| 一種薄型模態(tài)轉(zhuǎn)換型微超聲波電機(jī)
摘要：設(shè)計(jì)了一種新型的超薄型微超聲波電機(jī)，該微電機(jī)定子是一個(gè)帶有4個(gè)剁齒的扁網(wǎng)環(huán)，在交流電壓的激勵(lì)F同環(huán)做駐波振動(dòng)，4個(gè)斜肯將徑同振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，屬于模態(tài)轉(zhuǎn)換型。此種電機(jī)定了厚度小，適合采用傳統(tǒng)的線切割加工，加工要求低。加工出來(lái)的定子尺寸僅6 5mm×6mm，厚1mm。電機(jī)的T作頻率為50 5kHz，在激勵(lì)電壓為300vpp時(shí)，空載轉(zhuǎn)速為320rmin，堵轉(zhuǎn)力矩為5 5uNm。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；薄型；模態(tài)轉(zhuǎn)換
0引言
隨著MEMs技術(shù)發(fā)展，毫米jt度的超聲微電機(jī)以其高能量／體積比密度，輸出低速大力矩，不需減速機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)和lⅢl_藝方法上，這種超聲旋轉(zhuǎn)微電機(jī)分類如圖l所示。
超盧旋轉(zhuǎn)微電機(jī)、棒形彎曲搖頭微電機(jī)<棒形彎曲搖頭行波微電機(jī)壓電管微電機(jī)壓電柱微電機(jī)彎曲搖頭旋轉(zhuǎn)微電 r基于Ic工芝的微電機(jī)薄膩。盤式微電機(jī)1蘭莩囂翥蒜蘭掣芝的微電“tL基于傳統(tǒng)加工方法的微電機(jī)
圖1超聲旋轉(zhuǎn)微電機(jī)分類
棒形彎曲搖頭行波微電機(jī)研究較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)葷，它們的傳動(dòng)原理是定轉(zhuǎn)子之間有切點(diǎn)接觸，其接觸點(diǎn)在定子的外圓周邊t移動(dòng)，定轉(zhuǎn)子間的摩擦力使轉(zhuǎn)予沿著與接觸點(diǎn)移動(dòng)方向相
反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
國(guó)外存該方向的研究起步較早，并且已經(jīng)取得了顯著的成果。1999年TakeshiMorita利用水熱法存鈦管表面沉積壓電薄膜研制出直徑2 4mm，長(zhǎng)度10n1In的微型電機(jī)‘”，2【J(J0年義制造出直徑1 4mm，長(zhǎng)度5mm的相同結(jié)構(gòu)的超聲波電動(dòng)機(jī)。2()(]2年賓州大學(xué)Burhanettin Koc研制出直徑2 4mm，長(zhǎng)lOmm的微型電機(jī)“’。國(guó)內(nèi)2()(J1年清華大學(xué)崗鐵英教授研制出直徑1mm，長(zhǎng)5mm的壓電柱超聲波電動(dòng)機(jī)0 J。因?yàn)槎ㄗ咏Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該電動(dòng)機(jī)成為當(dāng)時(shí)最細(xì)微的超聲波電動(dòng)機(jī)，并已成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡領(lǐng)域的研究。哈丁：人也于2∞4年研制出定予直徑lmm微超聲電機(jī)，其工作頻率24kHz，在激勵(lì)電壓峰一峰值為110v時(shí)，其****堵轉(zhuǎn)力矩為llum，空載轉(zhuǎn)速為2200r，min.
