阅读说明：本技术 一种集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达 (Thin film piezoelectric motor integrating piezoelectric thin film chip and speed reducer ) 是由 胡启俊 何野 徐波 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达,包括压电薄膜芯片,一组转子齿轮,以及中心齿轮和/或内齿圈；所述的压电薄膜芯片上包含一组薄膜压电马达的定子,所述的定子与转子齿轮底部的转子平台形成旋转式压电马达单元；所述转子齿轮,中心齿轮和/或内齿圈的旋转轴相互平行且轴心位置固定,任一转子齿轮与中心齿轮和/或内齿圈相互啮合,转子齿轮的旋转方向相同,所述的薄膜压电马达的力矩由中心齿轮或内齿圈输出。本发明将压电薄膜芯片与减速器集成,充分利用压电薄膜芯片的潜能,设计得到大体积、大力矩、高旋转精度的新型薄膜压电马达。(The invention discloses a film piezoelectric motor integrating a piezoelectric film chip and a speed reducer, which comprises the piezoelectric film chip, a group of rotor gears, a central gear and/or an inner gear ring; the piezoelectric film chip comprises a group of stators of the film piezoelectric motor, and the stators and a rotor platform at the bottom of the rotor gear form a rotary piezoelectric motor unit; the rotating shafts of the rotor gear, the central gear and/or the inner gear ring are parallel to each other, the axis positions of the rotor gear, the central gear and/or the inner gear ring are fixed, any rotor gear is meshed with the central gear and/or the inner gear ring, the rotating directions of the rotor gears are the same, and the torque of the film piezoelectric motor is output by the central gear or the inner gear ring. The invention integrates the piezoelectric film chip and the speed reducer, fully utilizes the potential of the piezoelectric film chip, and designs the novel film piezoelectric motor with large volume, large moment and high rotation precision.)

一种集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)技术领域，涉及一种压电马达，特别是涉及一种集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达。

背景技术

压电马达是由电路驱动压电材料振动与转子摩擦而运动的。因此压电马达力矩密度高，保持力矩大，旋转精度高，电磁兼容性好，而广泛用作为各类旋转平台，搭载精密器件。

压电材料按形体可分为块状压电材料和薄膜压电材料。块状压电材料一般体积较大，但是无法进行精细加工，且不能与微电子工艺集成。薄膜压电材料可以采用微电子工艺进行精密加工并与微电子电路集成，这是保证压电马达性能及批量化生产的关键。但是单个薄膜压电马达体积却不能做的很大(因为薄膜材料缘故，薄膜容易断裂)，导致即使力矩密度大，而薄膜压电马达总的输出力矩较小。这限制了薄膜压电马达在大体积，大力矩方向上的应用。

减速器是通过一些齿轮结构相互啮合，达到降低转速以及提高力矩的装置(同时提高旋转精度)。通过多个齿轮组组成的减速器还可以把多个输入力矩一起放大并汇合起来，对外输出力矩。输出力矩通过某种结构作用在旋转平台上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成式薄膜压电马达，利用压电薄膜晶片可制造出多个小压电马达结构的优点，结合减速器结构，将包含多个小马达结构的压电薄膜芯片与齿轮组减速器结构进行集成，从而制造一种集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达，可以把多个输入力矩放大并汇合输出，具有输出力矩大，旋转精度高的优点。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达，其特征在于，所述的薄膜压电马达内包含压电薄膜芯片，一组转子齿轮，以及中心齿轮和/或内齿圈；所述的压电薄膜芯片上包含一组薄膜压电马达的定子结构，任一所述的转子齿轮通过底部的转子平台与对应的定子结构摩擦联接，所述的定子结构与转子平台形成旋转式压电马达单元；所述的转子齿轮和中心齿轮是外齿轮，内齿圈是内齿轮，转子齿轮及中心齿轮和/或内齿圈的旋转轴相互平行且轴心位置固定，所述的转子齿轮与中心齿轮和/或内齿圈相互啮合，任一转子齿轮的旋转方向相同，所述的薄膜压电马达的力矩由中心齿轮或内齿圈输出。

