一種內(nèi)梳齒狀定子及使用該定子的微型超聲電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種定子W及微型超聲電機，屬于壓電驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲電機是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)定子產(chǎn)生超聲波振動，通過定子 和轉(zhuǎn)子的接觸摩擦驅(qū)動，實現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)化為機械能輸出的新型直接驅(qū)動電機?？煞譃樾胁?型和駐波型2大類。因其結(jié)構(gòu)靈活，能量密度高，適合于微型化，可W用于MEMS領(lǐng)域。目前微 型旋轉(zhuǎn)超聲電機可分為椿形彎曲搖頭微電機和短圓柱盤式微電機，前者為細長形結(jié)構(gòu)，研 究較多，后者為扁短形結(jié)構(gòu)，研究較少。經(jīng)文獻檢索，已公開的申請?zhí)枮?00710144373. 6,發(fā) 明創(chuàng)造名稱為：磁力加壓的預(yù)壓力裝置及使用該裝置的微型彎曲超聲電機提出了一種微型 超聲電機，該發(fā)明申請實質(zhì)上是將椿形微電機軸向尺寸縮短，但其工作頻率提高，增大了高 頻損失，受彎曲搖頭限制，較難進一步減短軸向尺寸。已公開的申請?zhí)枮?00710144372. 1， 發(fā)明創(chuàng)造名稱為磁力加壓的預(yù)壓力裝置及使用該裝置的微型面內(nèi)超聲電機，該微電機采用 一個做面內(nèi)彎曲振動的定子，利用該定子內(nèi)圓棱邊產(chǎn)生彎曲振動驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因其內(nèi)圓 柱面無齒，驅(qū)動效率不高。此外，上述兩種專利公開的微電機，均屬于行波型。隨著MEMS技 術(shù)發(fā)展，急需研制軸向尺寸短小結(jié)構(gòu)的微電機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明是為解決現(xiàn)有超聲電機存在軸向尺寸大，徑向尺寸較大，驅(qū)動頻率高，驅(qū)動 效率低的問題，進而提供一種內(nèi)梳齒狀定子及使用該定子的微型超聲電機。
[0004] 本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：
[0005] 一種內(nèi)梳齒狀定子包括金屬彈性體和2N個壓電陶瓷片；金屬彈性體包括金屬彈 性本體和2N個金屬梳狀齒，金屬彈性本體為中屯、有圓柱形空腔的多邊形結(jié)構(gòu)，圓柱形空腔 的內(nèi)側(cè)面上均布固接有2N個金屬梳狀齒，每個金屬梳狀齒的齒頂?shù)囊粋€側(cè)壁面與轉(zhuǎn)子的 外周側(cè)面相接觸，每個金屬梳狀齒對應(yīng)多邊形的一個邊，壓電陶瓷片的極化面連接在與金 屬梳狀齒相對應(yīng)的金屬彈性本體的邊上，其中N為正整數(shù)，且N為2-4。
[0006] 使用內(nèi)梳齒狀定子的微型超聲電機包括轉(zhuǎn)子，它還包括內(nèi)梳齒狀定子、上蓋、支撐 板和定子座；轉(zhuǎn)子主要由同軸設(shè)置并制成一體的上圓柱段、中圓臺段和下圓錐段構(gòu)成，中圓 臺段的大直徑端面與下圓錐段的大直徑端面重合，內(nèi)梳齒狀定子安裝在定子座上，定子座 安裝在支撐板上，轉(zhuǎn)子穿過內(nèi)梳齒狀定子，內(nèi)梳齒狀定子的齒的齒頂?shù)囊粋€側(cè)壁面與轉(zhuǎn)子 的圓臺段的周側(cè)面相接觸，圓錐段的錐端頂靠在支撐板中部的錐槽內(nèi)，上蓋穿過轉(zhuǎn)子并與 支撐板連接為一體。
