一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲電機，具體涉及一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，屬于機械電子技術領域。
【背景技術】
[0002]作為一種新型微特電機，壓電超聲電機與傳統電磁式微特電機相比，無需減速機構、結構簡單，能直接輸出低轉速大力矩，且瞬態響應快、功率密度大，無電磁干擾、設計形式靈活、易實現微型化等優勢，在航空航天、醫療器械等領域有著廣泛的應用前景。
[0003]經對現有技術的文獻檢索發現，近年來，旋轉型超聲電機在模型、結構等方面取得了眾多進展，但目前仍存在效率低，功率密度小，驅動電壓高，溫升高等問題，不能完全滿足航天、生物醫學等領域的實際需要。不同的材料和不同的振動模式有著不同的機電耦合系數。選擇新的具有高機電耦合系數、大壓電系數的材料和振動模式對電機的效率提高有著決定性的影響。行波式旋轉型超聲電機是目前超聲電機研宄和應用最廣的類型之一，南京航空航天大學盧小龍等在《IEEE Transact1ns on Ultrasonics, Ferroelectrics, andFrequency Control》(2011 年 58 卷第 12 期第 2708-2719 頁)發表的《Analyses of thetemperature field of traveling-wave rotary ultrasonic motors〉〉對行波方定車專超聲電機的溫度場進行了研宄，表明行波旋轉超聲電機的不足在于:無法進一步微型化、機電耦合效率低、高驅動電壓和高電機溫升。已報道的微型旋轉超聲電機主要為柱式。南京航空航天大學朱華等在《Frontier Mechanical Engineering in China)) (2007 年 2 卷第 4 期第394 - 398 頁)發表的〈〈Investigat1n on a cylindrical ultrasonic micromotor〉〉對柱狀超聲微電機進行了研宄，這種超聲電機采用了 PZT片激勵的以金屬管作為定子，通過彎振的疊加，產生扭曲運動，其不足在于:機電耦合系數很低，為0.16，輸出扭矩和功率密度很低，驅動電壓高。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有技術的不足以及精密驅動和生物醫學工程應用的需要，提出一種基于壓電單晶面切模式的低壓高效驅動的柱狀旋轉超聲微電機。本發明利用[011]。極化壓電單晶面切模式具有超大壓電系數、高功率密度、高機電耦合系數的優勢，通過定子結構設計，在激勵頻率驅動下，由四個壓電單晶面切模式的壓電振子在軸向方向驅動轉子作旋轉運動，得到低壓高效低熱驅動的柱狀超聲微電機，滿足適合于精密驅動和生物醫學工程的應用場合。
[0005]本發明是通過以下技術方案來實現的:
[0006]一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，由定子組件和轉子組件構成，定子組件包括至少四個壓電單晶面切模式振子、用于支承振子的定子支架，振子的形狀為方形平板狀，定子支架的外部形狀為正多棱柱，振子的上表面和下表面均鍍有電極，各個振子的上表面所在平面分別與正多棱柱的各個側面重合，電機的轉軸線與正多棱柱的中心線重合。
[0007]優選地，振子為四個，每個振子都與相鄰的兩個振子垂直。
[0008]優選地，轉子組件包括轉子、轉子軸、軸承；轉子、轉子軸、軸承為同心結構；轉子軸與軸承的內圈固定，軸承的外圈緊固定在定子支架上。
[0009]優選地，轉子與振子的驅動足緊密接觸以使振子有預壓力作用在轉子上。
[0010]更優選地，軸承包括第一軸承和第二軸承。
[0011]優選地，轉子、第一軸承、第二軸承為同心結構；轉子軸與第一軸承和第二軸承的內圈緊配合裝配，第一軸承與第二軸承的外圈緊配合裝配在定子支架上。
[0012]優選地，振子材料為鐵電單晶材料。
[0013]更優選地，鐵電單晶材料為PZN-PT、PMN-PT, PIN-PMN-PT、摻錳PMN-PT或摻錳PIN-PMN-PT鐵電單晶材料中的任一種。
[0014]與現有技術相比，本發明利用新型壓電單晶材料面切模式具有超大壓電系數、高功率密度和高機電耦合系數的優勢，設計構造低壓高效低熱驅動的柱狀超聲微電機。該超聲電機功率密度高、效率高、驅動電壓低、發熱量極低，結構簡單、在微型化情況下保持較大的輸出力。適合于精密驅動和生物醫學工程的應用場合。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明一個較佳實施例的旋轉超聲微電機的結構示意圖；
[0016]圖2是圖1所示的旋轉超聲微電機A-A面的剖視圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0018]如圖1和圖2所示，本實施例旋轉超聲微電機包括:轉子軸1、轉子2、第一壓電單晶面切模式振子3、第二壓電單晶面切模式振子4、第三壓電單晶面切模式振子5、第四壓電單晶面切模式振子6、定子支架7、第一軸承8、第二軸承9。其中四個壓電單晶面切模式振子上下表面鍍有電極。振子朝向轉子軸的面為其下表面，另一面為上表面。
