CN1633023A - 一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机，属于超声应用领域，利用压电陶瓷的d₁₅压电效应激励定子弯曲振动，它由定子，转子或动子以及预压力机构组成，定子主要由压电陶瓷组件以及匹配块构成，压电陶瓷组件分成上、下两部分，其侧表面设置四个或八个电极面，沿着定子的轴向极化；该极化方向相同或相反；压电陶瓷激励电场的施加方向与极化方向垂直。当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同时，相应的上下两个电极上所加的电压相反；当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相反时，相应的上下两个电极上所加的电压相同。本电机适合微型化，尺寸可以小到0.3mm。该发明在生物、医疗、微机械、国防科技等方面具有广阔的应用前景。

Description

一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机

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的结构设计。

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(或动子)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(或动子)之间的摩擦力驱动转子(或动子)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(或动子)以及给转子(或动子)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组件以及匹配块构成。弯曲振动模态超声波电机的传动原理如图1所示，定子处于圆周摇头的振动方式，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。

常用的弯曲振动模态超声波电机定子振动的激励方式有二种，第一种利用压电陶瓷的d₃₃效应，在极化方向施加电场，使压电陶瓷产生沿极化方向的形变；第二种利用压电陶瓷的d₃₁效应，在极化方向施加电场，使压电陶瓷产生沿与极化方向的垂直的形变。

图2是采用压电陶瓷的d₃₃压电效应的弯曲摇头超声电机示意图，该种电机已经比较成熟，它利用压电陶瓷的d₃₃效应进行弯曲激励，从而激发出定子的摇头振动。如图2(a)所示，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211和通B相电流的两片压电片212空间垂直排列，采用朗之万夹心结构组成定子，同时A相输入Sinωt信号，B相输入Cosωt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2(b)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225为空心结构，其中空部位有施加预压力的弹簧224，力矩通过齿轮223输出，222为聚四氟乙烯套，起轴承的作用，221为垫圈，229为主轴。

图3为采用压电陶瓷的d₃₁压电效应的弯曲摇头超声电机的结构示意图。电机的定子为金属管压电陶瓷片复合结构，压电陶瓷片沿厚度方向极化，并在加电场的表面涂有电极。利用了压电陶瓷的d₃₁压电效应。如图3(a)所示，在金属管313的两个相邻的平面粘贴压电陶瓷片311、312。在使用时金属管313接地，依次在压电陶瓷片311、312的极面上接入sinωt，cosωt激励信号，在定子上激励出弯曲摇头的振动模态。图3(b)为该电机的结构示意图。电机采用双端驱动，压电陶瓷片323贴在金属管323上，构成中空的定子，轴322穿过定子，与匹配块324和弹簧325一起构成转子结构，弹簧用于提供定、转子间的必需的预压力。

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。

采用压电陶瓷的d₃₃效应进行弯曲激励的棒状摇头型超声电机已经产业化，电机直径一般都比较大；压电陶瓷管和压电陶瓷柱方案和金属管柱压电陶瓷片复合方案有利于超声电机结构的微型化，新加坡国立大学研制的采用管柱方案摇头型超声电机的直径仅为1.5mm。微小型超声电机可在手机，医疗及航天等领域获得广泛应用，可将超声电机的应用推向一个新的阶段。

利用压电陶瓷的d₃₃效应进行弯曲激励的电机结构尺寸不容易微型化，利用压电陶瓷的d₃₁效应进行弯曲激励的管柱状电机的结构尺寸可以做的很小，但是当管柱的高度相对于直径尺寸较小时，对弯曲振动的激励效果很差，不能有效驱动。并且采用压电陶瓷的d₃₃效应进行弯曲激励的微型压电陶瓷管柱方案存在微小的中空孔不容易加工和极化工艺比较复杂等问题，难于保证激励电场垂直于极化方向，因而容易产生不希望的力分量，影响电机的振动效率。

