单节径非轴对称振动模式的压电膜微电机

摘要

单节径非轴对称振动模式的压电膜微电机,属于压电微电机技术领域。其特征在于,它含有:由薄金属圆片和对称地粘接于该片上且可顺或逆时针地沿圆周方向在其电极分割区上连续加电的压电陶瓷膜片共同构成的定子,对称地固定在上述定子中心处的中空管,分布在中空管两端的转子,穿过中空管与上转子间隙配合的中心轴,作用在上转子上由螺母、弹簧构成的预紧力调整机构以及支在薄金属圆片外周上的字子支撑。当下转子与中心轴连体时构成轴输出型电机;下转子作为中心轴的支撑构成转子输出型。转子与中空管呈倾斜角接触。转子运转的平稳性随电极分割区数的增大而提高。它兼具棒状和压电膜微电机的优点,极化工艺简单且有通用性,易微型化,同时也不影响输出力矩。

说明书

技术领域

一种单节径非轴对称振动模式的压电膜微电机，属于压电微电机技术领域。

背景技术

压电超声波马达由于自身响应速度快、断电自锁、无电磁扰动，不受电磁干扰、低速运行、易微型化且结构设计灵活的特点，作为精密仪器的驱动元件有着十分广泛的应用。目前已有的棒状压电微电机和薄膜压电微电机是在压电微电机微型化方面的主要类型，其缺点在于：1，棒状陶瓷微电机外形尺寸受到工艺条件的制约，难以做得更小，这是因为要在压电陶瓷棒或管的外侧或内侧至少分成4个极化区间，若外形尺寸过小会给极化、分区、电连接和测试都带来很大困难。2，薄膜压电微电机主要是从厚度方向达到微型化的目的，力的输出一般在定子振动的峰值处，故定、转子在尺寸上差不太多，径向尺寸很难减小，否则，会减小输出力矩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具薄膜压电微电机工艺成熟的优点和棒状压电微电机易微型化和输出力矩大的优点的单节径非轴对称振动模式的压电膜微电机。在2001International Symposium on Micromechatronics and Human Science(微型机械电子和人类科学国际会议)发表了一篇题为“PZT based Manipulators for Cell Biolog”(用于细胞生物学的压电操纵器)的论文，文中所述操纵器的结构如图1所示。它主要包括操纵探针10，压电陶瓷薄圆片11和薄金属圆片12。压电陶瓷薄圆片11沿厚度方向极化，在表面均匀铺设有四块90度扇形电极。在压电陶瓷薄圆片11的作用下，操纵探针10会产生如图所示的绕X轴，或绕Y轴，或沿Z轴的三维运动。当给扇形电极1、3加交流电时探针10会相对Y轴摆动；当给扇形电极2、4加交流电时探针10会相对X轴摆动；当给扇形电极1、2、3、4同时加同极性交流电时则探针10会沿Z轴上下往复运动。这种压电陶瓷薄圆片11的表面在振动频率较低时有一条节径但无节圆，我们称为压电陶瓷膜片的(1，0)振动模式；在振动频率较高时有一条节径，一个节圆，我们称之为(1，1)振动模式。它的特点是作为驱动部分的压电陶瓷膜片与作为受动部分的探针是分离的，为受动部分微型化提供了思路，只要在压电陶瓷膜片驱动下受动部分能绕固定轴Z转动，就会形成一个全新的驱动系统。

本发明的特征在于，它含有：由薄金属圆片和对称地粘接在上述薄金属圆片上且可顺或逆时针地沿其圆周方向在电极分割区上连续加电的压电陶瓷膜片共同构成的定子，对称地固定在上述定子中心处的中空管，分布在中空管两端的转子，穿过中空管与上转子间隙配合的中心轴，作用在上转子上由螺母、弹簧构成的预紧力调整机构以及支在薄金属圆片外周上的定子支掌。所述的微电机是下转子与中心轴连体向上转子与中心轴间隙配合，且上、下转子与中空管呈内倾斜角接触的轴输出型的。所述的微电机是下转子为与中心轴连体的支撑，而上转子与中心轴间隙配合且与中空管呈内倾斜角接触的转子输出型的。

所述的压电陶瓷膜片其一侧为统一电极而另一侧电极均分为2N区，N至少等于或大于2，而且极化方向沿厚度方向，每个极化区的极化方向是一致的。所述的分割分数2N＝4。所述的统一电极是与另一侧和中心管对称的任一对电极在极化方向上是相反的而且是共同与外电源相串联的。