压电薄膜晶片可以利用微电子工艺在一个器件中制造出包含多个压电马达单元(小马达结构)的芯片，并保证精度。该芯片上的压电马达单元可与转子相互配合，在电路驱动下压电马达单元产生振动，依靠摩檫力带动转子旋转。本发明所述的薄膜压电马达将压电薄膜芯片和减速器进行集成设计，一个压电薄膜芯片上的多个压电马达单元与转子齿轮相互配合，摩擦产生多个输入力矩并带动转子齿轮旋转，多个输入力矩通过齿轮组(减速器)的放大和汇合作用后在中心齿轮或内齿圈输出力矩，从而得到体积扩展，大力矩，高旋转精度的新型薄膜压电马达。

所述的薄膜压电马达中，转子齿轮，中心齿轮和/或内齿圈的齿形可同时采用正齿，或同时采用斜齿。

本发明所述的薄膜压电马达中，在包含中心齿轮的情况下，中心齿轮可以选择性地产生或不产生输入力矩。当中心齿轮产生输入力矩时，所述压电薄膜芯片上增加的一个定子结构与中心齿轮的转子平台形成压电马达单元，且中心齿轮旋转方向与转子齿轮相反。

本发明所述的薄膜压电马达，根据力矩的输入输出方式，可以采用以下各种不同的结构方式之一：

所述的薄膜压电马达包括一组转子齿轮和中心齿轮，任一所述的转子齿轮与中心齿轮相互啮合，转子齿轮产生输入力矩，通过齿轮啮合从中心齿轮输出力矩；

所述的薄膜压电马达包括一组转子齿轮和内齿圈，任一所述的转子齿轮与内齿圈相互啮合，转子齿轮产生输入力矩，通过齿轮啮合从内齿圈输出力矩；

所述的薄膜压电马达包括一组转子齿轮，中心齿轮和内齿圈，中心齿轮和内齿圈共轴，任一所述的转子齿轮与中心齿轮和内齿圈相互啮合，转子齿轮产生输入力矩，通过齿轮啮合从中心齿轮输出力矩，内齿圈的作用是提高齿轮组减速器的稳定性。

所述的薄膜压电马达包括一组转子齿轮，中心齿轮和内齿圈，中心齿轮和内齿圈共轴，任一所述的转子齿轮与中心齿轮和内齿圈相互啮合，转子齿轮产生输入力矩，通过齿轮啮合从内齿圈输出力矩。中心齿轮既可以提高齿轮组减速器的稳定性，也可以选择地让中心齿轮产生或不产生输入力矩。如果中心齿轮产生输入力矩，那么中心齿轮旋转方向与转子齿轮相反。

优选地，所述的薄膜压电马达中，任一压电马达单元具有相同的结构。

优选地，所述的薄膜压电马达中，转子齿轮的数量为三个以上，且每个转子齿轮参数均相同，其旋转轴的轴心以中心齿轮或内齿圈的轴心为中心作等距离圆周排列。

本发明所述的薄膜压电马达中，转子齿轮并不限于一级排列，转子齿轮可以采用多级排列。转子齿轮多级排列的技术方案同一级排列一样，每个转子齿轮均对应压电薄膜芯片上的一个压电马达单元，其中相邻两级的转子齿轮之间相互啮合且旋转方向相反，第一级转子齿轮与中心齿轮(如果有)相互啮合，最后一级转子齿轮与内齿圈(如果有)相互啮合。优选地，同一级的转子齿轮参数均相同，其轴心以中心齿轮或内齿圈的轴心为中心作等距离圆周排列。转子齿轮多级排列的方案更加紧凑，能更加有效的利用压电薄膜芯片的潜能，极大地在空间上扩展压电马达单元。同等器件体积下，转子齿轮多级排列的方案输出力矩更大。