发明内容

本发明为了克服已有技术的上述问题，提出一种新型弯曲振动激励的超声微电机，利用了压电陶瓷的d₁₅效应，沿与极化方向垂直的方向施加电场，得到切变形变激励的超声微电机，具有压电陶瓷易于极化，极化工艺简单且能够保证激励电场垂直于极化方向，效率较高，管柱的高度相对于直径尺寸可以相对较小的优点。

本发明提出一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机，利用压电陶瓷的d₁₅压电效应激励定子弯曲振动，它由激励超声振动的定子，输出力矩的转子或动子以及给转子或动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组件以及匹配块构成，其特征在于，该压电陶瓷组件分成上、下两部分，每部分侧表面设置两个或四个电极面，上、下两部分电极面位置相对应，所述压电陶瓷组件沿着定子的轴向极化；该上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同或相反；压电陶瓷激励电场的施加方向与极化方向垂直。当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同时，相应的上下两个电极上所加的电压相反；当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相反时，相应的上下两个电极上所加的电压相同。

上述压电陶瓷组件的结构形式可包括压电陶瓷管、压电陶瓷柱，以及贴了陶瓷片的金属柱结构形式。

本发明的工作原理是利用了压电陶瓷的d₁₅效应，沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向施加电场，得到切变形变。图10给出了压电陶瓷的d₁₅压电效应产生弯曲振动的机理。如图10(a)所示，空间物体有六个自由度，数字1、2、3代表物体的三个平移自由度，4、5、6代表三个旋转自由度。对于压电陶瓷来说，3所示方向默认为压电陶瓷的极化方向。当在1所示方向施加电场时，压电陶瓷会产生沿5所示方向的变形，如图10(b)所示，双点划线表示压电陶瓷变形前的形状，实线表示加了电场后，压电陶瓷变形后的形状。为了在柱体上激励出弯曲振动，将柱体分为上下两部分(并不是真的分开，而是主观上认为其是由上下两部分组成的)，当上半部分产生的变形方向与下半部分产生的方向相反时，柱体上会产生弯曲，如图10(c)所示。

施加电场的目的是在定子上激励出两个空间相位差为90度的弯曲振动，定子的两个弯曲振动合成为定子的摇头运动，表现为定子上端部或腰腹部为摇头运动。此时定子上用于驱动转子的表面上的点的运动轨迹为一个椭圆。定子采用端部或腰腹部驱动转子(或动子)

本发明的特点及效果：

本发明设计的超声电机可将尺寸加工的很小，可以小到0.3mm，可以促进了超声电机的微型化。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为采用弯曲振动模态超声波电机的传动原理示意图。

图2为已有采用压电陶瓷的d₃₃压电效应的弯曲摇头超声电机示意图；其中：

图2(a)为压电陶瓷的极化和激励，图2(b)为电机的结构示意图。

图3为已有采用压电陶瓷的d₃₁压电效应的弯曲摇头超声电机的结构示意图：其中：图3(a)为压电陶瓷的极化和分区，图3(b)为电机结构。

图4为本发明的定子的结构和激励形式；其中，

图4(a)为实心压电陶瓷圆柱及其极化和激励方式，

图4(b)为空心压电陶瓷圆柱及其极化和激励方式，

图4(c)为实心压电陶瓷方柱及其极化和激励方式，

图4(d)空心压电陶瓷方柱及其极化和激励方式，

图4(e)为相邻两侧面压电陶瓷片的实心金属方柱及其极化和激励方式，

图4(f)为相邻两侧面压电陶瓷片的空心金属方柱及其极化和激励方式，

图4(g)为四侧面均贴了压电陶瓷片的实心金属方柱及其极化和激励方式，

图4(h)为四侧面均贴了压电陶瓷片的空心金属方柱及其极化和激励方式，

图4(i)为两侧贴了压电陶瓷片的实心金属筒，

图4(j)为两侧贴了压电陶瓷片的空心金属筒。

图5为本发明的超声微电机实施例一——磁力定位电机结构示意图。

图6为本发明的超声微电机实施例二——双端轴输出电机结构示意图。

图7为本发明的超声微电机实施例三——单端轴输出电机结构示意图。

图8为本发明的超声微电机实施例四——为外壳卡定电机结构示意图。

图9为本发明的超声微电机实施例五——腰腹驱动电机结构示意图。

图10为超声微电机产生弯曲振动的机理示意图。

具体实施方式

本发明的一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机结合附图及五种结构的实施例分别说明如下：

本发明提出一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机，利用压电陶瓷的d₁₅压电效应激励定子弯曲振动，它由激励超声振动的定子，输出力矩的转子或动子以及给转子或动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组件以及匹配块构成。

