[發明專利]一種分體式螺旋定子微電機

無效

• 申請號: 200810051696.5
• 申請日: 2008-12-30
• 公開（公告）號: CN101453177A
• 公開（公告）日: 2009-06-10
• 發明（設計）人: 鄂世舉;朱喜林;高春甫;李曉梅;荊寶德;賀新升
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: H02N2/10
• 分類號: H02N2/10
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明屬于一種基于行波方式工作的新型結構微型超聲電機。

背景技術

微電機廣泛應用于各種微機電系統(MEMS)中。在各種微電機中，電磁型微電機由于其復雜的結構限制了其進一步微型化。利用集成電路制造工藝(IC工藝)制造的靜電微型電機無法產生足夠的輸出功率。而超聲微電機由于其小尺寸、大扭矩、高能量密度特性有利于裝置的微型化而充滿前景。超聲微電機是利用壓電陶瓷材料PZT或高分子PVDF薄膜材料的逆壓電效應，通過轉換壓電振子的超聲振動形成驅動能力，實現超聲波振動能轉換成機械能并依靠摩擦力來驅動的一種全新結構的微型電機。

隨著微型機器人及MEMS技術的發展，對超聲微電機提出了更高的技術要求。目前，超聲微電機繼續朝著微小化的方向發展，而進一步簡化微電機的構造是其中的一個重要研究手段。結構簡化不僅有利于超聲微電機的進一步微小化，更可提高電機的可靠性，有利于電機的批量制造，進而降低其成本。而結構復雜、制造工藝要求高、控制復雜、可靠性及壽命低一直是制約超聲微電機發展及應用的關鍵問題。

在對超聲微電機進一步微型化的研究當中，存在著工藝上的限制：即受到壓電材料的加工及制作工藝問題的限制。另一方面，設計新型結構也一直是微電機微型化的一個努力方向。

發明內容

本發明提供一種分體式螺旋定子微電機，以解決現有微電機存在的結構復雜、制造工藝要求高、控制復雜、可靠性及壽命低的問題。

本發明采取的技術方案是：壓電超聲換能器一和壓電超聲換能器二分別與波導連接，該波導繞接在微電機的轉子外部，形成微電機的螺旋狀定子，并與該微電機的轉子接觸連接。

本發明波導截面形狀為圓形或矩形。

本發明微電機的轉子，采用圓柱體、空心圓柱體、球形及圓錐體。

本發明的工作原理：超聲微電機由轉子及螺旋管形成的定子組成，波導與超聲換能器一及二在振動過程中保持接觸；壓電超聲換能器通過波導將機械振動諧波傳遞給螺旋定子，激勵并使其產生橢圓運動，進而驅動轉子工作。

本發明設計一種新型結構微電機，在目前的壓電微電機研究基礎上，進一步簡化微電機的構造，該微電機主要由轉子、螺旋型定子及壓電超聲換能器組成，與傳統的超聲微電機區別在于：其一，螺旋狀的定子結構；其二，壓電超聲換能器通過波導將行波傳遞給定子，即壓電超聲換能器與定子分離，而不是傳統超聲微電機的壓電材料與定子粘接在一起的結構。

本發明微電機的螺旋定子結構本身可自動實現與轉子之間的預緊，無需另加預載彈簧；加之其特有的分體式結構，有利于微電機的進一步微型化。通過這種新結構微電機的設計，較之目前的超聲微電機設計，可大大簡化微電機的構造，達到高效率、低成本、高可靠性、更有利于微型化的目的。

本發明優點在于：

(1)結構新穎，具體為采取了一種新型的分體式結構——將超聲微電機的驅動源與執行部件分離，通過波導傳遞能量。可大大減小微電機的體積，有利于進一步微型化。采用了一種螺旋定子的型式，增大轉子與定子之間的摩擦面積，進而提高輸出力矩。波導將振動波(行波)傳導到定子表面的過程中，彎曲波會出現衰減。螺旋定子構造能有效克服以上問題。

(2)換能器設計及制造不再是微電機設計過程中的制約因素。由于分體式結構，可適當增大壓電換能器的功率，而不會影響超聲微電機的微型化，同時對壓電陶瓷的微制造工藝的要求降低。

(3)控制器設計及控制方式簡化。由于采用螺旋定子結構，本項目中的線性電機設計方案可在一定分辨率范圍內(取決于加工精度)通過機械結構保證定位精度，穩妥可靠。超聲微電機具有較高的非線性及時變特性，在所有時段內實現微電機的精確定位非常困難，目前的手段是在控制方法上做文章，效果不好。

另外，通過對連接在波導兩端的超聲換能器的切換驅動，實現微電機的正反向控制，從而簡化行波類型超聲微電機驅動器的控制方法。(一般的，行波類微電機對于正反向控制比較復雜，驅動電源體積較大。)