摘要：设计了一种新型的超薄型微超声波电机，该微电机定子是一个带有4个剁齿的扁网环，在交流电压的激励F同环做驻波振动，4个斜肯将径同振动转换成转子的旋转运动，属于模态转换型。此种电机定了厚度小，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 5mm×6mm，厚1mm。电机的T作频率为50 5kHz，在激励电压为300vpp时，空载转速为320rmin，堵转力矩为5 5uNm。

    关键词：超声波电机；薄型；模态转换

0引言

    随着MEMs技术发展，毫米jt度的超声微电机以其高能量／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lⅢl_艺方法上，这种超声旋转微电机分类如图l所示。

超卢旋转微电机、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 r基于Ic工芝的微电机薄腻。盘式微电机1兰莩嚣翥蒜兰掣芝的微电“tL基于传统加工方法的微电机

图1超声旋转微电机分类

    棒形弯曲摇头行波微电机研究较多，结构相对比较简荤，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t移动，定转子间的摩擦力使转予沿着与接触点移动方向相

反的方向转动。

    国外存该方向的研究起步较早，并且已经取得了显著的成果。1999年TakeshiMorita利用水热法存钛管表面沉积压电薄膜研制出直径2 4mm，长度10n1In的微型电机‘”，2【J(J0年义制造出直径1 4mm，长度5mm的相同结构的超声波电动机。2()(]2年宾州大学Burhanettin Koc研制出直径2 4mm，长lOmm的微型电机“’。国内2()(J1年清华大学岗铁英教授研制出直径1mm，长5mm的压电柱超声波电动机0 J。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。哈丁：人也于2∞4年研制出定予直径lmm微超声电机，其工作频率24kHz，在激励电压峰一峰值为110v时，其****堵转力矩为llum，空载转速为2200r，min.

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[~X Arlita M1 Flynn等在：H2mmx212~lm的氮化硅\薄膜[一沉积20nm~J Ti层，然后沉移{460nm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2 mm，内径为1 2 mm，电机的转速范围为1(】(】～3[)(】Ⅳminp』。

    利用驻波的薄型超声微电机多为模态转换型。1999年M Suzuki、2计了一种利用悬臂梁结构驱动的微型超声电机_6 J。该电机直径为2mm,~、，0．3 mm，体积O 49nm’。在驱动电压(峰一峰值)为18v时力矩达3 2uN．in o(：hang_Bun Yoon等人2007~用热塑性绿色加ljⅢ方法发明了一种微型化的风车型超声电机【”。该电机定子是一个风车型的压电陶瓷盘，在厚度方向t施加交变电J土，盘心的刀口将径向运动转换成切向运动，导致转r旋转。该电机在驱动电压(峰一峰值)为60V F的

最人转速~3000mm。

    从以上可以看出棒形弯曲摇头行波微电机研究的较多，取得了一些成果，出现了一些成功应用的桑例。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，但人多是基于先进加

工|_L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个斜齿的扁吲环，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T工艺，加工成本低。本文用有限兀分析了定子的振动模态，制作了‘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，薄圆环在定频率r会表现出伸缩振动模态(图2 a)。薄圆环做驻波式振动，有4各节点，两节点巾点(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，齿顶点做剁弧形运动，有一个切向运动分量，正是这‘分量驱动与定子同心的圆柱形转子旋转。

    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： ②一③：4齿恢复。此时纵向两齿还没有复位，横向的两齿尖对转子的摩擦力会使转子反向旋转，摩擦力越小，反向旋转越少；③一④：横向两齿伸长，纵向两齿收缩。纵向两齿尖列转子的周向分力和摩擦力作为驱动力推动转子旋转；④一⑤：4齿恢复。此时横向两齿还没有复位，纵向的两齿尖对转了的摩擦力会使转子反向旋转，摩擦力越小，反向旋转越少：

    从一个周期内的运动过程分解中可以看出该电机具有以下特点：定子内产生的是驻波：利庠模态转换法来获得工作模态；疋子复位时摩擦力会使转子反转一个小角度；定子环上均布4个节