本发明定子的压电陶瓷组件结构形式可采用压电陶瓷管、压电陶瓷柱，以及贴了陶瓷片的金属柱等结构形式。其中，压电陶瓷沿着定子的轴向极化。施加电场的目的是在定子上激励出两个空间相位差为90度的弯曲振动，定子的两个弯曲振动合成为定子的摇头运动，表现为定子上端部或腰腹部为摇头运动，采用端部或腰腹部通过摩擦驱动转子或动子。

本发明结合如图4所示压电陶瓷组件的具体结构说明电场的施加方式：

图4(a)为实心压电陶瓷圆柱，该陶瓷圆柱的侧表面分成上、下两部分共八个电极面。该上、下两部分压电陶瓷圆柱的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面411上加+sinωt激励信号，在电极面413上加-sinωt激励信号，在电极面412上加+cosωt激励信号，在电极面414上加-cosωt激励信号，在电极面411的对称电极面416上的加-sinωt激励信号，在电极面413的对称电极面418上加+sinωt激励信号，在电极面412的对称电极面415上加-cosωt激励信号，在电极面414的对称电极面417上加+cosωt激励信号；也可保持电极面411、412、413、414的激励信号的施加方式不变，而将电极面415、416、417、418接地。该上、下两部分压电陶瓷圆柱的极化方向相反时，在电极面411、413上加+sinωt激励信号，在电极面412、414上加+cosωt激励信号，在电极面411、413的对称电极面416、418上的加-sinωt激励信号，在电极面412、414的对称电极面415、417上加-cosωt激励信号，也可保持电极面411、412、413、414的激励信号的施加方式不变，而将电极面415、416、417、418接地。

图4(b)为空心压电陶瓷圆柱，该空心压电陶瓷圆柱的侧表面被分成上、下两部分共八个电极面。该上、下两部分空心压电陶瓷圆柱的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面421上加+sinωt激励信号，在电极面423上加-sinωt激励信号，在电极面422上加+cosωt激励信号，在电极面424上加-cosωt激励信号，在电极面421的对称电极面426上的加-sinωt激励信号，在电极面423的对称电极面428上加+sinωt激励信号，在电极面422的对称电极面425上加-cosωt激励信号，在电极面424的对称电极面427上加+cosωt激励信号；电极面429接地；也可保持电极面421、422、423、424、429上的激励信号的施加方式不变，而将电极面425、426、427、428接地。定子上、下两部分空心压电陶瓷圆柱的极化方向相反时，在电极面421、423上加+sinωt激励信号，在电极面422、424上加+cosωt激励信号，在电极面421、423的对称电极面426、428上的加-sinωt激励信号，在电极面422、424的对称电极面425、427上加-cosωt激励信号，电极面429接地。也可保持电极面421、422、423、424的激励信号的施加方式不变，而将电极面425、426、427、428、429接地。

图4(c)为实心压电陶瓷方柱，该实心压电陶瓷方柱的四个侧表面被分成上、下两部分共八个电极面。该上、下两部分实心压电陶瓷方柱的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面431上加+sinωt激励信号，在电极面433上加-sin激励信号，在电极面432上加+cosωt激励信号，在电极面434上加-cosωt激励信号，在电极面431的对称电极面436上加-sinωt激励信号，在电极面433的对称电极面438上加+sinωt激励信号，在电极面432的对称电极面435上加-cosωt激励信号，在电极面434的对称电极面437上加+cosωt激励信号；也可保持电极面431、432、433、434上的激励信号的施加方式不变，而将435、436、437、438表面接地。该上、下两部分实心压电陶瓷方柱的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面431上加+sinωt激励信号，在电极面433上加+sin激励信号，在电极面432上加+cosωt激励信号，在电极面434上加+cosωt激励信号，在电极面431的对称电极面436上的加-sinωt激励信号，在电极面433的对称电极面438上加-sinωt激励信号，在电极面432的对称电极面435上加-cosωt激励信号，在电极面434的对称电极面437上加-cosωt激励信号，也可保持电极面431、432、433、434上的激励信号的施加方式不变，而将电极面435、436、437、438接地。

