專利名稱：基于壓電柱的彎曲振動超聲波微電機(jī)及電極組合激勵方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種微型化的超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
壓電超聲電機(jī)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，采取特定的結(jié)構(gòu)制成的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，它一般由定子、轉(zhuǎn)子以及預(yù)壓力機(jī)構(gòu)等功能部件構(gòu)成。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在定子表面產(chǎn)生超聲振動，并由定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動。超聲電機(jī)具有以下優(yōu)于普通電磁電機(jī)的特點(diǎn)1、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，不需要減速機(jī)構(gòu)可直接驅(qū)動負(fù)載。
2、體積小、結(jié)構(gòu)靈活，功率體積比是電磁電機(jī)的3-10倍。
3、起動停止響應(yīng)快，響應(yīng)時(shí)間小于1毫秒。
4、不產(chǎn)生電磁干擾，也不受電磁干擾。
5、有自保持力矩，無齒輪間隙，可精密定位。
6、運(yùn)行安靜無噪聲。
彎曲振動模態(tài)超聲波電機(jī)是超聲電機(jī)的一種，它的結(jié)構(gòu)相對別的超聲電機(jī)比較簡單，同樣主要由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子/軸以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)等組成，所說的定子又主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成。同時(shí)彎曲振動模態(tài)超聲波電機(jī)又根據(jù)激勵彎曲搖頭振動的方式和壓電陶瓷元件的形狀分為壓電片驅(qū)動電機(jī)、壓電管驅(qū)動電機(jī)。它們的傳動原理和驅(qū)動機(jī)構(gòu)都相同，如

圖1所示。定子處于圓周搖頭的振動模態(tài)，定子11與環(huán)狀轉(zhuǎn)子12之間有一很小的間隙，傳動時(shí)定子邊彎曲邊搖頭運(yùn)動，因此定轉(zhuǎn)子之間有切點(diǎn)接觸，其接觸點(diǎn)在定子的外圓周邊上移動，依次，定、轉(zhuǎn)子間的摩擦力使轉(zhuǎn)子沿與接觸點(diǎn)移動方向相反的方向轉(zhuǎn)動。
現(xiàn)有的兩種激勵彎曲搖頭振動方式如圖2和圖4所示圖2為已有的壓電片激勵彎曲搖頭振動的原理圖，所用的壓電陶瓷元件為4片壓電片。在同一壓電片上以直徑對稱分兩半反相極化，通A相電流的兩片壓電片21和通B相電流的兩片壓電片22空間垂直排列，兩相均采用朗之萬夾心結(jié)構(gòu)組成定子，同時(shí)A相輸入Sin信號，B相輸入Cos信號，這樣采用時(shí)間和空間各90度相位差來激勵彎曲振動；這種壓電片激勵的彎曲振動模態(tài)超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，上下匹配塊36、38夾緊4片壓電陶瓷片37后共同構(gòu)成電機(jī)的定子，置于定子上的轉(zhuǎn)子35為空心結(jié)構(gòu)，其中空部位有施加預(yù)壓力的彈簧34，力矩通過齒輪33輸出，32為聚四氟乙烯套，起軸承的作用，31為墊圈，39為主軸。
圖4為已有的壓電管激勵彎曲搖頭振動的原理圖，所用的壓電陶瓷元件為壓電管。壓電管由外壁向內(nèi)壁均勻極化，在使用時(shí)其內(nèi)電極接地，外壁涂有四個均勻分布的外電極45，依次在41、42、43和44四極上通入sinωt,cosωt,-sinωt,-cosωt信號激勵。這種壓電管激勵的彎曲振動模態(tài)超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示，壓電管51兩端接兩個金屬帽52構(gòu)成電機(jī)定子，兩端的轉(zhuǎn)子53用螺母55和彈簧54擰在軸56上。