[0019]旋轉超聲微電機由定子組件和轉子組件構成。定子組件由第一壓電單晶面切模式振子3、第二壓電單晶面切模式振子4、第三壓電單晶面切模式振子5、第四壓電單晶面切模式振子6和定子支架7組成。轉子組件由轉子軸1、轉子2、第一軸承8和第二軸承9組成。
[0020]第一壓電單晶面切模式振子2、第二壓電單晶面切模式振子3、第三壓電單晶面切模式振子4、第四壓電單晶面切模式振子5分別置于定子支架7四個面，相鄰壓電單晶面切模式振子夾角相互垂直，且壓電單晶面切模式振子中心線與轉子軸I中心線平行。轉子2與四個壓電單晶振子驅動足緊密接觸以使四個壓電單晶振子以一定的預壓力作用在轉子2上。轉子2、第一軸承8、第二軸承9與轉子軸I為同心結構，轉子軸I與第一軸承8、第二軸承9內圈緊配合裝配，第一軸承8和第二軸承9外圈緊配合裝配在定子支架7上，保證同心度。
[0021]本實施例具體工作的實現包括以下過程:
[0022]當第一壓電單晶面切模式振子2、第二壓電單晶面切模式振子3、第三壓電單晶面切模式振子4、第四壓電單晶面切模式振子5被同時施加一定頻率的激勵信號時，在每個壓電單晶振子激發出相應的面切振型，驅動足端部產生斜線運動，且四個壓電單晶振子形成斜線運動為同一方向，從而通過摩擦力驅動轉子2繞轉子軸I旋轉，并在轉子軸I輸出一定的輸出力矩的正向圓周運動。當改變第一壓電單晶面切模式振子2、第二壓電單晶面切模式振子3、第三壓電單晶面切模式振子4、第四壓電單晶面切模式振子5的激勵區域，并同時施加相同激勵頻率的驅動信號時，驅動足端部產生相反方向的斜線運動，并在轉子軸I輸出一定的輸出力矩的反向圓周運動。
[0023]由上述實施例可以看出，通過控制四個壓電單晶面切模式振子的激勵方式，在逆壓電效應下壓電振子激發相應的面切振型，由驅動足通過摩擦力驅動轉子沿圓周旋轉運動。該超聲微電機機電耦合效率高2.8倍(約0.6)、驅動電壓低40-200倍、溫升低10度以上，驅動簡單、輸出力矩大、功率密度高，在微型化情況下能保持較大的輸出力，尤其適合于精密驅動和生物醫學工程的應用場合。
[0024]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，由定子組件和轉子組件構成，其特征在于，所述定子組件包括至少四個壓電單晶面切模式振子、用于支承所述振子的定子支架，所述振子的形狀為方形平板狀，所述定子支架的外部形狀為正多棱柱，所述振子的上表面和下表面均鍍有電極，各個所述振子的上表面所在平面分別與所述正多棱柱的各個側面重合，電機的轉軸線與所述正多棱柱的中心線重合。
2.根據權利要求1所述的一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，其特征在于，所述振子為四個，每個振子都與相鄰的兩個振子垂直。
3.根據權利要求1所述的一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，其特征在于，所述轉子組件包括轉子、轉子軸、軸承；所述轉子、所述轉子軸、所述軸承為同心結構；所述轉子軸與所述軸承的內圈固定，所述軸承的外圈固定在所述定子支架上。
4.根據權利要求3所述的一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，其特征在于，所述轉子與所述振子的驅動足緊密接觸以使所述振子有預壓力作用在所述轉子上。
5.根據權利要求3所述的一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，其特征在于，所述軸承包括第一軸承和第二軸承。
6.根據權利要求5所述的一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，其特征在于，所述轉子、所述第一軸承、所述第二軸承為同心結構；所述轉子軸與所述第一軸承和所述第二軸承的內圈緊配合裝配，所述第一軸承與所述第二軸承的外圈緊配合裝配在所述定子支架上。
7.根據權利要求1所述的一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，其特征在于，所述振子材料為鐵電單晶材料。
8.根據權利要求7所述的一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，其特征在于，所述鐵電單晶材料為PZN-PT、PMN-PT, PIN-PMN-PT、摻錳PMN-PT或摻錳PIN-PMN-PT鐵電單晶材料中的任一種。
【專利摘要】本發明公開了一種基于壓電單晶面切模式的柱狀旋轉超聲微電機，由定子組件和轉子組件構成，定子組件包括四個振子和定子支架，振子的形狀為方形平板狀，定子支架的外部形狀為正多棱柱，振子的上下表面均鍍有電極，上表面所在平面分別與同一個正多棱柱的各個側面重合，電機的轉軸線與正多棱柱的中心線重合。通過控制壓電振子的激勵方式激發出面切模式，并通過驅動足驅動轉子旋轉運動。本發明利用新型壓電單晶材料面切模式具有的優勢，設計構造低壓高效低熱驅動的柱狀超聲微電機。該超聲電機功率密度高、效率高、驅動電壓低、發熱量極低，結構簡單、在微型化情況下保持較大的輸出力，適合于精密驅動和生物醫學工程的應用場合。
【IPC分類】H02N2-12
【公開號】CN104852628
【申請號】CN201510272485
【發明人】李世陽, 楊明, 鹿存躍
【申請人】上海交通大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月25日