图4(d)为空心压电陶瓷方柱，该空心压电陶瓷方柱四个侧表面被分成上、下两部分共八个电极面。该上、下两部分空心压电陶瓷方柱的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面441上加+sinωt激励信号，在电极面443上加-sinωt激励信号，在电极面442上加+cosωt激励信号，在电极面444上加-cosωt激励信号，在电极面441的对称电极面446上的加-sinωt激励信号，在电极面443的对称电极面448上加+sinωt激励信号，在电极面442的对称电极面445上加-cosωt激励信号，在电极面444的对称电极面447上加+cosωt激励信号；电极面449接地；也可只在电极面441、442、443、444、449上施加激励信号，而将电极面445、446、447、448接地。该上、下两部分空心压电陶瓷方柱的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面441、443上加+sinωt激励信号，在电极面442、444上加+cosωt激励信号，在电极面441、443的对称电极面446、448上的加-sinωt激励信号，在电极面442、444的对称电极面445、447上加-cosωt激励信号，电极面449接地；也可只在电极面441、442、443、444上施加激励信号，而将电极面445、446、447、448、449接地。

图4(e)为相邻两侧面贴压电陶瓷片的实心金属方柱，贴在该实心金属方柱相邻两个侧表面上的压电陶瓷片被分成上、下两部分共四个电极面。该上、下两部分贴在实心金属方柱相邻两侧表面上的压电陶瓷片的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面451上加+sinωt激励信号，在电极面452上加-sinωt激励信号，在电极面454上加+cosωt激励信号，在电极面455上加-cosωt激励信号，将金属柱453接地。该上、下两部分贴在实心金属方柱相邻两侧表面上的压电陶瓷片的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面451、452上加+sinωt激励信号，在电极面454、455上加+cosωt激励信号，将金属柱453接地。

图4(f)为相邻两侧面贴压电陶瓷片的空心金属方柱，贴在该空心金属方柱相邻两个侧表面上的压电陶瓷片被分成上、下两部分共四个电极面。该上、下两部分贴在空心金属方柱相邻两侧表面上的压电陶瓷片的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面461上加+sinωt激励信号，在电极面462上加-sinωt激励信号，在电极面464上加+cosωt激励信号，在电极面465上加-cosωt激励信号，将金属柱463接地。该上、下两部分贴在空心金属方柱相邻两侧表面上的压电陶瓷片的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面461、462上加+sinωt激励信号，在电极面464、465上加+cosωt激励信号，将金属柱463接地。

图4(g)为四侧表面均贴了压电陶瓷片的实心金属方柱，贴在该实心金属方柱四个侧表面上的压电陶瓷片被分成上下两部分共八个电极面。该上、下两部分贴在实心金属方柱四个侧表面上的压电陶瓷片的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面471上加+sinωt激励信号，在电极面473上加-sinωt激励信号，在电极面472上加+cos激励信号，在电极面474上加-cosωt激励信号，在电极面471的对称电极面476上的加-sinωt激励信号，在电极面473的对称电极面478上加+sinωt激励信号，在472电极面的对称表面475电极面上加-cosωt激励信号，在电极面474的对称电极面477上加+cosωt激励信号，实心金属方柱479接地；该上、下两部分贴在实心金属方柱四个侧表面上的压电陶瓷片的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面471、473上加+sinωt激励信号，在电极面472、474上加+cos激励信号，在电极面471、473的对称电极面476、478上的加-sinωt激励信号，在电极面472、474的对称电极面475、477上加-cosωt激励信号，实心金属方柱479接地。