上述彎曲振動模態(tài)超聲波電機(jī)的主要優(yōu)勢就是易于實(shí)現(xiàn)微型化和產(chǎn)業(yè)化。到目前為止做的最小的超聲電機(jī)是新加坡國立大學(xué)的直徑為1.5mm的搖頭電機(jī)，該電機(jī)用壓電陶瓷管來激勵電機(jī)的彎曲振動，但壓電管和壓電片由于要考慮內(nèi)徑，所以要進(jìn)一步小型化比較困難。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)在微型化方向上的不足之處，提出一種圓柱微超聲電機(jī)，其特點(diǎn)是以壓電陶瓷柱為激勵彎曲振動的壓電元件。它不需要考慮內(nèi)徑，可以做的非常小，其微電機(jī)的直徑可達(dá)到0.30mm左右，可將超聲電機(jī)的應(yīng)用推向一個新的階段。
本發(fā)明提出的一種基于壓電陶瓷柱的彎曲振動模態(tài)超聲波微電機(jī)，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子/軸以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，所說的定子主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成，其特征在于，所說的激勵彎曲振動的壓電陶瓷元件為壓電柱，其外壁涂有四個均勻分布的供極化和激勵振動所用的外電極。
上述的超聲波微電機(jī)的壓電陶瓷圓柱極化的電極組合和激勵方法其特征在于，其中所述的極化的電極組合方法包括以下步驟1)在壓電陶瓷圓柱的側(cè)面上均勻涂上四份銀電極；2)相對的兩個電極通入高壓直流電，另兩個相對的電極接地；3)再按常規(guī)壓電陶瓷的極化方法進(jìn)行極化；所述的激勵方法包括以下步驟1)在已極化的壓電柱四個電極81、82、83和84上分別焊上導(dǎo)線；2)在四份電極81、82、83和84上同時(shí)分別加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流電信號，則可激勵該壓電柱產(chǎn)生所需的彎曲搖頭振動。
本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明設(shè)計(jì)的超聲電機(jī)可加工的尺寸為0.2mm到3mm之間，大大的促進(jìn)了超聲電機(jī)的微型化。在輸入電信號峰峰值約10V時(shí)，轉(zhuǎn)子可以在定子表面上明顯轉(zhuǎn)動起來。本發(fā)明將在生物、醫(yī)療、微機(jī)械、國防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
附圖簡要說明圖1為所有彎曲振動模態(tài)超聲波電機(jī)的傳動原理示意圖。
圖2為通過壓電片激勵彎曲搖頭振動的原理示意圖。
圖3為已有的壓電片激勵彎曲搖頭電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為通過壓電管激勵彎曲搖頭振動的原理示意圖。
圖5為已有的壓電管激勵彎曲搖頭電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為壓電柱分極示意圖。
圖7為壓電柱極化示意圖。
圖8為壓電柱通電流激勵彎曲搖頭振動方式示意圖。
圖9為圓柱微超聲電機(jī)實(shí)施例一——磁力定位電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為圓柱微超聲電機(jī)實(shí)施例二——力矩軸輸出電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為圓柱微超聲電機(jī)實(shí)施例三——固定軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為圓柱微超聲電機(jī)實(shí)施例四——外殼卡定電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明的四種圓柱微超聲電機(jī)實(shí)施例結(jié)構(gòu)結(jié)合各附圖詳細(xì)說明如下本發(fā)明的四種圓柱微超聲電機(jī)實(shí)施例由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子/軸以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，所說的定子主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成。他們的共同點(diǎn)在于激勵定子振動的壓電陶瓷元件都完全相同，即極化和激勵方式相同的壓電陶瓷柱。不同點(diǎn)主要在于轉(zhuǎn)子/軸及預(yù)壓力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不同。