使用证明：它可实现预期目的。

附图说明

图1：现有压电操纵器的结构示意图。

图2：单节径非轴对称振动模式的压电膜微电机运转原理示意图。

图3：实施例一：轴输出型单节径非轴对称振动模式的压电膜微电机结构示意图。

图4：图3所示微电机的立体示意图。

图5：实施例二：转子输出型单节径非轴对称振动模式的压电膜微电机结构示意图。

图6a-1、6a-2、6a-3：基于弯曲振动模式的压电超声波微电动机定子的三种振动模式：没有节点、有一个节点和有二个节点；

图6b：单节径非轴对称振动模式的压电膜微电机中空管的摆动模式。

图7：串联加电的定子连接图。

具体实施方式

实施例一：请见图2～图4。电机结构包括转子31、定子32、预紧力调整机构30和支撑33。定子32由薄金属片321和用环氧树脂胶粘接在它正反面的薄压电陶瓷膜片320构成。压电陶瓷膜片320沿厚度方向的极化是一致的。上表面有四个扇形电极1～4，另一侧为统一电极，薄金属片321的中心孔对称地固定了一个中空管322。两转子312、313对称地分布在中空管322的两端，中心轴314通过中空管322的内孔，下转子313与中心轴314连体。两转子312、313在预紧力调整机构30的作用下紧密地与中空管322配合，所述预紧力调整机构30包括螺母300和弹簧301，螺母300通过与中心轴314的上端螺纹相配合，可调整中空管322与转子31间的预紧力。上转子312与中心轴314间隙配合。所述的转子31与中空管322之间的接触面采用内倾斜角接触，它免除了轴承对中心轴314的定位，也可改善接触状态，提高输出力矩，陶瓷表面所加电压的极性有区别：当给2、4区间所加交流电与1、3区间所加交流电相差1/4波长时，中空管322就会产生圆周连续摆动，中空管322的正、反向摆动可以控制转子31的旋转方向，其中空管摆动模式见图6b，由图可知，中空管322只是刚体位移，无弯曲变形，中空管322在摆动中无论压电膜片振动幅度的大小总是有一个节点，而且定子两侧的瞬间驱动点在定子异侧。专利号为ZL97111805.1，名称为“基于弯曲振动模式的压电超声波微电动机”与本发明相比，定子呈弯曲状态，根据定子振动幅度的大小，定子存在没有节点，有一个节点、有两个节点三种情况，而且，定子两侧瞬间驱动点在定子的同侧。陶瓷表面的区分割数2N，N≥2，本实施例中2N＝4。由此可见，当顺时针给压电陶瓷膜片320上与中空管322对称的一对电极加电时，中空管322会顺时针连续摆动，转子在中空管322摩擦力作用下也会顺时针转动，反之，则作逆时针转动。转子运转的稳定性与压电陶瓷膜片320表面的扇形电极数N有关，N越大，稳定性越好。另外，当振动频率较低时振动模式为(1，0)，即有一条节径，没有节圆。给压电陶瓷膜片顺时针加电时，节径会顺时针转动中空管322随之顺时针摆动，转子31也顺时针转动；当振动频率较高时振动模式为(1，1)，即有一个节径，在定子表面某处有一个节圆，其余与振动模式(1，0)相同。图7是使统一电极与另一侧和中心管322对称的任一对电极在极化方向上相同，两者共同与外接电源相联，即串联方式。

实施例二：请见图5。它与实施例一的区别在于：去掉下转子使中心轴514与支撑53连成一体，即下转子制成支撑体形式与中心轴514连体，上转子512与中心轴514间隙配合。中空管522的摆动只驱动上转子512顺或逆时针转动。其中，500是螺母，50是预紧力调整机构，501是弹簧，520是压电陶瓷膜片，521是薄金属圆片，52是定子，51是转子。

由此可见，本发明兼具棒状和薄膜压电微电机的优点，其特点如下：1、极化工艺简单，当电机微型化时，陶瓷片及电极的平面结构，可与现有许多先进制造手段兼容，易于微型化且处理后的电参数一致性非常好。2、适当增加电极区分割数N，即可提高转子运转稳定度。3、压电陶瓷膜片320与定、转子驱动部分是分离的，有利于驱动部分自身直径微型化。4、随之而来，输出力矩在电机微型化时也不会受影响。