[0007] 使用內(nèi)梳齒狀定子的微型超聲電機包括轉(zhuǎn)子，它還包括內(nèi)梳齒狀定子、上蓋、定子 座和彈黃；轉(zhuǎn)子主要由同軸設(shè)置并制成一體的細圓柱段、粗圓柱段和下圓臺段構(gòu)成，粗圓柱 段的一個端面與下圓臺段的大直徑端面連接，內(nèi)梳齒狀定子安裝在定子座上，轉(zhuǎn)子穿過內(nèi) 梳齒狀定子，內(nèi)梳齒狀定子的齒的齒頂?shù)囊粋€側(cè)壁面與轉(zhuǎn)子的下圓臺段的周側(cè)面相接觸， 轉(zhuǎn)子通過軸承安裝在上蓋上，粗圓柱段上套設(shè)有彈黃，彈黃的兩端分別頂靠在軸承和內(nèi)梳 齒狀定子上，上蓋與定子座連接為一體。
[000引本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：本發(fā)明的內(nèi)梳齒狀定子克服了已有定子技術(shù) 在軸向尺寸短小的聲電機微型化方向的不足之處，金屬彈性體加工容易，特別適合用微細 加工技術(shù)制造，而壓電陶瓷條加工極化容易，解決了超聲電機在軸向尺寸短小化過程中定 子的加工難問題。本發(fā)明設(shè)計的微型超聲電機采用了內(nèi)梳齒狀定子，微型超聲電機的軸向 厚度方向尺寸得到很大減小，可W加工為3~6mm之間，而整體外徑也可W限制在5~10mm 之間。微型超聲電機具有軸向尺寸短，徑向尺寸小，驅(qū)動頻率低和驅(qū)動效率高的優(yōu)點，轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速達到峰值時的最大驅(qū)動頻率小于51赫茲，驅(qū)動效率提高了 50% -80%。
[0009] 本發(fā)明較大地促進了超聲電機的中軸向尺寸微小化實用化。本發(fā)明在生物、醫(yī)療、 微機械、國防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0010] 圖1是【具體實施方式】一的四齒四支撐足內(nèi)梳齒狀定子的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是四齒 四支撐足內(nèi)梳齒狀定子中的壓電陶瓷片施加反相的激勵信號的狀態(tài)示意圖，圖3是四齒四 支撐足內(nèi)梳齒狀定子中的壓電陶瓷片施加單相的激勵信號的狀態(tài)示意圖，圖4是具體實施 方式一的六齒六支撐足內(nèi)梳齒狀定子的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是【具體實施方式】一的六齒=支撐 足內(nèi)梳齒狀定子的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是六齒六支撐足內(nèi)梳齒狀定子中的壓電陶瓷片施加反 相的激勵信號的狀態(tài)示意圖，圖7是六齒六支撐足內(nèi)梳齒狀定子中的壓電陶瓷片施加單相 激勵信號的狀態(tài)示意圖，圖8是【具體實施方式】=的使用四齒四支撐足內(nèi)梳齒狀定子或六齒 六支撐足內(nèi)梳齒狀定子的微型超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖9是圖8的使用四齒四支撐足內(nèi) 梳齒狀定子的微型超聲電機的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖10是圖9的A-A剖面圖，圖11是圖8中 的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖，圖12是【具體實施方式】=的使用六齒六支撐足內(nèi)梳齒狀定子的微型 超聲電機的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖13是【具體實施方式】走的使用內(nèi)梳齒狀定子的微型超聲電 