| 微小型超聲波電機(jī)的制造工藝
摘要：敘述了各種微小型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、工藝方法利性能指標(biāo)。詳細(xì)討論了電機(jī)制造工藝中應(yīng)注意的一些關(guān)鍵問(wèn)題，并通過(guò)對(duì)電機(jī)的兩相阻抗特性的對(duì)比，分析了加工工藝、邊界條件以及裝配安裝使用等制造工藝對(duì)不同尺寸電機(jī)精度的影響。
關(guān)鍵詞：微小型超聲波電機(jī)；制造工藝：阻抗特性
O引言
1980年日本學(xué)者指田年生成功地制造出第一臺(tái)可以滿足實(shí)際使用要求的超聲波電機(jī)，近30年來(lái)各種類型和結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)不斷地被研制，其性能指標(biāo)也越來(lái)越接近實(shí)際工程應(yīng)用的需要。超聲波電機(jī)發(fā)展也經(jīng)歷了從大到小，從小型到微型的一個(gè)過(guò)程。隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMs)開發(fā)的深入，作為微電子機(jī)械系統(tǒng)中關(guān)鍵執(zhí)行部件的微電機(jī)的研制越來(lái)越受到人們的關(guān)注。超聲波電機(jī)不會(huì)因尺寸的減小而功率急劇下降、轉(zhuǎn)換效率降低，具有功率體積比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，且更能滿足MEMs對(duì)電機(jī)的輸出力矩要求的特點(diǎn)，使其成為****發(fā)展?jié)摿Φ尿?qū)動(dòng)器。事實(shí)證明，微型超聲波電機(jī)在航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域已經(jīng)起到了電磁電機(jī)、靜電電機(jī)等不司替代的作用㈣。
1微小型超聲波電機(jī)的類型
目前，國(guó)內(nèi)外微小型超聲波電機(jī)主要有三類：在硅基體上沉積薄膜的超聲波電機(jī)、在金屬上沉積薄膜的超聲波和陶瓷塊體結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)。1992年麻省理工學(xué)院Anita M·Flynn等在2 2㈣×2 2mm的氮化硅薄膜上沉積20nm厚的Ⅲ層，然后沉積460nm的Pt層作為底層電極，再用溶膠一凝膠法沉淀PzT薄膜并覆蓋金膜作為頂層電極，制作出微型行
波超聲波電機(jī)，定子的外徑為2㈣，內(nèi)徑為l 2 mm。平面內(nèi)的電極分區(qū)如圖1所示。每片電極激發(fā)出l腿波長(zhǎng)的駐波，通過(guò)施加圖1所示相位的激勵(lì)電壓，在薄膜面內(nèi)可以激發(fā)出兩個(gè)波長(zhǎng)
的行波，從而推動(dòng)放置在薄膜面上的透鏡轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為100～3【)()r／min。Ic工藝制造的微型電機(jī)尺寸小，可以把電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制電路很好的集成起來(lái)，但工藝過(guò)程較復(fù)雜。用
薄膜定子時(shí)電場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合問(wèn)題給理論分析帶來(lái)了很大的難度，電機(jī)的輸出性能很難得以保證。
薄膜壓電陶瓷電機(jī)是在金屬基體的表面沉積有壓電薄膜的另一類固態(tài)微超聲波電機(jī)，日本對(duì)微小型超聲波電機(jī)的研究和應(yīng)用始終處于世界****地位。1998年?yáng)|京大學(xué)T|akeshi Morita利用水熱法在金屬體表面沉積壓電薄膜的方法研制出種高性能的微型超聲電機(jī)。其壓電振子采用PzT薄膜制成，并在薄膜的外表面覆蓋的四個(gè)電極，結(jié)構(gòu)如圖2相差90。的交變電壓，中間接地。利用PzT的d3I效應(yīng)，相對(duì)的兩部分陶瓷共同激發(fā)出金屬柱體的一個(gè)方向的彎振。兩個(gè)相位和空間上都相差90。的彎振的合成
使定子形成搖頭運(yùn)動(dòng)，定予端面的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。電機(jī)定子直徑2 4 mln，長(zhǎng)10mm，在電壓峰一峰值為15 v下的****轉(zhuǎn)速為880 r／nlln，
力矩達(dá)7 H N·m。2000年nkeshi Morita對(duì)這種電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步微型化，采用相同的工藝制造出直徑1 4 。mm，長(zhǎng)5 mm當(dāng)施加20V。。和5 3mN預(yù)壓力的實(shí)驗(yàn)條
件下，輸出力矩為0 67 uN·m的微型電機(jī)。