本發(fā)明的四種結(jié)構(gòu)電機(jī)的實(shí)施例分別說明如下實(shí)施例一為磁力定位結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于用磁性鋼球91做轉(zhuǎn)子，壓電陶瓷柱93和凹形磁性金屬匹配塊92用強(qiáng)力膠粘結(jié)形成一體，共同構(gòu)成電機(jī)的定子。磁性鋼球轉(zhuǎn)子放置在金屬匹配塊凹面中。這樣靠轉(zhuǎn)子和金屬匹配塊92之間的磁力作為固定轉(zhuǎn)子和產(chǎn)生摩擦力所需的預(yù)壓力，力矩由轉(zhuǎn)子直接輸出，如圖9所示。
實(shí)施例二為力矩軸輸出結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于軸101的下端固定有一個直徑比軸稍大的小圓盤，它和軸是一體。定子匹配塊104中間除了有穿軸孔外還在上下表面各有一個凹形圓孔。將軸101從下到上穿過匹配塊后再將匹配塊104與壓電陶瓷圓柱105在107處膠粘，這樣104與105共同構(gòu)成電機(jī)的定子。轉(zhuǎn)子103置于定子匹配塊104之上并與軸101通過鍵卡合。預(yù)壓力由小彈簧102提供。這樣軸可以用定子的匹配塊104反扣定位，并且可以和轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，力矩可由軸101直接輸出。圖中106處為定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦界面。如圖10所示。
實(shí)施例三為固定軸結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在定子匹配塊113的中間加工出一個細(xì)棒作為電機(jī)的固定軸1130。該軸與定子匹配塊是同一金屬件。壓電陶瓷圓柱114與匹配塊在116處膠粘接，共同作為電機(jī)的定子。轉(zhuǎn)子112套在定子匹配塊113的固定軸1130上并由小彈簧111提供預(yù)壓力。該電機(jī)中，軸1130起的主要作用是給轉(zhuǎn)子112和壓力小彈簧111定位。力矩由轉(zhuǎn)子直接輸出，實(shí)際使用時(shí)可將轉(zhuǎn)子外邊緣加工成齒輪，通過齒輪傳動輸出力矩。115處為定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦界面。如圖11所示。
實(shí)施例四為外殼卡定結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是整個驅(qū)動機(jī)構(gòu)罩在一個金屬外殼120里面，外殼通過橡膠墊121和聚四氟圈127壓迫彈簧122產(chǎn)生預(yù)壓力。轉(zhuǎn)子123置于定子匹配塊124之上，轉(zhuǎn)子123的中間加工有一個細(xì)棒作為軸1230，該軸和轉(zhuǎn)子是同一金屬件。在壓電陶瓷圓柱125上端表面與匹配塊124下端表面之間129處膠粘接。壓電陶瓷圓柱125下端表面同樣膠粘接在金屬底座126上并通過螺紋在下端側(cè)面1210處和外殼定位固定。定子與轉(zhuǎn)子之間為摩擦界面128，力矩可由軸直接輸出。
本實(shí)施例壓電柱極化的電極組合和激勵方法如圖7和圖8所示。在壓電陶瓷圓柱側(cè)面上分別均勻度上四份銀電極61如圖6所示，然后再按圖7方式加高壓直流電極化，圖中71通入高壓直流電，72接地，則箭頭所示方向?yàn)闃O化方向。極化后該陶瓷就具有特殊方向的壓電效應(yīng)。使用時(shí)在四份電極81、82、83和84上分別加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流電信號(圖8)，則根據(jù)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和圖7所示的特殊極化方向，就可激勵該壓電柱產(chǎn)生所需的彎曲搖頭振動。
