[實(shí)用新型]一種靜電力驅(qū)動(dòng)的微型超聲電機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201520265228.3
• 申請(qǐng)日: 2015-04-28
• 公開（公告）號(hào): CN204633636U
• 公開（公告）日: 2015-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭明森;趙淳生
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N1/00
• 分類號(hào): H02N1/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于靜電力激發(fā)結(jié)構(gòu)體的超聲振動(dòng)的微型超聲電機(jī)。

背景技術(shù)

與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范圍中，超聲電機(jī)已經(jīng)顯示了許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，諸如相對(duì)高的功率密度，大的驅(qū)動(dòng)力，和相對(duì)高的效率。傳統(tǒng)的電磁電機(jī)在幾個(gè)毫米量級(jí)尺寸的制造方面已變得很困難，而且它的效率在幾個(gè)毫米尺寸時(shí)只剩下百分之幾(<8％)，因?yàn)樗鄙僮銐驈?qiáng)的磁場(chǎng)。超聲電機(jī)利用結(jié)構(gòu)體(定子)的超聲振動(dòng)和介面摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)運(yùn)動(dòng)，其效率基本與尺寸無(wú)關(guān)，也沒有磁場(chǎng)問題。超聲電機(jī)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(qū)動(dòng)元件，超聲電機(jī)被應(yīng)用于一些高新技術(shù)產(chǎn)品諸如手機(jī)，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)和其它微型醫(yī)用設(shè)備的關(guān)鍵元件。許多新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，諸如音圈電機(jī)、壓電驅(qū)動(dòng)器、超聲電機(jī)等，已有了快速發(fā)展，并在許多領(lǐng)域里獲得成功應(yīng)用。在這些微型驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，超聲電機(jī)在運(yùn)動(dòng)行程、驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)精度和功率消耗等方面已顯示出明顯的優(yōu)越性。

利用結(jié)構(gòu)體的高頻振動(dòng)和介面摩擦來(lái)輸出運(yùn)動(dòng)和力的思想在上世紀(jì)60年代被提出。日本的Toshiiku?Sashida于上世紀(jì)80年代初提出旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)(美國(guó)專利US?4562374A)，此類超聲電機(jī)具有較大的力矩和較低的轉(zhuǎn)速，被大量應(yīng)用于照相機(jī)中驅(qū)動(dòng)鏡頭運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦。日本精工公司(Seiko)在1996年研制出一種直徑為8mm的旋轉(zhuǎn)型駐波超聲電機(jī)，并用于手表的振動(dòng)報(bào)時(shí)(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(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)縮小尺寸，研制出直徑為4.5mm，厚度為2.5mm的超聲電機(jī)，并將其應(yīng)用于手表中驅(qū)動(dòng)日歷，使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化。以上這些超聲電機(jī)都是利用壓電陶瓷激發(fā)定子的超聲振動(dòng)，制備過程中需要用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷與金屬結(jié)構(gòu)體粘接在一起而形成定子，難以進(jìn)一步微型化，且難以保證粘接的質(zhì)量一致性。

利用微加工的方法在硅片上制備微型超聲電機(jī)有可能使電機(jī)進(jìn)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(jī)[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(cè)淀積了氧化鋅薄膜材料(ZnO?film,厚度4.5μm)，ZnO/Si復(fù)合膜片在電壓作用下產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，硅膜片與柔性轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子上制備了傾斜的柔性齒)接觸并輸出單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)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(jī)尺寸為6×6×2mm3，轉(zhuǎn)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(jī)[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(qiáng)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(cè)試結(jié)果表明PZT/Si復(fù)合膜片的振動(dòng)比ZnO/Si復(fù)合膜片更強(qiáng)，電機(jī)性能得到明顯提升，輸出力矩0.94μN(yùn)m，轉(zhuǎn)速1020rpm。G.L.Smith和R.Q.Rudy等人制備了基于PZT/Si復(fù)合膜片的旋轉(zhuǎn)型行波超聲微電機(jī)[G.L.Smith,R.Q.Rudy,R.G.Polcawich,and?D.L.DeVoe,Integrated?thin-film?piezoelectric?traveling?wave?ultrasonic?motors,Sensors?and?Actuators?A?188,305-311,2012.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(shí)驗(yàn)證實(shí)定子中能產(chǎn)生振幅均勻的行波，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)2300rpm。雖然以上研究工作演示了基于PZT/Si復(fù)合膜片的微型超聲電機(jī)，但由于高質(zhì)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(jìn)行高溫?zé)崽幚恚c硅半導(dǎo)體工藝不兼容，且PZT由于成分復(fù)雜以及鉛元素的揮發(fā)性導(dǎo)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(jī)的性能和一致性難以保證。