本发明的有益效果：

(1)压电薄膜芯片与减速器的有机集成，形成了大体积，大力矩，高旋转精度的新型薄膜压电马达。

(2)应用范围广，灵活设计。可依据应用场合的需要和制造加工能力的限制，灵活地设计马达方案。

(3)结构紧凑，充分利用压电薄膜芯片的潜能。

(4)对称性好，有利于器件结构的稳定性。

附图说明

图1为单个薄膜压电马达的结构示意图；

图2为本发明的薄膜压电马达第一种结构方式示意图；

图3为本发明的薄膜压电马达第二种结构方式示意图；

图4为本发明的薄膜压电马达第三种结构方式示意图；

图5为本发明的薄膜压电马达第四种结构方式示意图；

图6本发明图3结构的薄膜压电马达的立体图；

图7本发明图3结构的薄膜压电马达的爆炸图；

图8本发明的薄膜压电马达转子齿轮二级排列的结构方式示意图；

图中：1-中心齿轮、2-转子齿轮、3-内齿圈、4-螺母、5-上支撑架、7-轴承、8-压电薄膜芯片、9-下支撑架、10-螺栓、11-转子(转子平台)、12-定子(压电薄膜材料)、13-支撑结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，以下所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制，由权利要求书来确定。

如图1所示，单个旋转运动式的薄膜压电马达通常包括压电薄膜材料制作的定子12，以及与定子12摩擦联接的转子11(转子平台)，定子12在驱动电路作用下振动，利用摩擦力使转子旋转。利用压电薄膜芯片可以方便地制造的需的定子。

本发明的集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达，包含压电薄膜芯片8，一组转子齿轮2，所述的压电薄膜芯片8上集成了一组薄膜压电马达所需的定子，转子齿轮2与定子的接触面包括转子平台(摩擦材料)，转子齿轮2的转子平台与定子摩擦联接，形成与图1结构类似的旋转运动式压电马达单元。

所述的薄膜压电马达中，还包括中心齿轮1或内齿圈3，或同时具有中心齿轮1和内齿圈3。所述的转子齿轮2与中心齿轮1和/或内齿圈3相互啮合，任一转子齿轮2的旋转方向相同，所述的薄膜压电马达的力矩由中心齿轮1或内齿圈3输出。

本发明的薄膜压电马达中，其中转子齿轮2和中心齿轮1是外齿轮，内齿圈3是内齿轮，它们的齿形可同时采用正齿，或同时采用斜齿。转子齿轮2，中心齿轮1和/或内齿圈3的旋转轴相互平行，轴心位置采用轴承4固定。

上述结构的原理为：压电马达的芯片8上的多个压电马达单元结构与转子齿轮2相互配合，摩擦，产生多个输入力矩并带动转子齿轮2旋转，通常情况下压电马达单元结构数量与转子齿轮2数量相同。多个输入力矩通过齿轮组减速器的放大和汇合作用后在中心齿轮1或内齿圈3输出力矩。输出力矩通过某种结构向外输出，从而得到大体积，大力矩，高旋转精度的新型薄膜压电马达。

本发明的集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达，转子齿轮2的数量可大于等于三个，推荐每个转子齿轮2的参数均相同，即具有相同的尺寸、齿数、转速等，与之相对应的压电马达单元均具有相同的结构。转子齿轮2旋转轴的轴心以中心齿轮1或内齿圈3的轴心为中心作等距离圆周排列。

以下结合附图2至图5(压电薄膜芯片8与转子平台在图中省略)，按力矩的输入输出方式，对本发明的薄膜压电马达较为优选的实现方式分为4大类进行详细说明。在以下描述中，以转子齿轮组为3个参数完全相同、旋转方向相同且等距离圆周排列的转子齿轮2为例进行说明。