機的結(jié)構(gòu)示意圖，圖14是圖13中的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖，圖15是本發(fā)明的微型超聲電機轉(zhuǎn) 速隨頻率變化示意圖，圖16是本發(fā)明的微型超聲電機堵轉(zhuǎn)力矩隨電壓變化示意圖，圖17是 本發(fā)明的微型超聲電機工作原理示意圖，圖18是粘貼壓電陶瓷片的定子的實物圖，圖19是 安裝有四齒四支撐足定子的微型超聲電機實物圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0011] 一；結(jié)合圖1、圖4和圖5說明，本實施方式的一種內(nèi)梳齒狀定子包 括金屬彈性體1和2N個壓電陶瓷片2 ;金屬彈性體1包括金屬彈性本體1-1和2N個金屬 梳狀齒1-2,金屬彈性本體1-1為中屯、有圓柱形空腔的多邊形結(jié)構(gòu)，圓柱形空腔的內(nèi)側(cè)面上 均布固接有2N個金屬梳狀齒1-2,每個金屬梳狀齒1-2的齒頂?shù)囊粋€側(cè)壁面與轉(zhuǎn)子22的外 周側(cè)面相接觸，每個金屬梳狀齒1-2對應(yīng)多邊形的一個邊，壓電陶瓷片2的極化面連接在與 金屬梳狀齒1-2相對應(yīng)的金屬彈性本體1-1的邊上，其中N為正整數(shù)，且N為2-4。
[0012] 本實施方式的金屬彈性體1為四齒四支撐足結(jié)構(gòu)或六齒六支撐足結(jié)構(gòu)或六齒= 支撐足結(jié)構(gòu)。支撐足1-5與金屬彈性本體1-1固接。六齒=支撐足結(jié)構(gòu)的=支撐足相間呈 120°布置。
[0013] 壓電陶瓷片都極化為一個表面為正極面，另一個表面為負極面。壓電陶瓷片的厚 度為0. 2-1. 0mm，壓電陶瓷片采用PZT4或PZT5或PZT8壓電陶瓷片。
[0014] 本實施方式的金屬梳狀齒均勻分布在金屬彈性本體圓柱形空腔的內(nèi)側(cè)面適當(dāng)位 置（通常在一個波長的1/8和5/8,或3/8和7/8處），本實施方式的金屬梳狀齒猶如梳子 在圓柱形空腔內(nèi)布置，齒的齒頂可為斜尖角形狀，齒的一側(cè)面可為一段斜面和一段直面的 組合，齒的另一側(cè)為直面。2N個金屬梳狀齒1-2環(huán)繞轉(zhuǎn)子布置，2N個金屬梳狀齒1-2通電 能推動轉(zhuǎn)子周向轉(zhuǎn)動，齒頂點在轉(zhuǎn)子上作斜圓弧形運動，有切向運動分量。
【具體實施方式】 [0015] 二；結(jié)合圖1、4和圖5說明，本實施方式的多邊形的邊分為2N個長 邊1-3和2N個短邊1-4,長邊1-3和短邊1-4相間設(shè)置，壓電陶瓷片2的極化面膠接在金屬 彈性本體1的長邊1-3上。
[0016] 本實施方式的短邊1-4上安裝支撐足1-5,可用耐熱環(huán)氧樹脂膠黏劑依次把具有 相同極性表面的壓電陶瓷片2黏貼到金屬彈性本體1-1的長邊1-3上。
[0017] 如圖2所示，當(dāng)內(nèi)梳齒狀定子為四齒四支撐足結(jié)構(gòu)時，四個壓電陶瓷片2的負 極面粘接在與金屬梳狀齒1-2相對應(yīng)的金屬彈性本體1-1的長邊1-3上，四個壓電陶瓷 片2順次施加正弦波（sin(?t))、負正弦波（-sin(ot))、正弦波（sin(?t))、負正弦波 (-sin(?t))的激勵信號，可使金屬彈性本體1-1產(chǎn)生4階彎曲駐波振動，使施加負弦波壓 電陶瓷片對應(yīng)的齒遠離，而施加正弦波壓電陶瓷片對應(yīng)的齒靠近。當(dāng)激勵信號W超聲頻率 交替變化時四個齒的靠近和遠離動作呈現(xiàn)高頻交替變化。
[001引如圖3所示，當(dāng)內(nèi)梳齒狀定子為四齒四支撐足結(jié)構(gòu)時，四個壓電陶瓷片2中的任意 正對的兩個壓電陶瓷片2為一組，兩組壓電陶瓷片2的極化面各自粘接在金屬彈性本體1-1 的長邊1-3上，兩組壓電陶瓷片2的粘接面的極性相反，四個壓電陶