中心轴上的转子和定子，以及力矩输出部件；该定子由上匹配块、换能器、电极引出片、下匹配块组成定子的朗之万夹心结构；其特征在于，所述的换能器为.n层压电叠片堆压成的一个整体的多组压电叠片堆换能器，n≥14，其中，每层压电叠片的两片压电片为朗之万式排列；每片压电片的两个表面均分割成极化方向不同的m份电极，m≥32，各层压电叠片再叠压成一叠片堆；各层压电叠片之间的电极连接方法采用内接法或外接法，分别将sinwt信号激励的并联引出电极，再将coswt激励的也并联引出电极。

所述电机直径的尺寸范围可在1mm-30mm之间，所述压电叠片堆的厚度可为电机直径的尺寸范围的1/5-1/3，每层压电叠片的总厚度可为10-100μm，每片压电叠片的电极层厚度可为3-10μm。

可将上述多组压电叠片堆换能器组成的弯曲摇头超声微电机用于数码或非数码相机和摄像机镜头的自动聚焦、其它光学仪器中光学镜头的自动聚焦，机械平台、移动体或转台的精密定位领域。

本发明的特点及效果：

本发明利用叠片共烧法制作的多n层压电叠片堆组成多组换能器作为激励弯曲振动的压电元件，取代已有的由两层压电叠片组成的一组换能器，由于每层压电叠片很薄(每片厚度可达到3-5μm)，因此可在不需要变压器升压的情况下，直接提供2-6V电信号，使转子在定子表面上明显转动起来，驱动电源可集成化。

由于使用多组换能器，使得电机定子的共振频率简并，且分电极的极化充分，运行性能优良，效果更好，使电机性能稳定。

本发明的换能器采用的压电片的厚度及数量，本领域的技术人员可根据实际应用对电机性能要求确定。本发明的超声电机直径尺寸可为1mm到30mm之间。

本发明的n层压电叠片堆组成多组换能器可用于已有的各种结构弯曲摇头超声微电机中。

本发明可大大的促进了超声电机的微型化和产业化，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为已经有的弯曲振动模态超声波电机的传动原理示意图。

图2为通过2层4个压电片激励弯曲摇头振动的原理示意图。

图3为已有的4个压电片激励弯曲摇头电机的结构示意图。

图4为本发明的压电片均分2等份的叠片堆结构原理示意图。

图5为本发明的压电片均分2等份的分叠片堆合成的组合结构原理示意图。

图6为本发明的压电片均分4等份的叠片堆结构原理示意图。

图7为本发明的压电片均分4等份的交叉旋转叠片堆合成的组合结构原理示意图。

图8为本发明的压电片均分4等份的四路信号引线的叠片堆结构原理示意图。

图9为本发明的压电片均分6份以上的交叉旋转叠片堆组合结构原理示意图。

图10为本发明的压电片均分6份的三相叠片堆结构原理示意图。

图11为本发明的压电超声波电机的实施例一结构示意图。

图12为本发明的压电超声波电机的实施例二结构示意图。

具体实施方式

本发明提供两种电机实施例，并通过具有实现制作本发明所述超声电机定子的7种不同的多组压电叠片堆换能器结构，结合附图详细说明如下：

实施例一：

本发明设计出了压电超声波电机的实施例一，在本实施例中除采用多组压电叠片堆换能器作为压电元件外，其它结构采用本申请人已获专利的超声电机的相似结构，如图11所示，该电机由转子111、定子112、中心轴113组成。其中，定子112由上匹配块1121、多层压电陶瓷叠片堆1122、电极引出片1123、下匹配块1124组成。转子111由预紧螺母1111、固定支架1112、齿轮1113、过渡件A1114、过渡件B1115、电机转子1116和预紧弹簧1117组成。

