[发明专利]一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机

说明书

本发明公开了一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机，包括电机底座和设置在电机底座上的壳体，壳体内设有压电行波超声电机组件、感应控制组件和磁流压力调整组件。本发明将锚点安放于定子谐振模态的稳定位移零点处，避免了锚点和悬臂梁明显的面外位移和角度偏转。最大限度的限制了定子通过悬臂梁损耗到周围环境的能量，保证了系统的机电转换效率和高品质因数。且通过磁流压力调整组件调整定子与转子之间的压力，通过改变电磁线圈的通电或断开对超声微电机的轴向预紧力进行调整。

技术领域

本发明涉及超声微电机技术领域，具体涉及一种基于并排磁流变弹性体的高Q值压电行波超声微电机。

背景技术

微超声电机作为一种利用MEMS技术设计制作的新型驱动器件，其在交变电压激励下利用压电材料层的逆压电效应激发定子产生高频微幅振动，同时通过定、转子接触界面上的切向摩擦力驱动转子产生转动，实现电机的扭矩输出，从而实现电能向机械能的转换。微超声电机与传统电磁电机相比，具有体积小、响应快(毫秒级)、低速大扭矩、低噪声、抗电磁干扰和自锁能力强等优点，有着广阔的应用前景。

在电机工作过程中，定子处于持续振动状态，因此研究定子振动过程中的能量损耗问题是高性能超声电机设计的重要任务之一。所有的谐振器件都是由一个或多个机械结构将其与基板或者周围结构连接起来，这些连接提供与系统其余部分的机械连接以及用于偏置和检测谐振器件的电路连接，与在空间自由振动的自由梁不同，这些连接为谐振器到周围环境的能量损耗提供了桥梁，即成为了限制器件品质因数的关键。MEMS超声电机作为谐振器件，其工作在正交模态谐振状态下，定子边缘和基底通常由悬臂梁连接，这些连接点称为锚点，锚点为定子到基底的能量损失提供了桥梁，降低了定子结构的品质因数，且在定子边缘产生了较大的面外运动和角度偏转，锚点处的应力集中使得定子工作于不稳定状态，对器件的性能产生较大的影响。

现有定子采用圆盘型结构，图1为马达定子的结构图。它是由压电陶瓷圆片和金属圆片(镍片)粘结而成，其中，金属圆片是作为弹性体，目的是为了放大压电陶瓷的振动。采用光刻形成4n个分区电极(其中，n为模态的阶数，图示n为3，用以高效地激发出所需的B03模态)，分别接上正弦和余弦信号，保持90°的相位差，图2为定子背面压电陶瓷的电极连接示意图。当外加交变电场后，压电陶瓷通过逆压电效应效应产生振动，在定子中激发出两个驻波模态，两个驻波模态在空间和时间上都相差90°，合并形成一旋转的行波。

在圆盘型定子中，定子的锚点位于圆盘的中心，与公共节点和固定器位于同一位置。单独来讲，这种结构对于行波超声定子来说是理想的，因为锚点和电连接点位于运动非常小的地方(公共节点处)，这意味着锚点和电连接(以及相关联的接线)具有对定子动态很小的影响。此外，锚点位于节点处使得通过锚点到基底的能量损失很小，可以获得较高的品质因数，在谐振器件产生更大的偏转。然而当考虑到电机和系统大范围内的定子时，显然中心固定圆盘具有显著的缺点。主要的困难是将电信号传递到定子的连接线必须穿过转子的中心 (除非晶元通孔技术有显著的进步)。手动引线键合可以用于连接定子，但是需要大的线环，以使导线不会抑制转子运动，这种贯穿转子的引线键合限制了可以使用的转子的类型，限制了在转子中心放置部件。

目前国内的行波型超声波电机大都采用环形定子结构，如图2所示。在这类定子中，环形内侧固定是常见的机械支撑方式，在定子环内圈有一段比较薄的支撑板，具有径向隔振效果，而且便于超声波电机的固定。由于固定板是固定在机壳上的，不会发生振动，定子支撑的设置可以减少固定板的约束影响，大大减少电机径向挠度，以得到较大的输出力矩。定子由压电陶瓷、金属弹性体构成，由基座经四个螺孔固定在外壳上，取h表示定子支撑底部到金属弹性底端距离，t表示定子支撑厚度，w表示定子支撑宽度。

环形内侧固定结构适用于大型环形定子电机，可以支持静态负载且高频振动不受阻碍。但是在毫米级电机中，这种支撑结构是不可能的，从内侧支撑定子几乎不能实现，所得到的装置会有类似于圆盘型定子的许多限制，降低电机品质因数。

发明内容