相比之下薄型微超聲波電機(jī)厚度小，可以直接應(yīng)用于超薄產(chǎn)品中，而不需要換向器，如手機(jī)、賀卡等。基于Ic工藝制造的薄型微超聲波電機(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。1992年麻省理工學(xué)[~X Arlita M1 Flynn等在：H2mmx212~lm的氮化硅\薄膜[一沉積20nm~J Ti層，然后沉移{460nm的Pt層做為底層電極，再用溶膠2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電機(jī)，定子的外徑為2 mm，內(nèi)徑為1 2 mm，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1(】(】～3[)(】Ⅳminp』。
利用駐波的薄型超聲微電機(jī)多為模態(tài)轉(zhuǎn)換型。1999年M Suzuki、2計(jì)了一種利用懸臂梁結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的微型超聲電機(jī)_6 J。該電機(jī)直徑為2mm,~、，0．3 mm，體積O 49nm’。在驅(qū)動(dòng)電壓(峰一峰值)為18v時(shí)力矩達(dá)3 2uN．in o(：hang_Bun Yoon等人2007~用熱塑性綠色加ljⅢ方法發(fā)明了一種微型化的風(fēng)車型超聲電機(jī)【”。該電機(jī)定子是一個(gè)風(fēng)車型的壓電陶瓷盤，在厚度方向t施加交變電J土，盤心的刀口將徑向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成切向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)r旋轉(zhuǎn)。該電機(jī)在驅(qū)動(dòng)電壓(峰一峰值)為60V F的
最人轉(zhuǎn)速~3000mm。
從以上可以看出棒形彎曲搖頭行波微電機(jī)研究的較多，取得了一些成果，出現(xiàn)了一些成功應(yīng)用的桑例。薄型微超聲波電機(jī)因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也漸漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，但人多是基于先進(jìn)加
工|_L藝，這給微超聲波電機(jī)的推廣帶來(lái)了不利的影響。
本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的薄型微超聲波電機(jī)，電機(jī)定子是一個(gè)帶有4個(gè)斜齒的扁吲環(huán)，電機(jī)工作時(shí)圓環(huán)做駐波振動(dòng)，4個(gè)斜齒將徑向振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，屬于模態(tài)轉(zhuǎn)換型。該電
機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化，基于傳統(tǒng)的線切割加T工藝，加工成本低。本文用有限兀分析了定子的振動(dòng)模態(tài)，制作了‘臺(tái)樣機(jī)，并測(cè)試了其堵轉(zhuǎn)和空載特性。
1電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)理
本文所提出的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理如圖2所示，薄圓環(huán)在定頻率r會(huì)表現(xiàn)出伸縮振動(dòng)模態(tài)(圖2 a)。薄圓環(huán)做駐波式振動(dòng)，有4各節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)巾點(diǎn)(波腹)處的振動(dòng)最強(qiáng)烈，應(yīng)變振幅也最大。在靠近環(huán)波腹處安放一個(gè)齒(圖2_b)。環(huán)內(nèi)產(chǎn)生駐波振動(dòng)后，齒頂點(diǎn)做剁弧形運(yùn)動(dòng)，有一個(gè)切向運(yùn)動(dòng)分量，正是這‘分量驅(qū)動(dòng)與定子同心的圓柱形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)以上原理而設(shè)計(jì)的薄型微超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：
①一②：橫向兩齒收縮，縱向兩齒伸長(zhǎng)。橫向兩齒尖對(duì)轉(zhuǎn)子的周向分力和摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)： ②一③：4齒恢復(fù)。此時(shí)縱向兩齒還沒(méi)有復(fù)位，橫向的兩齒尖對(duì)轉(zhuǎn)子的摩擦力會(huì)使轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，摩擦力越小，反向旋轉(zhuǎn)越少；③一④：橫向兩齒伸長(zhǎng)，縱向兩齒收縮。縱向兩齒尖列轉(zhuǎn)子的周向分力和摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；④一⑤：4齒恢復(fù)。此時(shí)橫向兩齒還沒(méi)有復(fù)位，縱向的兩齒尖對(duì)轉(zhuǎn)了的摩擦力會(huì)使轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，摩擦力越小，反向旋轉(zhuǎn)越少：
從一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分解中可以看出該電機(jī)具有以下特點(diǎn)：定子內(nèi)產(chǎn)生的是駐波：利庠模態(tài)轉(zhuǎn)換法來(lái)獲得工作模態(tài)；疋子復(fù)位時(shí)摩擦力會(huì)使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)一個(gè)小角度；定子環(huán)上均布4個(gè)節(jié)
點(diǎn)，便于固定疋子；電機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)。
2電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2 1定子設(shè)計(jì)
定子結(jié)構(gòu)如圖2．a)所示，為了粘貼壓電陶瓷，圓環(huán)設(shè)計(jì)成八棱柱形狀，并加K圓環(huán)帶粘貼\壓電陶瓷的面，粘貼陶瓷的邊會(huì)相應(yīng)變薄，剛度減小，有利于減小諧振頻率。為固定定予尉環(huán)，
在環(huán)非粘貼面上的節(jié)點(diǎn)處伸出了4個(gè)耳狀的同定齒(不改變約束條件，幾乎不影響振動(dòng)模態(tài))，圊定齒端部突起，便于裝配時(shí)將固定街的端部固定在電機(jī)殼中。
a)定予結(jié)構(gòu) b)定子關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)
定子材料選擇彈性較好的不銹鋼，其密度，9=7 8×10。k∥m。，彈性模量為E=206Gpa，泊松比v=O 3，使用ANsYs軟件對(duì)最終定了結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模分析。兇為定了的固定齒要被固定存電機(jī)殼中，分析時(shí)應(yīng)對(duì)固定齒的目由度進(jìn)行限制。定子環(huán)的模型和約束方式如罔5 a)，模態(tài)分析的結(jié)果如圖5 b)所示。模態(tài)分析所得出該階吲有頻率為49981Hz，較為理想.