第一种方案如图2所示，所述的薄膜压电马达包括压电薄膜芯片8，一组转子齿轮2，中心齿轮1和内齿圈3。其中，压电薄膜芯片8上包含一组与转子齿轮2对应的定子结构，任一定子结构与对应的转子齿轮2的转子平台形成结构相同的压电马达单元。所述的中心齿轮1和内齿圈3共轴，任一转子齿轮2均与中心齿轮1和内齿圈3相互啮合，转子齿轮2通过压电薄膜芯片8上的压电马达单元摩擦产生输入力矩，通过齿轮啮合从中心齿轮1输出力矩，内齿圈3的作用是提高齿轮组减速器的稳定性。

图3所示为第二种技术方案，所述的薄膜压电马达包括压电薄膜芯片8，一组转子齿轮2，中心齿轮1和内齿圈3。其中，压电薄膜芯片8上包含一组与转子齿轮2对应的定子结构，任一定子结构与对应的转子齿轮2的转子平台形成压电马达单元。所述的中心齿轮1和内齿圈3共轴，任一转子齿轮2均与中心齿轮1和内齿圈3相互啮合，转子齿轮2产生输入力矩，通过齿轮啮合从内齿圈3输出力矩。中心齿轮1既可以提高齿轮组减速器的稳定性，也可以选择地让中心齿轮1产生或不产生输入力矩。如果中心齿轮1产生输入力矩，那么压电薄膜芯片8上包含与中心齿轮1对应的定子结构，且中心齿轮1参数与转子齿轮2相同，同时旋转方向相反。

图4与图5是两种结构更为简化的方案，在保证减速器稳定性的前提下，其结构中省略了中心齿轮1或内齿圈3。

图4所示的薄膜压电马达中包括一组转子齿轮2和中心齿轮1，任一转子齿轮2均与中心齿轮1相互啮合，转子齿轮2产生输入力矩，通过齿轮啮合从中心齿轮1输出力矩。

图5所示的薄膜压电马达中包括一组转子齿轮2和内齿圈3，任一转子齿轮2均与内齿圈3相互啮合，转子齿轮2产生输入力矩，通过齿轮啮合从内齿圈3输出力矩。

图3所示的集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达的一个具体实施例如图6、图7所示，包括压电薄膜芯片8(包含定子结构)，中心齿轮1，转子齿轮2，内齿圈3，由轴承7、上支撑架5、下支撑架9以及螺栓10和螺母4等组装而成。

上述图2至图5描述的薄膜压电马达的具体结构方式，其中转子齿轮均只采用一级排列，本发明的集成压电薄膜芯片和减速器的薄膜压电马达还可以采用多级排列的转子齿轮，以更加有效的利用压电薄膜芯片的潜能，薄膜压电马达的结构更加紧凑，输出力矩更大。同转子齿轮一级排列方式一样，转子齿轮多级排列的方案中，每个转子齿轮均对应压电薄膜芯片上的压电马达单元，且均等距圆周排列。其中相邻两级的转子齿轮之间相互啮合且旋转方向相反，第一级转子齿轮与中心齿轮(如果有)相互啮合，最后一级转子齿轮与内齿圈(如果有)相互啮合。

按照图2至图5所示，转子齿轮多级排列的方案也可以按力矩输入输出方式分为多种不同的结构形式，在此不一一列举。如图8是转子齿轮二级排列方案中的一种，力矩输入输出方式与图2所示的结构类似，其中包括两级转子齿轮2，中心齿轮1和内齿圈3，图2中的转子齿轮2扩展为参数相同的两级转子齿轮2，同一级转子齿轮2以中心齿轮1(内齿圈3)的轴心为中心作等距离圆周排列。第一级转子齿轮2与中心齿轮1相互啮合，第一级和第二级转子齿轮2之间相互啮合，第二级转子齿轮2与内齿圈3相互啮合，且第一级和第二级转子齿轮2旋转方向相反，中心齿轮1输出力矩。