点，便于固定疋子；电机只能单向旋转。

2电机结构设计

2 1定子设计

    定子结构如图2．a)所示，为了粘贴压电陶瓷，圆环设计成八棱柱形状，并加K圆环带粘贴\压电陶瓷的面，粘贴陶瓷的边会相应变薄，刚度减小，有利于减小谐振频率。为固定定予尉环，

在环非粘贴面上的节点处伸出了4个耳状的同定齿(不改变约束条件，几乎不影响振动模态)，圊定齿端部突起，便于装配时将固定街的端部固定在电机壳中。

                                                                                           a)定予结构    b)定子关键参数设计

      定子材料选择弹性较好的不锈钢，其密度，9=7 8×10。k∥m。，弹性模量为E=206Gpa，泊松比v=O 3，使用ANsYs软件对最终定了结构进行了建模分析。凶为定了的固定齿要被固定存电机壳中，分析时应对固定齿的目由度进行限制。定子环的模型和约束方式如罔5 a)，模态分析的结果如图5 b)所示。模态分析所得出该阶吲有频率为49981Hz，较为理想.

2 2整机结构设计

    电机整体结构设计如图3一19所示。整体结构尺寸为长宽厚度分别为10 4mm×lO．411]n1×9 15nlm，除去转子高度(转子长度是根据需要而定的)，电机仪厚4mm。定子固定在电机壳上的凹槽里，用上端盖压紧。预紧力采用F端盖的弹性提供，预紧力的传递路径为：壳体一卜端盖一转子一定子一上端盖一螺钥一壳体。町以通过调整下端盖悬臂梁的弯曲程度或在下端盖和壳体间添加垫片来调整预紧力大小。

3电机组装与测试

3 1电机组装

    电机的装配过程为：自上而下压装定子一从机壳下端捅入转子一安放垫片一装下端盖一调整.

3 2电机卒载特性
    电机转速特性测试装置如图8 a)所示，在电机轴上粘两片反光片，用反射式非接触式转速表测量电机转速。这样分别渊节波形发生器输出信号的频率^相位差目、峰峰值p力就口j以灏
出电机在不同状态下的转速特性曲线：∞t∞日、∞一Vpp

 3．2．1转速随激励频率的变化
    图9．a)是在相位差p=180。时，分别测得的在激励电压Vpp-160V、200V、250V=种情况F，电机的空载转速随激励电压Vpp的变化曲线。-N 9 b)是在激励电压Vpp-200V时，分别测得的在相位差P。60。、120。、180。V=种。Ifft~T，电机的空载转速随激励电压Vpp的变化曲线。

      可以看出，该电机转速在f0 50．5kHz时****转速特性对称于谐振频率f0-50．5kHz。不同电三或频率下空载转速变化的大体趋势相近，这说明实验所得到的结果具有较好的重复性。
：2．2转速随相位差的变化
    图10是在频率，／：-50．5kHz、激励电压场p=2[)(Jv时，测得的电机空载转速随相位差p的变化身线。可以看出，由于该电机是驻波型电机，改变相位差时，电机不会反转。电机在相位差180度。

3 23转速随电压的变化
    图11是在频率~50．5kHz、相位差p=180。时，测得的电机空载转速随激励电压∥印的变化
抽线。可以看出该电机转速随着激励电压Vpp的增人而增大，线性度较好。
：3．3电机堵转特性
    电机堵转力矩测试装置如图8．b)所不，是利用电子天枰测量电机轴上的悬臂铁丝端部的压力F来计算电机的堵转力矩。测试方法是：用游标卡尺测量铁丝长度L，把电机放在天枰附近热
好，把铁丝把放到天枰托盘上，天枰清零，打开电源开关，记F天枰稳定时的读数m，则堵转力矩可以用A，=Ⅲ21来计算。    图12是在频率．／：-50．5kHz，、相位差p=180。时，测得电机激励电压场p在150V,200V,250~r、3(1(1v各点的堵转力矩。可以看山该电机堵转力矩随着激励电压f仍p的增大而增大，线性度较好。
   
4结论
    设训了一种新基于模态转换的驻波型超薄微电机，定子厚度tE lmm,X~日装完成的电机进行了测试，得到了电机的转速特性和堵转力矩。该电机谐振频率为50 5kHz，转速在相位差为180c
时****，在激励电压Vpp=300V时，空载转速为320r／rain，堵转力矩为5．5uNto。