图4(h)为四侧表面均贴了压电陶瓷片的空心金属方柱，贴在该空心金属方柱的四个侧表面上的压电陶瓷片被分成上、下两部分共八个电极面。该上、下两部分贴在空心金属方柱四个侧表面上的压电陶瓷片的极化方向相同时，电场的施加方式为：在481电极面上加+sinωt激励信号，在483电极面上加-sinωt激励信号，在电极面482上加+cosωt激励信号，在电极面484上加-cosωt激励信号，在电极面481的对称电极面486上的加-sinωt激励信号，在电极面483的对称电极面488上加+sinωt激励信号，在电极面482的对称电极面485上加-cosωt激励信号，在电极面484的对称电极面487上加+cosωt激励信号，空心金属方柱489接地；该上、下两部分贴在空心金属方柱四个侧表面上的压电陶瓷片的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面481、483上加+sinωt激励信号，在电极面482、484上加+cosωt激励信号，在电极面481、483的对称电极面486、488上的加-sinωt激励信号，在电极面482、484的对称电极面485、487上加-cosωt激励信号，空心金属方柱489接地。

图4(i)为相邻两侧表面贴了压电陶瓷片的实心金属筒，贴在实心金属筒相邻的两侧的压电陶瓷片被分成上、下两部分共四个电极面。该上、下两部分贴在实心金属筒相邻两侧的压电陶瓷片的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面491上加+sinωt激励信号，在电极面492上加-sinωt激励信号，在电极面494上加+cosωt激励信号，在电极面495上加-cosωt激励信号，实心金属筒493接地；该上、下两部分贴在实心金属筒相邻两侧的压电陶瓷片的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面491、492上加+sinωt激励信号，在电极面494、495上加+cosωt激励信号，实心金属筒493接地；

图4(j)为相邻两侧贴了压电陶瓷片的空心金属筒。贴在空心金属筒相邻两侧的压电陶瓷片被分成上、下两部分共四个电极面。该上、下两部分贴在空心金属筒相邻两侧的压电陶瓷片的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面4101上加+sinωt激励信号，在电极面4102上加-sinωt激励信号，在电极面4104上加+cosωt激励信号，在电极面4105上加-cosωt激励信号，空心金属筒4103接地。该上、下两部分贴在空心金属筒相邻两侧的压电陶瓷片的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面4101、4102上加+sinωt激励信号，在电极面4104、4105上加+cosωt激励信号，空心金属筒4103接地。

实施例一为磁力定位结构的超声微电机

该结构如图5所示，其主要特点在于用磁性钢球51做转子，空心金属压电陶瓷片复合柱(其母线为直线，也可以采用双曲线或指数型曲线构成渐变截面的柱)53和凹形磁性金属匹配块52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52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。

实施例二为双端轴输出结构的超声微电机

该结构的主要特点是双端驱动、轴输出，如图6所示。在金属压电陶瓷复合定子64的两端粘贴匹配块63，构成定子，66为很薄的一层粘接胶。两端的转子62通过轴68、弹簧61和紧固螺母67连在一起。弹簧用于提供定、转子间的预压力。定子通过摩擦层65驱动转子62旋转。力矩由转子直接输出，实际使用时可将转子62外边缘加工成齿轮，通过齿轮传动输出力矩。也可以利用一个空心螺栓型匹配块穿过压电陶瓷柱和另一个带螺纹的匹配块螺和为一体，构成定子。

实施例三为单端轴输出结构的超声微电机

该结构的主要特点在于定子匹配块73的中间加工出一个细棒作为电机的固定轴77。该轴与定子匹配块可以是同一金属件。金属压电陶瓷片复合方柱74与匹配块73在76处胶粘接，共同作为电机的定子。转子72套在定子匹配块73的固定轴77上并由小弹簧71提供定、转子间的预压力。该电机中，轴77起的主要作用是给转子72和压力小弹簧71定位。78为滑动或滚动轴承。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。75处为定子与转子之间的摩擦界面，如图7所示。