權(quán)利要求
1.一種基于壓電柱的彎曲振動模態(tài)超聲波微電機(jī)，由激勵超聲振動的定子，輸出力矩的轉(zhuǎn)子/軸以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成，所說的定子主要由激勵振動的壓電陶瓷元件以及匹配塊構(gòu)成，其特征在于，所說的激勵彎曲振動的壓電陶瓷元件為壓電柱，其外壁涂有四個均勻分布的供極化和激勵振動所用的外電極。
2.如權(quán)利要求1所述的基于壓電柱的彎曲振動模態(tài)超聲波微電機(jī)，其特征在于，其中所說的轉(zhuǎn)子采用磁性鋼球，所說的匹配塊為凹形磁性金屬匹配塊，所說的壓電陶瓷柱和凹形磁性金屬匹配塊用強(qiáng)力膠粘結(jié)形成一體，共同構(gòu)成電機(jī)的定子；所說的磁性鋼球轉(zhuǎn)子放置在金屬匹配塊凹面中。
3.如權(quán)利要求1所述的基于壓電柱的彎曲振動模態(tài)超聲波微電機(jī)，其特征在于，其中所說的軸的下端固定有一個直徑比軸稍大的小圓盤，它和軸是一體；所說的定子匹配塊中間除了有穿軸孔外還在上下表面各有一個凹形圓孔；將軸從下到上穿過匹配塊后再將匹配塊與其中所說的壓電陶瓷圓柱粘接，共同構(gòu)成電機(jī)的定子；所說的轉(zhuǎn)子置于定子匹配塊之上并與軸通過鍵卡合；所說的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)為小彈簧。
4.如權(quán)利要求1所述的基于壓電柱的彎曲振動模態(tài)超聲波微電機(jī)，其特征在于，所說的定子匹配塊的中部一體成形出一個細(xì)棒作為電機(jī)的固定軸，所說的壓電陶瓷圓柱與匹配塊膠粘接，共同作為電機(jī)的定子；所說的轉(zhuǎn)子套在定子匹配塊的固定軸上，所說的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)為小彈簧。
5.如權(quán)利要求1所述的基于壓電柱的彎曲振動模態(tài)超聲波微電機(jī)，其特征在于，還包括一個金屬外殼，所說的電機(jī)各部件均罩在該金屬外殼里面，所說的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)由橡膠墊、聚四氟圈和彈簧構(gòu)成，所說的轉(zhuǎn)子的中部一體成形一個細(xì)棒作為軸，該轉(zhuǎn)子置于所說的定子匹配塊之上，所說的壓電陶瓷圓柱上端表面與匹配塊下端表面之間膠粘接；壓電陶瓷圓柱下端表面同樣膠粘接在金屬底座上并通過螺紋在下端側(cè)面和外殼定位固定。
6.用于如權(quán)利要求1所述的超聲波微電機(jī)的壓電陶瓷圓柱極化的電極組合和激勵方法其特征在于，所述的極化的電極組合方法包括以下步驟1)在壓電陶瓷圓柱的側(cè)面上均勻涂上四份銀電極；2)相對的兩個電極通入高壓直流電，另兩個相對的電極接地；3)再按常規(guī)壓電陶瓷的極化方法進(jìn)行極化；所述的激勵方法包括以下步驟1)在已極化的壓電柱四個電極81、82、83和84上分別焊上導(dǎo)線；2)在四份電極81、82、83和84上同時(shí)分別加Sin、Cos、-Sin、-Cos四路交流電信號，則可激勵該壓電柱產(chǎn)生所需的彎曲搖頭振動。
全文摘要
本發(fā)明屬于超聲應(yīng)用領(lǐng)域,由定子、輸出力矩的轉(zhuǎn)子/軸以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)組成,定子主要由激勵振動的壓電柱以及匹配塊構(gòu)成,該壓電柱外壁涂有四個均勻分布的供極化和激勵振動所用的外電極。本電機(jī)可加工的尺寸為0.2mm到3mm之間,大大的促進(jìn)了超聲電機(jī)的微型化。在輸入電信號峰峰值約10V時(shí),轉(zhuǎn)子可以在定子表面上明顯轉(zhuǎn)動起來。本發(fā)明將在生物、醫(yī)療、微機(jī)械、國防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L41/09GK1306336SQ01109049
公開日2001年8月1日 申請日期2001年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者周鐵英, 張凱, 姜開利, 曲建俊 申請人:清華大學(xué)