上匹配块1121的内孔为螺纹孔11211，且与中心轴113的螺杆部分1131连接，两者之间的旋拧可以为多层压电陶瓷叠片堆1122提供预压力，并将多层压电陶瓷叠片堆1122、电极引出片1123、下匹配块1124夹持在上匹配块1121和中心轴113的法兰端头1132之间，形成定子112结构上的朗之万模式，同时，法兰端头1132的端面起到对中心轴113轴向定位的作用。多层压电陶瓷叠片堆1122的电引出是通过电极引出片1123完成的。电机转子1116、过渡件B1115、预紧弹簧1117、齿轮1113、过渡件A1114、固定支架1112依次套在靠近中心轴113的螺纹1133的一端，通过预紧螺母1111与中心轴113上的螺纹1133的配合将转子111与定子112构成一体。电机转子1116的接触端部11161呈圆环状，且圆环状接触端部11161的上面单独加工出有一定机械弹性的“U”字形状的凹槽，根据电机的外形尺寸，该接触端部11161沿径向的特征尺寸应控制在0.05mm到1mm之间。接触端部11161和定子112中的上匹配块1121靠近电机转子1116的上端面采用电镀的方式沉积上一层表面耐磨材料，目的减少电机工作时的摩擦损耗。预紧弹簧1117放在齿轮1113和过渡件B1115之间，通过预紧弹簧1117的伸张力为转子111和定子112的接触提供轴向预紧力。过渡件B1115和电机转子1116之间通过环氧胶粘接在一起，齿轮1113、过渡件B1115和电机转子1116三者在电机工作时相对位置不变，即三者一起同步旋转，而固定支架1112和预紧螺母1111相对电机的定子112保持不动，固定支架1112上的两个对称螺孔11121提供与外界的连接固定。

本实施例的电机直径的尺寸范围可在1mm-30mm之间；所采用的压电片是利用叠片共烧法制作的，压电叠片堆的总厚度为电机直径的尺寸范围的1/5-1/43，每层压电叠片的总厚度为10-100μm，每片压电叠片的电极层厚度为3-10μm。压电叠片的总层数由压电叠片堆的总厚度及采用压电片每片的厚度确定。

本实施例中的多组压电叠片堆换能器1122可采用以下7种具体结构：

第1种结构的多组压电叠片堆换能器如图4所示，压电叠片411为左右两半极化方向相反，上下两片如朗之万式排列，压电叠片412为前后两半极化方向也相反，上下两片也如朗之万式排列。411和421相互正交组成一组换能器，上述各组换能器依次排列组合成多组(每组两层共n层n≥14)压电叠片换能器。各层压电叠片之间的电极连接方法用内接法或外接法均可。分别将sinwt信号激励的41类并联引出电极，再将coswt激励的42类也并联引出电极，即制成一个整体的多组压电叠片堆换能器。与图2相比减薄了片厚，降低了驱动电压。每组换能器内各层压电叠片之间双双进行正交排列，使得频率简并性能得到改善。

第2种结构的多组压电叠片堆换能器如图5所示，压电叠片511中左右两半极化方向相反上下两片如朗之万式排列，压电叠片512中左右两半极化方向也相反，上下两片也如朗之万式排列。压电叠片511，512.....n1层(n1≥7)组成分压电叠片换能器组51，激励信号使之产生左右弯曲振动；压电叠片521中前后两半的极化方向相反，上下两片如朗之万式排列，压电叠片522中前后两半的极化方向也相反，上下两片也如朗之万式排列。521，522......n2层(n2≥7)组成分压电叠片换能器组52，激励信号使之产生前后弯曲振动。分压电叠片换能器51和52相互正交组成一个整体多组压电叠片堆换能器。各层压电叠片之间的电极连接方法用内接法或外接法均可。分别将sinwt信号激励的并联引出电极，再将coswt激励的也并联引出电极，即制成可供使用的整体多组压电叠片堆换能器。与图2相比减薄了片厚，降低了驱动电压。但因每组换能器内压电片平行排列，使得频率简并性能无法得到改善。但是这种结构引出电极较第一种简单