实施例四为外壳卡定结构的超声微电机

该结构的主要特点是整个驱动机构罩在一个金属外壳810里面，外壳通过橡胶垫81和滑动轴承(或滚动轴承)87压迫弹簧82产生预压力。转子83置于定子匹配块84之上，转子83的中间加工有一个细棒作为轴830，该轴和转子是同一金属件。在压电陶瓷圆柱85上端表面与匹配块84下端表面之间89处胶粘接。压电陶瓷圆柱85下端表面同样胶粘接在金属底座86上并通过螺纹在下端侧面810处和外壳定位固定。定子与转子之间为摩擦界面88，力矩可由轴直接输出。

实施例五为腰腹驱动结构的超声微电机

该结构的主要特点是：电机驱动块93粘贴在金属压电陶瓷复合定子92的中部，利用定子中部(腰腹)的运动由驱动块93驱动动子95运动，可构成直线电机，也可继续将运动转化为转子轴96的旋转运动，如图9所示。定子在其弯振的节点处91固定，94为摩擦材料。若金属压电陶瓷复合定子其母线为纺锤型构成渐变截面的柱，则固定节点的位置更靠近端面，驱动点的振幅会更大一些，有利于提高电机的驱动性能。本实施例的驱动块也可以是一个粘贴在上下两部分压电陶瓷柱之间的金属柱。

上述五个实施例中，定子的结构可以采用图41所示的实心压电陶瓷圆柱，图42所示的空心压电陶瓷圆柱，图43所示的实心压电陶瓷方柱，图44所示的空心压电陶瓷方柱，图45所示的相邻两侧表面贴压电陶瓷片的实心金属方柱，图46所示的相邻两侧表面贴压电陶瓷片的空心金属方柱，图47所示的四侧表面均贴了压电陶瓷片的实心金属方柱，图48所示的四侧表面均贴了压电陶瓷片的空心金属方柱，图49所示的两侧贴了压电陶瓷片的实心金属筒，图410所示的为两侧贴了压电陶瓷片的空心金属筒等结构。所述压电陶瓷组件即可以是等截面结构，也可以是指数型、双曲线型以及纺锤型等变截面结构。固定定子时，要求固定点的振动应该尽量小，因此应在固定在定子所用振动模态振型的节点或节平面处。采用变截面结构的可以调整定子上节点或节平面处的位置，并在驱动点得到尽量大的振动位移。所用的压电陶瓷均沿着轴向极化。所施加的激励电场的方向均与压电陶瓷的极化方向垂直，对应的激励电场的施加方式上面已经给出。

Claims (10)

1、一种弯曲振动模态的旋转型柱状超声微电机，利用压电陶瓷的d₁₅压电效应激励定子弯曲振动，它由激励超声振动的定子，输出力矩的转子或动子以及给转子或动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组件以及匹配块构成，其特征在于，该压电陶瓷组件分成上、下两部分，每部分侧表面设置两个或四个电极面，上、下两部分电极面位置相对应，所述压电陶瓷组件沿着定子的轴向极化；该上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同或相反；压电陶瓷激励电场的施加方向与极化方向垂直；当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相同时，相应的上下两个电极上所加的电压相反；当上、下两部分压电陶瓷组件的极化方向相反时，相应的上下两个电极上所加的电压相同。

2、如权利要求1所述的微电机，其特征在于，所述压电陶瓷组件结构采用实心压电陶瓷圆柱、空心压电陶瓷圆柱、实心压电陶瓷方柱、空心压电陶瓷方柱、相邻两侧面贴压电陶瓷片的实心金属方柱、相邻两侧面贴压电陶瓷片的空心金属方柱、四侧表面均贴了压电陶瓷片的实心金属方柱、四侧表面均贴了压电陶瓷片的空心金属方柱、相邻两侧表面贴了压电陶瓷片的实心金属筒、相邻两侧贴了压电陶瓷片的空心金属筒之一种。