陶瓷塊體結(jié)構(gòu)的超聲波微小型電機(jī)是這幾種類型中輸出院下人工智能實(shí)驗(yàn)室研制的贏徑8mm、長(zhǎng)3mm的行波電機(jī)，工業(yè)公司推出的直徑11mm、長(zhǎng)2㈣、并將壓電陶瓷縱向振機(jī)，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70rnN·m。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)周鐵英教授在微型超聲波電機(jī)的研究方面處于****地位。2001年其課題組成功研制出直徑為1mm、長(zhǎng)5mm的微型超聲波電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示�！啊痹趬弘娞沾芍捻敳空辰Y(jié)定子I蝎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整個(gè)電機(jī)加工工藝_人大簡(jiǎn)化。工作時(shí)，陶瓷柱一端固支，激發(fā)出壓電陶瓷柱相互垂直的兩個(gè)固一階彎曲振動(dòng)，形成定子的搖頭運(yùn)動(dòng)。通過(guò)預(yù)壓力的作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。該電機(jī)壓電柱的均勻極化對(duì)工藝提出了較高的要求，同時(shí)壓
 圖3 1mm電機(jī)結(jié)構(gòu)
電陶瓷柱因?yàn)闄C(jī)械諧振而發(fā)熱的問(wèn)題，在一定程度上也會(huì)影Ⅱ自電機(jī)的性能。
2微小型超聲波電機(jī)的制造工藝
2 1壓電材料的制造
一般來(lái)說(shuō)，壓電材料就是陶瓷。作為壓電陶瓷的原材料，在晶體結(jié)構(gòu)上一定是不具有對(duì)稱中心的晶體，如氧化鉛、氧化鋯等。將這些原材料在高溫下致密燒結(jié)，制成陶瓷，并將制好的陶瓷
在直流高壓電場(chǎng)F進(jìn)行極化處理，才能成為壓電陶瓷。超聲波電機(jī)使用的是鋯鈦酸鉛，該材料具有高機(jī)電耦合系數(shù)和高穩(wěn)定性等各種特性，在使用溫度范圍沒(méi)有相變點(diǎn)，溫度特性相當(dāng)穩(wěn)定，有
較高的居里點(diǎn)。陶瓷性能的好壞與制造工藝密切相關(guān)。所采用的原材料是預(yù)燒過(guò)的粉末，因此陶瓷的制造工序主要有研磨、壓粉、排膠、燒結(jié)、被電極、極化等。其中最重要的工藝是燒結(jié)致密化和人工極化這兩個(gè)關(guān)鍵工序。大于l一2mm的陶瓷可以采用傳統(tǒng)的磨削技術(shù)加工，而在lnlm以下的陶瓷就必須采用EI』1D工藝。它的磨削力較小。YAG激光切削加工工藝特別是先進(jìn)的壓電陶瓷的加工工藝的開發(fā)極大地促進(jìn)了微小型電機(jī)的發(fā)展。激光切割、IC工藝、壓電薄膜的沉積方法、壓電陶瓷的極化工藝和璉電管、柱的加工等都是推動(dòng)微型超聲電機(jī)不斷發(fā)展的重要因素。
2 2零件工藝的要求
超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷在定子中激發(fā)超聲波動(dòng)，使定子產(chǎn)生柔性振動(dòng)的一類非電磁電機(jī)，其振幅一般在微米級(jí)，加工定子幾何尺寸的準(zhǔn)確性是電機(jī)性能的保證。因此要求保證匹配塊
所開槽的位置精度和深度，匹配塊與壓電陶瓷配合面的平整性以及零件配合面的精度要求。另外各零件加工處理后，需要按照所選材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蜁r(shí)效處理，以消除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，使定子振動(dòng)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定。
為了能夠使定子振動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，需要對(duì)定轉(zhuǎn)子接觸表面提出較高的要求。定轉(zhuǎn)子接觸表面的平面度、粗糙度關(guān)系到噪聲、能量轉(zhuǎn)化效率、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性等性能。定轉(zhuǎn)子必須
盡量保持面面接觸，使預(yù)壓力在整個(gè)接觸面上均勻分布。接觸面的表面粗糙度及平整度要求是必不可少的，所以要對(duì)定轉(zhuǎn)子接觸面進(jìn)行研磨和拋光。同時(shí)對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行性能檢驗(yàn)，觀察壓電陶瓷表面，去除有裂紋的陶瓷片，然后使用曲s測(cè)試儀測(cè)量壓電陶瓷的壓電系數(shù)，要求其坊3大于
400p(m_哆
2 3粘結(jié)層的要求
定子彈性體與壓電陶瓷之間是粘結(jié)在一起的。實(shí)驗(yàn)證明定子的振動(dòng)模態(tài)頻率隨粘結(jié)層厚度增加而略有增加。因?yàn)槌暡姍C(jī)定子在粘結(jié)之前，定子彈性體和壓電陶瓷均需經(jīng)過(guò)打磨處理，使
得粘結(jié)表面具有一定的粗糙度，因此定子彈性體和壓電陶瓷之間的粘結(jié)層厚度并非均勻，由此可知二者之間在部分位置是導(dǎo)通的。激勵(lì)電壓實(shí)際是加在這兩部分j二，但是粘結(jié)層上的壓降小，