第3种结构的多组压电叠片堆换能器如图6所示，压电叠片611分割成4份电极，其中左右两部分极化方向相反，上下两片如朗之万式排列，压电叠片612也分割成4份电极，其中左右两部分极化方向也相反，上下两片也如朗之万式排列。压电叠片611，612.....，n层(n≥14)排列形成压电叠片堆，激励信号分别使之产生45度和135度方向的弯曲振动；位置和时间的相互正交合成旋转运动。组成一个整体多组压电叠片堆换能器。各层压电叠片之间的电极连接方法用内接法或外接法均可。分别将sinwt信号激励的并联引出电极，再将coswt激励的也并联引出电极，即制成可供使用的多组压电叠片堆换能器。与图2相比减薄了片厚，降低了驱动电压。而且每两个压电片组成的一层朗之万叠片，不仅使得频率简并性能明显得到改善。而且因为这种结构的相对的两分电极的极化方向相反，激励效率果是第1种和第2种的两倍。

第4种结构的多组压电叠片堆换能器如图7所示，压电叠片711分割成4份电极，其中对角两部分极化方向相同，且第1压电片与第2压电片对角极化方向相反，上下两片如朗之万式排列，压电叠片712也分割成4份电极，其中对角两部分极化方向也相同，且第1压电片与第2压电片对角极化方向也相反，上下两片也如朗之万式排列，但是712比711压电片顺时针旋转90度(或270度)，将压电叠片711和712交叉排列形成n层压电叠片堆71(n≥14)，激励信号将分别使之产生45度和135度方向的弯曲振动；位置和时间的相互正交合成旋转运动。组成一个整体多组压电叠片堆换能器。各压电叠片之间的电极连接方法用内接法或外接法均可。分别将sinwt信号激励的并联引出电极，再将coswt激励的也并联引出电极，即制成可供使用的多组压电叠片堆换能器。与图2相比减薄了片厚，降低了驱动电压。而且每两层压电叠片组成分换能器，不仅使得频率简并性能明显得到改善。而且这种结构的激励效果也是第1种和第2种的两倍。

第5种结构的多组压电叠片堆换能器如图8所示，压电叠片811把电极分成均匀4份，上下两片压电片按朗之万方式安装，每个压电片的4个电极上同时分别加Sinwt、Coswt、-Sinwt、-Coswt四路激励电信号。再将n层(n≥14)压电叠片811，812(与811完全相同)......再把相应电极并联，组装成整个多组压电叠片堆换能器。各压电叠片之间的电极连接方法用内接法或外接法均可。分别将sinwt，coswt，-sinwt，-coswt的激励信号电极并联引出，即可以提供组装电机定子或其它换能器使用。与图2相比减薄了片厚，降低了驱动电压。而且每两个压电片组成的朗之万叠片，不仅使得频率简并性能明显得到改善。而且这种结构的激励效果也是第1种和第2种的两倍。

sinwt、coswt、-sinwt、-coswt四路交流电信号，则可激励该压电换能器产生所需的弯曲摇头振动，交换其中任意两路，弯曲摇头振动反相。

这种方式也可以将电极分成4k，k＝1，2，3...k为模态阶次，上下两片压电片按朗之万方式安装，依次加信号sinwt，coswt，-sinwt，-coswt，sinwt，coswt，-sinwt，-coswt....把相应电极并联。压电片之间的电极连接方法用内接法或外接法均可。分别将sinwt，coswt，-sinwt，-coswt的激励信号电极并联引出，组成一个整体多组压电叠片堆换能器，即可以提供组装电机定子或其它换能器使用。

第6种结构的多组压电叠片堆换能器如图9所示，压电叠片911分割成6份电极，其中相邻两部分极化方向相反，上下两片如朗之万式排列，压电叠片921也分割成6份电极，其中相邻两部分极化方向也相反，上下两片也如朗之万式排列，但是911比921压电片顺时针旋转30度(或330度)。将n1层911叠片和n2层921叠片(n1+n2)≥14排列形成压电叠片堆，激励信号将分别使之产生3阶弯曲振动；位置和时间的相互正交合成3阶模式的旋转运动。组成一个整体多组压电叠片堆换能器。各层压电叠片之间的电极连接方法用内接法或外接法均可。分别将sinwt信号激励的并联引出电极，再将coswt激励的也并联引出电极，即制成可供使用的多组压电叠片堆换能器。与图2相比减薄了片厚，降低了驱动电压。而且每两个压电片组成的朗之万叠片，不仅使得频率简并性能得到改善。而且这种结构的激励效果比第1种和第2种约高1.5倍。