3、如权利要求1所述的微电机，其特征在于，所述压电陶瓷组件的侧表面分成上、下两部分共八个电极面；该上、下两部分压电陶瓷的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面(411)上加+sinωt激励信号，在电极面(413)上加-sinωt激励信号，在电极面(412)上加+cosωt激励信号，在电极面(414)上加-cosωt激励信号，在电极面(411)的对称电极面(416)上的加-sinωt激励信号，在电极面(413)的对称电极面(418)上加+sinωt激励信号，在电极面(412)的对称电极面(415)上加-cosωt激励信号，在电极面(414)的对称电极面(417)上加+cosωt激励信号；或保持电极面(411、412、413、414)的激励信号的施加方式不变，将电极面(415、416、417、418)接地；该上、下两部分压电陶瓷的极化方向相反时，在电极面(411、413)上加+sinωt激励信号，在电极面(412、414)上加+cosωt激励信号，在电极面(411、413)的对称电极面(416、418)上的加-sinωt激励信号，在电极面(412、414)的对称电极面(415、417)上加-cosωt激励信号；或保持电极面(411、412、413、414)的激励信号的施加方式不变，将电极面(415、416、417、418)接地。

4、如权利要求1所述的微电机，其特征在于，所述压电陶瓷组件的两个相邻侧表面分成上、下两部分共四个电极面；该上、下两部分压电陶瓷的极化方向相同时，电场的施加方式为：在电极面(451)上加+sinωt激励信号，在电极面(452)上加-sinωt激励信号，在电极面(454)上加+cosωt激励信号，在电极面(455)上加-cosωt激励信号，将金属柱(453)接地；该上、下两部分压电陶瓷的极化方向相反时，电场的施加方式为：在电极面(451、452)上加+sinωt激励信号，在电极面(454、455)上加+cosωt激励信号，将金属柱(453)接地。

5、如权利要求1、2、3或4所述的微电机，其特征在于，所述的空心金属压电陶瓷片复合柱的母线为直线、双曲线或指数型曲线之一种，所述的转子采用磁性钢球，所述匹配块采用凹形磁性金属块，该磁性钢球转子放置在该金属匹配块的凹面中，该转子和匹配块之间的磁力用于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。

6、如权利要求1、2、3或4所述的微电机，其特征在于，所述压电陶瓷组件的两端粘贴匹配块构成定子，还包括从中空定子穿过的轴，所述预压力机构采用弹簧，所述的转子为两个，套于该轴的两端通过摩擦层与定子相接，并通过套于轴上的弹簧和紧固螺母与该定子连成一体；力矩由转子直接输出。

7、如权利要求1、2、3或4所述的微电机，其特征在于，所述定子采用一个空心螺栓型匹配块穿过压电陶瓷柱和另一个带螺纹的匹配块螺合为一体构成，所述预压力机构采用弹簧，所述的转子为两个，套于该轴的两端通过摩擦层与定子相接，并通过套于轴上的弹簧和紧固螺母与该定子连成一体；力矩由转子直接输出。

8、如权利要求1、2、3或4所述的微电机，其特征在于，所述匹配块采用中间有一个细棒作为电机的固定轴的匹配块，所述预压力机构采用套在该固定轴上的弹簧，所述转子套在该匹配块的固定轴上并由小弹簧提供定、转子间的预压力，力矩由转子直接输出。

9、如权利要求1、2、3或4所述的微电机，其特征在于，还包括一个金属外壳，所述定子与转子设置在该外壳中，所述转子的中间有一个细棒作为轴，所述预压力机构采用套在该轴上的弹簧，该外壳压迫弹簧产生预压力，所述定子与转子之间为设有摩擦界面，力矩由轴直接输出。

10、如权利要求1、2、3或4所述的微电机，其特征在于，所述的金属压电陶瓷复合定子其母线为直线构成的等截面的柱或纺锤型构成渐变截面的柱，还包括固定定子的固定机构及设置在所述定子中部的电机驱动块，该驱动块通过摩擦材料层与所述转子相连，定子中部的运动由驱动块驱动转子运动构成直线电机或转化为转子的轴的旋转运动。

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