可以忽略粘結(jié)層介電性對(duì)定子振動(dòng)特性的影響。粘結(jié)層密度增加時(shí)，定子模態(tài)頻率略有下降。選用較高彈性模量的粘結(jié)劑，有利于增加電機(jī)定子的軸向和切向振動(dòng)位移幅值，從而增加電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦驅(qū)動(dòng)力和切向相對(duì)速度，提高電機(jī)的輸出力矩和效率�！啊蓖ㄟ^(guò)表面處理、烘干、粘結(jié)、加壓固化等工藝過(guò)程，提高粘結(jié)層抗剪切和抗剝離強(qiáng)度，采用較薄的粘結(jié)層厚度(一般控制在壓電陶瓷片厚度的1左右)可以提高壓電陶瓷與定子彈性體之間的粘結(jié)效果。
2 4不同直徑電機(jī)的阻抗特性比較
超聲波電機(jī)定子的電導(dǎo)納特性能夠綜合反應(yīng)定子的性能指標(biāo)，而且通過(guò)其阻抗特性的掃描，能夠估計(jì)定子等效電路的元件值，從而對(duì)電機(jī)的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。實(shí)驗(yàn)中采用HP 3522阻抗特性測(cè)量?jī)x、GPIBJ、f墓訊卡和基于L曲vleW的測(cè)試平臺(tái)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行掃頻測(cè)試。并通過(guò)對(duì)超聲波電機(jī)定子的A、B兩相的輸入阻抗曲線的對(duì)比，分析制造工藝對(duì)601nm行波型超聲波電機(jī)和15rnm柱體搖頭型超聲波電機(jī)2種不同尺寸電機(jī)的精度的影響。
首先對(duì)直徑60nun行波型電機(jī)定子進(jìn)行測(cè)量，激勵(lì)電壓有效值為5v，頻率在30～501d{z之間，測(cè)量點(diǎn)為200個(gè)。得到特性曲線如圖4、圖5所示�？芍�，工作模態(tài)B(O，9)的A相諧振頻率為39 7kHz，B相諧振頻率也為39 7kHz，兩相的諧振點(diǎn)重合。
四
圖4 60nnm電機(jī)A相阻抗特性 圖5 60mm電機(jī)B相阻抗特性
接著對(duì)直徑15nlin柱體搖頭型電機(jī)定子進(jìn)行測(cè)量，電機(jī)裝配圖及實(shí)物照片如圖6所示。激勵(lì)電壓有效值為5V，頻率在45～48kHz之間，測(cè)量點(diǎn)為100個(gè)，得到特性曲線如圖7(a)(b)所
示。可知，丁作模態(tài)的A相諧振頻率為45 95kHz，B相諧振頻率為46．22kHz，兩相的諧振頻率相差270Hz。當(dāng)如圖6所示，下匹配塊帶“耳朵”時(shí)，在同樣的測(cè)量條件下，得到如圖7(c)(d)所示的特性曲線。A相諧振頻率為45 59kHz，B相諧振頻率為46．28kHz，兩相的諧振頻率相差690Hz。當(dāng)“耳朵”固支時(shí)，特性曲線如圖7(e)(f)所示。頻率略有升高，A相諧振頻率為46 04kHz，B相諧振頻率為46 37kHz，兩相的諧振頻率相差330Hz。
加上轉(zhuǎn)子后，測(cè)量得到的15且抗特性曲線如圖7(g)(h)所示。A相諧振頻率為43 57kHz，B相諧振頻率為44 18kHz，兩相的諧振頻率相差61Hz。
圖715ram柱體電機(jī)自I自、帶“耳朵”、“耳朵”固支和整機(jī)情況卜的阻抗特性
3結(jié)語(yǔ)
電機(jī)兩相的諧振點(diǎn)不重合有多種原岡，比如1、電機(jī)實(shí)際使用的壓電陶瓷材料的不均勻性。這與壓電陶瓷燒結(jié)前，材料混合的均勻性、電極極化電壓的強(qiáng)弱等因素有關(guān)；2、電機(jī)零件加工
中存在誤差；3、電機(jī)的粘結(jié)層的厚度、彈性模量、抗剪切和抗剝離強(qiáng)度的影響；4、通過(guò)阻抗特性的對(duì)比，可以看出當(dāng)電機(jī)尺寸越小，加工工豈、邊界條件、裝配安裝使用等制造工藝對(duì)其精度的影響越大。
微小型超聲波電機(jī)由于能量密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、低速大力矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、無(wú)電磁干擾、可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)，在民用驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、精密儀器以及
航空航天領(lǐng)域有著重大前景。電機(jī)制造工藝，特別是壓電材料加工工藝的發(fā)展，將成為微小型超聲波電機(jī)發(fā)展的極大推動(dòng)力。下一階段微小型超聲波電機(jī)的研究不再滿足于電機(jī)能運(yùn)動(dòng)，而是在現(xiàn)有電機(jī)設(shè)計(jì)及加工工藝基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電機(jī)的力矩、效率和穩(wěn)定性以滿足工程應(yīng)用的實(shí)際需要【1,1 5-i6]。
參考文獻(xiàn)
|
