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縱彎式壓電微電機研究*

注意:本論文已在《中國機械工程》雜志(2001,12(6):704-706)發表
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邵培革      王立鼎

(大連理工大學機械系,大連,116024)

摘要 分析了縱彎式壓電微電機的驅動機理,提出了電機驅動臂的設計方法。研制了直徑為5mm的縱彎式壓電微電機并進行了實驗研究。

關鍵詞 縱彎式; 壓電微電機; 驅動機理設計規則

Research on Micro Piezoelectric Motor Driven by Longitudinal- Transverse Vibration Cantilevers

Shao Peige  Wang Liding

(Dalian Uni. of Technology Mechanical Engineering, Dalian, China, 116024)

 Abstract: The driving mechanism of a micro motor is analyzed and the design method of driving is presented. A f5mm of piezoelectric micro motor driven by longitudinal-transverse vibration cantilevers is developed and experimental researches are carried out on it.
Key Words:
longitudinal- transverse vibration piezoelectric motor, Driving Mechanism, Design role

 

微電機是自主運動的微系統核心元件 ,是微機械研究的重要內容之一。目前 ,微電機研究一方面是優化現有微電機的結構 ,以提高輸出特性 ,另一方面是探索新結構的微電機。微電機的研究已有 1 0余年的歷史 ,取得了較大的進展。按驅動形式劃分 ,微電機主要有電磁微電機、靜電微電機和壓電微電機 3種形式。其中 ,壓電微電機采用摩擦力為驅動力 ,尺寸效應的負面影響較小 ,可能成為有前途的微機械動力源。
    壓電微電機的研究起始于美國 ,1 992年 ,Flynn等 [1 ]研制出轉子直徑為 1 . 5mm的薄膜式壓電微電機模型 ,隨后 ,日本也在壓電微電機方面開展了一些工作。但壓電微電機的設計和制作要求十分苛刻 ,迄今仍處于試驗研究階段。
    國內在 2 0世紀 90年代初開始進行壓電微電機的研究工作 ,1 993年中國科學院長春光學精密機械研究所研制成功轉子直徑為 3 mm的行波壓電微電機模型[2 ],隨后 ,中國科學院上海冶金研究所研制成功薄型壓電微電機[3 ]。 1 993年以來 ,長春光機所又在行波壓電微電機驅動機理和縱彎式駐波壓電微電機等方面開展了研究工作。
    雖然 ,壓電微電機的研究取得了一定的進展 ,但是由于這種電機的機理較復雜 ,研究的歷史還很短 ,還有許多問題有待進一步研究。筆者對一種結構簡單 ,易于微型化的壓電微電機 --縱彎式駐波壓電微電機的驅動機理進行了分析。以此為基礎 ,設計制作了一臺 5mm的壓電微電機 ,并對其進行了實驗研究。

1 縱彎式壓電微電機的驅動機理

 

圖 1為縱彎式壓電微電機的結構和原理示意圖。縱彎式壓電微電機的基本原理為 ,壓電陶瓷在交變電場的作用下 ,發生縱向振動 ,驅動電機的導子和驅動臂沿電機軸向振動。驅動臂端與轉子間發生相互作用 ,轉子對振動臂端產生周期作用力 ,使驅動臂發生沿其自身軸向的縱向振動和垂直于其軸向的橫向彎曲振動。在一定條件下 ,這 2個分振動可在驅動臂的自由端形成沿橢圓軌跡的運動 ,并通過摩擦力驅動轉子轉動。(下文略)

參考文獻

 [1] A.M.Flynn,et al Piezoelectric Micromotor for microrobots, Ultrasonic Symposium, U.S.A,   1990,1163-1172

[2] 崔天宏,超聲微電機傳動機理研究,機械工程學報,1995,4,71-76

[3] ZHANG Jian,SHEN Dexin,WANG Weiyuan. Me-mbrane Micromotors Based on Piezoelectric Proper-ties of PVDF Polymer Films. MEMS-ASME,DSC,1 996,59:3 87~ 3 92

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收稿日期 :1999—02—11
*基金項目 :國家 863高技術研究發展計劃資助項目 (863-512-96-08);國家自然科學基金資助項目 (5987500 9);遼寧省博士啟動基金資助項目 (971050)

 作者簡介 :
邵培革 ,男 ,1 96 4年生。大連理工大學 (遼寧省大連市1 1 6 0 2 4)機械系講師、博士后研究人員。從事微機電系統研究。發表論文 1 0余篇。
王立鼎 ,男 ,1 935年生。大連理工大學機械系微機電研究中心主任、教授、中國科學院院士。

 


1、Fabrication of enclosed nanochannels in poly(methylmethacrylate) using proton beam writing and thermal bonding

2、微機械元件和儀器新進展

3、Polymer micro piezo valve with a small dead volume

4、Dosing system for the nanolitre range,fabricated with the AMANDA process

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