这种电极划分和组合方式可以延续到将压电片均分成8，10，12......等偶数份，使相邻两份反向极化。上面一层朗之万与下面一层朗之万沿周向错开1/2等份，上面加sinwt信号电压，下面加coswt信号电压。即形成弯曲旋转模态.，.n层叠片组合即制成可供使用的多组压电叠片堆换能器。

第7种结构的多组压电叠片堆换能器如图10所示，压电叠片1011分割成6份电极，其中相邻三部分极化方向相同，另外相对三部分反向极化。上下两片如朗之万式排列，将n层1011(n≥14)排列形成压电叠片堆，激励信号将分别使之产生三相弯曲振动；位置和时间的相互差120度合成旋转运动。组成一个整体多组压电叠片堆换能器。各压电叠片之间的电极连接方法用内接法或外接法均可。分别将sinwt信号激励的并联引出电极，再将sin(wt+120)激励的和sin(wt+240)激励的并联引出电极，即制成可供使用的多组压电叠片堆换能器。与图2相比减薄了片厚，降低了驱动电压。而且每两个压电片组成的朗之万叠片，不仅使得频率简并性能明显得到改善，且优于第1，2，3，4，5种。而且这种结构的激励效果是第1种和第2种的1.5-3倍。

这种电极划分和组合方式可以延续到将压电片均分成12，24......等份，使相对两份反向极化，.n层叠片组合即制成可供使用的多组压电叠片堆换能器。

实施例二：

本实施例的电机总体结构是对实施例一结构的改进，如图12所示，该电机由转子121、定子122、中心轴123组成。其中，定子122由上匹配块1222、粘接在上匹配块1222上端面的摩擦材料1221、多层压电陶瓷叠片堆1223、电极引出片1224、下匹配块1225、带有内螺纹的夹紧螺母1226组成。转子121由预紧螺母1211、固定支架1212、齿轮1213、预紧弹簧1214和电机转子1215组成。

摩擦材料1221与上匹配块1222通过环氧树脂胶连接在一起，上匹配块1222的内孔为光孔，且与中心轴123之间保持过渡配合，通过中心轴123上的法兰盘1232的端面实现中心轴123与上定子122之间的轴向定位。将多层压电陶瓷叠片堆1223、电极引出片1224、下匹配块1225依次套在中心轴123靠近螺纹1233的一侧，具体位置要与上匹配块1222的底部靠上，然后，用带有内螺纹的夹紧螺母1226与中心轴123的底部螺纹1233配合，将多层压电陶瓷叠片堆1223、电极引出片1224和下匹配块1225以一定的力夹持成朗之万的形式。多层压电陶瓷叠片堆1223的电引出是通过电极引出片1224完成的。电机转子1215、预紧弹簧1214、齿轮1213、固定支架1212依次套在中心轴123靠近螺纹1231的一侧，通过预紧螺母1211与中心轴123上的螺纹1231的配合将转子121与定子122构成一体。电机转子1215的接触端部12151呈圆环状，根据电机的外形尺寸，该接触端部12151沿径向的特征尺寸应控制在0.05mm到1mm之间，电机工作时与摩擦材料1221摩擦接触。预紧弹簧1214放在齿轮1213和电机转子1215之间，通过预紧弹簧1214的张力为转子121和定子122的接触提供轴向预紧力。齿轮1213与电机转子1215之间的相对位置不动，即电机工作时齿轮1213随电机转子1215一起同步旋转，而固定支架1212和预紧螺母1211相对电机的定子122保持不动，固定支架1212上的两个对称螺孔12121提供与外界的连接固定。

本实施例中的多组压电叠片堆换能器1223同样可采用上述的7种具体结构。

Claims (11)

