[發明專利]一種靜電力驅動的微型超聲電機

有效

• 申請號: 201510210237.7
• 申請日: 2015-04-28
• 公開（公告）號: CN104883089B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 郭明森;趙淳生
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N1/00
• 分類號: H02N1/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明屬于超聲電機技術領域，尤其是一種基于靜電力激發結構體的超聲振動的微型超聲電機。

背景技術

與傳統的電磁電機相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范圍中，超聲電機已經顯示了許多獨特的優點，諸如相對高的功率密度，大的驅動力，和相對高的效率。傳統的電磁電機在幾個毫米量級尺寸的制造方面已變得很困難，而且它的效率在幾個毫米尺寸時只剩下百分之幾(<8％)，因為它缺少足夠強的磁場。超聲電機利用結構體(定子)的超聲振動和介面摩擦驅動轉子(動子)運動，其效率基本與尺寸無關，也沒有磁場問題。超聲電機即使在毫米尺寸，也能維持低速和大力矩的特征。作為精密驅動元件，超聲電機被應用于一些高新技術產品諸如手機，醫學成像系統和其它微型醫用設備的關鍵元件。許多新的驅動技術，諸如音圈電機、壓電驅動器、超聲電機等，已有了快速發展，并在許多領域里獲得成功應用。在這些微型驅動技術中，超聲電機在運動行程、驅動力、驅動精度和功率消耗等方面已顯示出明顯的優越性。

利用結構體的高頻振動和介面摩擦來輸出運動和力的思想在上世紀60年代被提出。日本的Toshiiku?Sashida于上世紀80年代初提出旋轉型行波超聲電機(美國專利US?4562374A)，此類超聲電機具有較大的力矩和較低的轉速，被大量應用于照相機中驅動鏡頭運動實現自動聚焦。日本精工公司(Seiko)在1996年研制出一種直徑為8mm的旋轉型駐波超聲電機，并用于手表的振動報時(A.Iino,K.Suzuki,M.Kasuga,M.Suzuki,T.Yamanaka.Development?of?a?self-oscillating?ultrasonic?micro-motor?and?its?application?to?a?watch.Ultrasonics?38,54-59,2000.)。精工公司通過進一步改進結構縮小尺寸，研制出直徑為4.5mm，厚度為2.5mm的超聲電機，并將其應用于手表中驅動日歷，使機構簡化。以上這些超聲電機都是利用壓電陶瓷激發定子的超聲振動，制備過程中需要用環氧樹脂將壓電陶瓷與金屬結構體粘接在一起而形成定子，難以進一步微型化，且難以保證粘接的質量一致性。

利用微加工的方法在硅片上制備微型超聲電機有可能使電機進一步微型化。G.-A.Racine等人利用硅微加工的方法制備了超聲微電機[G.-A.Racine,R.Luthier,and?N.F.de?Rooij,Hybrid?ultrasonic?micromachined?motors,Proceedings?of?Micro?Electro?Mechanical?Systems,1993.]，在硅膜片(Si,厚度9.2μm)一側淀積了氧化鋅薄膜材料(ZnO?film,厚度4.5μm)，ZnO/Si復合膜片在電壓作用下產生彎曲振動，硅膜片與柔性轉子(轉子上制備了傾斜的柔性齒)接觸并輸出單向旋轉運動。該電機定子制備過程中利用了薄膜制備方法和硅刻蝕方法，制備的電機尺寸為6×6×2mm3，轉速為600rpm，力矩為50nNm。P.Muralt和M.-A.Dubois制備了類似工作原理的超聲微電機[M.-A.Dubois?and?P.Muralt,PZT?thin?film?actuated?elastic?fin?micromotor,IEEE?Transactions?on?Ultrasonics,Ferroelectrics,and?Frequency?Control?45,1169-1177,1998.]，利用具有更強壓電性能的PZT壓電薄膜材料(Pb(Zr,Ti)O3縮寫為PZT，厚度1μm)替換ZnO材料，硅膜片的尺寸為直徑5.2mm，厚度34μm，測試結果表明PZT/Si復合膜片的振動比ZnO/Si復合膜片更強，電機性能得到明顯提升，輸出力矩0.94μNm，轉速1020rpm。G.L.Smith和R.Q.Rudy等人制備了基于PZT/Si復合膜片的旋轉型行波超聲微電機[G.L.Smith,R.Q.Rudy,R.G.Polcawich,and?D.L.DeVoe,Integrated?thin-film?piezoelectric?traveling?wave?ultrasonic?motors,Sensors?and?Actuators?A188,305-311,2012.R.Q.Rudy,G.L.Smith,D.L.DeVoe,and?G.Polcawich,Millimeter-scale?traveling?wave?rotary?ultrasonic?motors,Journal?of?Microelectromechanical?Systems?24,108-114,2015.]，實驗證實定子中能產生振幅均勻的行波，最大轉速可達2300rpm。雖然以上研究工作演示了基于PZT/Si復合膜片的微型超聲電機，但由于高質量的PZT壓電薄膜難以獲得(PZT薄膜的制備過程中需要在含氧氣氛下進行高溫熱處理，與硅半導體工藝不兼容，且PZT由于成分復雜以及鉛元素的揮發性導致薄膜性能和一致性很難控制，另外，PZT薄膜的刻蝕工藝也有待研究)，超聲電機的性能和一致性難以保證。