一种薄型模态转换型微超声波电机

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1、一种薄型模态转换型微超声波电机曲建俊，王志峰(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：设计了一种新型的超溥型微超声波电机，该微电机定子是一个带有4个斜齿的扁圆环，在交流电压的激励F圆环做驻波振动，4个斜齿将径向振动转换成转子的旋转运动，属于模态转换型。此种电机定子厚度小，适合采用传统的线切割加工，加工要求低。加工出来的定子尺寸仅6．5romaN6mm，厚Imm。电机的工作频率为50．5kHz，在激励电压为300Vpp时，空载转速为320r／min，堵转力矩为5．5uNm。关键词：超卢波电机；薄型；模态转换0引言随着MEMS技术发展，毫米尺度的超声微电机以其高能量／

2、体积比密度，输出低速大力矩，不需减速机构以及结构简单等特点逐渐成为该领域的研究热点。从结构和工艺方法上，这种超声旋转微电机分类如图l所示。超声旋转微电机{棒形弯曲摇头微电机{棒形弯曲摇头行波微电机压电管微电机压电柱微电机弯曲摇头旋转微电机厂基于IC工艺的微电机薄圆盘式微电机．{皇掌曩嘉嚣呈銎艺的微电机L基于传统加工方法的微电机图I超声旋转微电机分类棒形弯曲摇头行波微电机研究较多，结构相对比较简单，它们的传动原理是定转子之间有切点接触，其接触点在定子的外圆周边上移动，定转子间的摩擦力使转子沿着与接触点移动方向相反的方向转动。国外在该方向的研究起步较早，并且已经取得了显著的成

3、果。1999年TakeshiMorita利用水热法在钛管表面沉积压电薄膜研制出直径2．4mm，长度10mm的微型电机⋯，2000年又制造出直径1．4mm，长度5mm的相同结构的超声波电动机。2002年宾州大学BurhanettinKoc研制出直径2．4mm，长10mm的微型电机【2j。国内2001年清华大学周铁英教授研制出直径lmm，长5mrn的压电柱超声波电动机uJ。因为定子结构简单，该电动机成为当时最细微的超声波电动机，并已成功应用于医学内窥镜领域的研究。哈工大也于2004年研制出定子直径lmm微超声电机【4】，其工作频率24kHz，在激励电压峰一峰值为110V时，其

4、最大堵转力矩为11州m，空载转速为2200r／min。．．232．．相比之下薄型微超声波电机厚度小，可以直接应用于超薄产品中，而不需要换向器，如手机、贺卡等。基于IC工艺制造的薄型微超声波电机尺寸小，可以把电机与驱动控制电路很好的集成起来，但工艺过程较复杂。1992年麻省理工学院AnitaMIFlynn等在212mmx212mm的氮化硅薄膜上沉积20nm厚的Ti层，然后沉积460rim的Pt层做为底层电极，再用溶胶2凝胶法沉淀PZT薄膜并覆盖金膜作为顶层电极，制作出微型行波超声电机，定子的外径为2iTlrn，内径为1．2mm，电机的转速范围为100～300r／rain【)

5、J。利用驻波的薄型超声微电机多为模态转换型。1999年M．Suzuki设计了一种利用悬臂梁结构驱动的微型超声电机【6J。该电机直径为2mrn，高0．3I／llTI，体积0．49ram3。在驱动电压(峰．峰值)为18V时力矩达3．29N·m。Chang．BunYoon等人2007年采用热塑性绿色加工方法发明了一种微型化的风车型超声电机17J。该电机定子是一个风车型的压电陶瓷盘，在厚度方向上施加交变电压，盘心的刀口将径向运动转换成切向运动，导致转子旋转。该电机在驱动电压(峰．峰值)为60V下的最大转速大于3000rpm。从以上可以看出棒形弯曲摇头行波微电机研究的较多，取得了一

6、些成果，出现了一些成功应用的案例。薄型微超声波电机因其结构特点也渐渐引起国内外学者的重视，但大多是基于先进加工工艺，这给微超声波电机的推广带来了不利的影响。本文提出了一种新型结构的薄型微超声波电机，电机定子是一个带有4个斜齿的扁圆环，电机工作时圆环做驻波振动，4个斜齿将径向振动转换成转子的旋转运动，属于模态转换型。该电机结构简单，易于微型化，基于传统的线切割加工工艺，加工成本低。本文用有限元分析了定子的振动模态，制作了一台样机，并测试了其堵转和空载特性。1电机运动机理本文所提出的电机的运动机理如图2所示，薄圆环在一定频率下会表现出伸缩振动模态(图2．a)。薄圆环做驻波式振

7、动，有4各节点，两节点中点(波腹)处的振动最强烈，应变振幅也最大。在靠近环波腹处安放一个齿(图2．b)。环内产生驻波振动后，齿顶点做斜弧形运动，有一个切向运动分量，正是这一分量驱动与定子同心的圆柱形转子旋转。，，+、、，，+，、、／＼／＼／、+一a)定子振型示意图＼』上一／b)定子的模态转换图2电机的运动机理图解根据以上原理而设计的薄型微超声波电机的运动过程如下：①一②：横向两齿收缩，纵向两齿伸长。横向两齿尖对转子的周向分力和摩擦力作为驱动力推动转子旋转；．．233．．②一③：4齿恢复。此时纵向两齿还没有复位，横向的两齿尖对转