[发明专利]一种分体式螺旋定子微电机

说明书

技术领域

本发明属于一种基于行波方式工作的新型结构微型超声电机。

背景技术

微电机广泛应用于各种微机电系统(MEMS)中。在各种微电机中，电磁型微电机由于其复杂的结构限制了其进一步微型化。利用集成电路制造工艺(IC工艺)制造的静电微型电机无法产生足够的输出功率。而超声微电机由于其小尺寸、大扭矩、高能量密度特性有利于装置的微型化而充满前景。超声微电机是利用压电陶瓷材料PZT或高分子PVDF薄膜材料的逆压电效应，通过转换压电振子的超声振动形成驱动能力，实现超声波振动能转换成机械能并依靠摩擦力来驱动的一种全新结构的微型电机。

随着微型机器人及MEMS技术的发展，对超声微电机提出了更高的技术要求。目前，超声微电机继续朝着微小化的方向发展，而进一步简化微电机的构造是其中的一个重要研究手段。结构简化不仅有利于超声微电机的进一步微小化，更可提高电机的可靠性，有利于电机的批量制造，进而降低其成本。而结构复杂、制造工艺要求高、控制复杂、可靠性及寿命低一直是制约超声微电机发展及应用的关键问题。

在对超声微电机进一步微型化的研究当中，存在着工艺上的限制：即受到压电材料的加工及制作工艺问题的限制。另一方面，设计新型结构也一直是微电机微型化的一个努力方向。

发明内容

本发明提供一种分体式螺旋定子微电机，以解决现有微电机存在的结构复杂、制造工艺要求高、控制复杂、可靠性及寿命低的问题。

本发明采取的技术方案是：压电超声换能器一和压电超声换能器二分别与波导连接，该波导绕接在微电机的转子外部，形成微电机的螺旋状定子，并与该微电机的转子接触连接。

本发明波导截面形状为圆形或矩形。

本发明微电机的转子，采用圆柱体、空心圆柱体、球形及圆锥体。

本发明的工作原理：超声微电机由转子及螺旋管形成的定子组成，波导与超声换能器一及二在振动过程中保持接触；压电超声换能器通过波导将机械振动谐波传递给螺旋定子，激励并使其产生椭圆运动，进而驱动转子工作。

本发明设计一种新型结构微电机，在目前的压电微电机研究基础上，进一步简化微电机的构造，该微电机主要由转子、螺旋型定子及压电超声换能器组成，与传统的超声微电机区别在于：其一，螺旋状的定子结构；其二，压电超声换能器通过波导将行波传递给定子，即压电超声换能器与定子分离，而不是传统超声微电机的压电材料与定子粘接在一起的结构。

本发明微电机的螺旋定子结构本身可自动实现与转子之间的预紧，无需另加预载弹簧；加之其特有的分体式结构，有利于微电机的进一步微型化。通过这种新结构微电机的设计，较之目前的超声微电机设计，可大大简化微电机的构造，达到高效率、低成本、高可靠性、更有利于微型化的目的。

本发明优点在于：

(1)结构新颖，具体为采取了一种新型的分体式结构——将超声微电机的驱动源与执行部件分离，通过波导传递能量。可大大减小微电机的体积，有利于进一步微型化。采用了一种螺旋定子的型式，增大转子与定子之间的摩擦面积，进而提高输出力矩。波导将振动波(行波)传导到定子表面的过程中，弯曲波会出现衰减。螺旋定子构造能有效克服以上问题。

(2)换能器设计及制造不再是微电机设计过程中的制约因素。由于分体式结构，可适当增大压电换能器的功率，而不会影响超声微电机的微型化，同时对压电陶瓷的微制造工艺的要求降低。

(3)控制器设计及控制方式简化。由于采用螺旋定子结构，本项目中的线性电机设计方案可在一定分辨率范围内(取决于加工精度)通过机械结构保证定位精度，稳妥可靠。超声微电机具有较高的非线性及时变特性，在所有时段内实现微电机的精确定位非常困难，目前的手段是在控制方法上做文章，效果不好。

另外，通过对连接在波导两端的超声换能器的切换驱动，实现微电机的正反向控制，从而简化行波类型超声微电机驱动器的控制方法。(一般的，行波类微电机对于正反向控制比较复杂，驱动电源体积较大。)