1、一种多组压电叠片堆换能器组成的弯曲摇头超声微电机，包括中心轴及套于中心轴上的转子和定子，以及力矩输出部件；该定子由上匹配块、换能器、电极引出片、下匹配块组成定子的朗之万夹心结构；其特征在于，所述的换能器为.n层压电叠片堆压成的一个整体的多组压电叠片堆换能器，n≥14，其中，每层压电叠片的两片压电片为朗之万式排列；每片压电片的两个表面均分割成极化方向不同的m份电极，m≥32，各层压电叠片再叠压成一叠片堆；各层压电叠片之间的电极连接方法采用内接法或外接法，分别将sinwt信号激励的并联引出电极，再将coswt激励的也并联引出电极。

2、如权利要求1所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，所述每组换能器中从上自下的第一层压电叠片的两压电片各分割成2份成左右两半极化方向相反的朗之万组合，第二层压电叠片的两压电片也各分割成2份成前后两半极化方向相反的朗之万组合，第一、第二相邻两片压电片朗之万组合相互正交组成一组换能器。

3、如权利要求1所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，所述每组换能器中从上自下的第一层压电叠片的两压电片各分割成2份成左右两半极化方向相反的电极，第二层压电叠片的两片压电片分割成2份成前后两半极化方向相反的电极，第一、第二层压电叠片相互正交组成第一分组换能器；第三层压电叠片的两片压电片的前后两半极化方向相反，第四层压电叠片的两片压电片的左右两半极化方向相反，第三、第四层压电叠片相互正交组成第二分组换能器；所述第一、第二分组换能器相互正交组成一组压电叠片换能器。

4、如权利要求1所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，所述每组换能器中从上自下的第一层压电叠片的两片压电片分割成4份成左右两半极化方向相反的电极，第二层压电叠片的两片压电片分割成4份成前后两半极化方向相反的电极，第一、第二层压电叠片相互正交组成一组换能器。

5、如权利要求1所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，所述每组换能器中从上自下的第一层压电叠片的两片压电片分割成4份成对角极化方向相同的电极，第二层压电叠片的两片压电片分割成4份成对角极化方向相同的电极且与第一层压电叠片顺时针旋转90度放置，第一、第二层压电叠片相互正交组成第一分组换能器；第三、第四层压电叠片分别与第一、第二层压电叠片的结构相同，第三、第四层压电叠片相互正交组成第二组换能器；所述第一、第二分组换能器相互正交组成一多组压电叠片堆换能器。

6、如权利要求1所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，所述每组换能器中每相邻两片压电片构成一层压电叠片，其中每层压电叠片的每片压电片分割成4份同向极化的电极，每个压电片的4个电极上同时分别加Sinwt、Coswt、-Sinwt、-Coswt四路激励电信号，再将相邻2层压电叠片的相应电极并联组装成一组压电叠片换能器。

7、如权利要求1所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，所述每组换能器中从上自下的第一层压电叠片的两片压电片分割成6份电极，其中相邻两部分极化方向相反，第二层压电叠片的两片压电片分割成6份电极，其中相邻两部分极化方向相反，第一、第二层压电叠片顺时针旋转30度放置，组装成一组压电叠片换能器。

8、如权利要求1所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，所述每组换能器中相邻两层压电叠片组成一组换能器，其中每片压电片分割成6份电极，相邻三部分极化方向相同，另外相对三部分反向极化。

9、如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，所述电机直径的尺寸范围在1mm-30mm之间，所述压电叠片堆的总厚度为电机直径的尺寸范围的1/5-1/3，每层压电叠片的总厚度为10-100μm，每片压电叠片的电极层厚度为3-10μm。

10、如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述弯曲摇头超声微电机，其特征在于，在所述上匹配块靠近电机转子的一侧表面有一摩擦材料层，该上匹配块的内孔为光孔，且与中心轴123之间保持过渡配合；所述多层压电陶瓷叠片堆通过下部的电极引出片完成电源电压引入，且通过夹紧螺母与中心轴的底部螺纹配合；所述电机转子的接触端部呈圆环状，该接触端部沿径向的特征尺寸在0.05mm到1mm之间。

11、一种将多组压电叠片堆换能器组成的弯曲摇头超声微电机用于数码或非数码相机和摄像机镜头的自动聚焦、其它光学仪器中光学镜头的自动聚焦，机械平台、移动体或转台的精密定位领域。

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