2 2整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3一19所示。整體結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)寬厚度分別為10 4mm×lO．411]n1×9 15nlm，除去轉(zhuǎn)子高度(轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度是根據(jù)需要而定的)，電機(jī)儀厚4mm。定子固定在電機(jī)殼上的凹槽里，用上端蓋壓緊。預(yù)緊力采用F端蓋的彈性提供，預(yù)緊力的傳遞路徑為：殼體一卜端蓋一轉(zhuǎn)子一定子一上端蓋一螺鑰一殼體。町以通過(guò)調(diào)整下端蓋懸臂梁的彎曲程度或在下端蓋和殼體間添加墊片來(lái)調(diào)整預(yù)緊力大小。
3電機(jī)組裝與測(cè)試
3 1電機(jī)組裝
電機(jī)的裝配過(guò)程為：自上而下壓裝定子一從機(jī)殼下端捅入轉(zhuǎn)子一安放墊片一裝下端蓋一調(diào)整.
3 2電機(jī)卒載特性
電機(jī)轉(zhuǎn)速特性測(cè)試裝置如圖8 a)所示，在電機(jī)軸上粘兩片反光片，用反射式非接觸式轉(zhuǎn)速表測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣分別淵節(jié)波形發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率^相位差目、峰峰值p力就口j以灝
出電機(jī)在不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速特性曲線：∞t∞日、∞一Vpp
3．2．1轉(zhuǎn)速隨激勵(lì)頻率的變化
圖9．a(chǎn))是在相位差p=180。時(shí)，分別測(cè)得的在激勵(lì)電壓Vpp-160V、200V、250V=種情況F，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速隨激勵(lì)電壓Vpp的變化曲線。-N 9 b)是在激勵(lì)電壓Vpp-200V時(shí)，分別測(cè)得的在相位差P。60。、120。、180。V=種。Ifft~T，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速隨激勵(lì)電壓Vpp的變化曲線。
可以看出，該電機(jī)轉(zhuǎn)速在f0 50．5kHz時(shí)****轉(zhuǎn)速特性對(duì)稱于諧振頻率f0-50．5kHz。不同電三或頻率下空載轉(zhuǎn)速變化的大體趨勢(shì)相近，這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果具有較好的重復(fù)性。
：2．2轉(zhuǎn)速隨相位差的變化
圖10是在頻率，／：-50．5kHz、激勵(lì)電壓場(chǎng)p=2[)(Jv時(shí)，測(cè)得的電機(jī)空載轉(zhuǎn)速隨相位差p的變化身線。可以看出，由于該電機(jī)是駐波型電機(jī)，改變相位差時(shí)，電機(jī)不會(huì)反轉(zhuǎn)。電機(jī)在相位差180度。
3 23轉(zhuǎn)速隨電壓的變化
圖11是在頻率~50．5kHz、相位差p=180。時(shí)，測(cè)得的電機(jī)空載轉(zhuǎn)速隨激勵(lì)電壓∥印的變化
抽線。可以看出該電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著激勵(lì)電壓Vpp的增人而增大，線性度較好。
：3．3電機(jī)堵轉(zhuǎn)特性
電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩測(cè)試裝置如圖8．b)所不，是利用電子天枰測(cè)量電機(jī)軸上的懸臂鐵絲端部的壓力F來(lái)計(jì)算電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩。測(cè)試方法是：用游標(biāo)卡尺測(cè)量鐵絲長(zhǎng)度L，把電機(jī)放在天枰附近熱
好，把鐵絲把放到天枰托盤上，天枰清零，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，記F天枰穩(wěn)定時(shí)的讀數(shù)m，則堵轉(zhuǎn)力矩可以用A，=Ⅲ21來(lái)計(jì)算。 圖12是在頻率．／：-50．5kHz，、相位差p=180。時(shí)，測(cè)得電機(jī)激勵(lì)電壓場(chǎng)p在150V,200V,250~r、3(1(1v各點(diǎn)的堵轉(zhuǎn)力矩。可以看山該電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩隨著激勵(lì)電壓f仍p的增大而增大，線性度較好。
4結(jié)論
設(shè)訓(xùn)了一種新基于模態(tài)轉(zhuǎn)換的駐波型超薄微電機(jī)，定子厚度tE lmm,X~日裝完成的電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，得到了電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和堵轉(zhuǎn)力矩。該電機(jī)諧振頻率為50 5kHz，轉(zhuǎn)速在相位差為180c
時(shí)****，在激勵(lì)電壓Vpp=300V時(shí)，空載轉(zhuǎn)速為320r／rain，堵轉(zhuǎn)力矩為5．5uNto。
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