王皆宸　邢曉紅　蔣建　韓宇航

【摘 要】針對膠囊內(nèi)置鏡頭的運動控制的要求，設(shè)計了一種由直線超聲電機驅(qū)動的內(nèi)窺鏡調(diào)焦機構(gòu)。該直線電機為基于圓環(huán)形薄板面內(nèi)非軸對稱模態(tài)的螺紋型超聲電機，利用有限元軟件 COMSOL Multiphysics 優(yōu)化了電機尺寸，測得該電機在頻率38.6kHz，電壓40Vpp的激勵下，直線前進速度為137.3μm/s，后退速度為164.5μm/s，直線行程超過5mm。該調(diào)焦機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單有良好的精密定位能力，又因采用壓電超聲電機驅(qū)動，該醫(yī)療設(shè)備可以與核磁共振成像MRI相兼容。

【關(guān)鍵詞】膠囊內(nèi)窺鏡；調(diào)焦機構(gòu)；有限元分析；超聲電機

中圖分類號： TB55 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0093-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.040

0 引言

膠囊內(nèi)窺鏡突破了常規(guī)內(nèi)窺鏡檢查的方式，無痛苦，無創(chuàng)傷。膠囊經(jīng)患者吞服后，隨著消化道的蠕動而逐漸行進，對途經(jīng)的腔段，特別是常規(guī)內(nèi)窺鏡無法觀察到的小腸部分連續(xù)拍攝并把圖像數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)襟w外借以達到診斷目的。受制于食道大小，膠囊內(nèi)窺鏡的外形尺寸受到限制，通常直徑10-15mm為宜，長度也不宜超過30mm，膠囊太大會對吞咽造成困難，增加患者痛苦，直徑太小則會因為聚焦不到食道組織或其他雜物干擾對成像造成不利影響。傳統(tǒng)膠囊的鏡頭被固定于內(nèi)窺鏡的端部，為了獲得更高的圖像質(zhì)量和更大視野需要調(diào)整內(nèi)置鏡頭的姿態(tài)。

超聲電機是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和超聲振動獲得運動和力（矩）的驅(qū)動器，由定子，動子，預(yù)壓力機構(gòu)等部分組成。與電磁電機相比，具有以下特點：結(jié)構(gòu)簡單緊湊；轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大（是傳統(tǒng)電機的3～10倍）；低速大扭矩，無需減速裝置；響應(yīng)快（毫秒級）；有很好的斷電自鎖能力；不受外界磁場及輻射干擾，不產(chǎn)生磁場；形狀可以多樣化（圓的、方的、空心的、桿狀的等）。由于其優(yōu)異的性能，超聲電機在航空航天，精密平臺，武器，醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)有應(yīng)用[1]。

1 直線電機結(jié)構(gòu)

膠囊內(nèi)窺鏡對直線電機的要求是具有較強的自鎖能力，驅(qū)動力比較大，控制精度也比較高，以便精確調(diào)焦。目前能做到較小尺寸的直線壓電電機主要有慣性式壓電直線電機，通過螺紋傳動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的超聲電機，以及利用面內(nèi)模態(tài)的平板式超聲電機[2]。慣性直線電機由于驅(qū)動力較小，預(yù)壓力的控制比較復雜，不適用于膠囊內(nèi)窺鏡；平板式超聲電機的預(yù)壓力控制更加復雜，也被排除掉。而螺紋驅(qū)動的直線超聲電機[3]由于螺紋結(jié)構(gòu)具有較強的自鎖能力，驅(qū)動力比較大，控制精度也比較高，因此采用這一類型電機作為直線驅(qū)動機構(gòu)。

本文介紹的調(diào)焦機構(gòu)，利用基于面內(nèi)非軸對稱模態(tài)的螺紋型直線電機，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示：其定子為環(huán)形金屬-壓電陶瓷復合結(jié)構(gòu)，定子內(nèi)圈表面制備螺紋，轉(zhuǎn)子為一螺桿，定子驅(qū)動轉(zhuǎn)子作螺旋運動（將螺桿制備為管狀中空結(jié)構(gòu)，則鏡頭可安裝于其中）。所制備旋轉(zhuǎn)電機其徑向尺寸不超過10mm，軸向尺寸也不超過10mm，此種環(huán)形結(jié)構(gòu)有利于安裝在膠囊內(nèi)窺鏡中，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省空間。

環(huán)形金屬內(nèi)圓上攻內(nèi)螺紋但該螺紋結(jié)構(gòu)中間有1mm被車去，只有兩側(cè)還保留，以減小轉(zhuǎn)子驅(qū)動時過大的摩擦力，如圖1b所示，材料采用磷青銅，直徑8mm，厚3mm。環(huán)形金屬兩面粘接了兩塊PZT-4陶瓷，尺寸為外徑10mm，內(nèi)徑8 mm，厚度0.2 mm。轉(zhuǎn)子采用磷青銅，為全螺紋，螺距0.3mm；牙型角60°，邊長0.25mm（牙高0.2165mm），大徑6mm。用環(huán)氧樹脂將環(huán)形金屬與壓電陶瓷零件粘接為一體作為定子。利用環(huán)形定子薄板的面內(nèi)非軸對稱振動模態(tài)，在壓電陶瓷的激勵下金屬定子圓環(huán)內(nèi)圈表面質(zhì)點作面內(nèi)橢圓運動，驅(qū)動與螺母嚙合的精密螺桿轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)螺桿的軸向直線運動。

電機的兩片壓電陶瓷都采用PZT-4材料，外徑10mm，內(nèi)徑8mm，厚0.2mm，極化方向和所加的驅(qū)動電壓如圖1d所示，上下兩片陶瓷都分八個區(qū)極化，極化方向為“++--++--”，每片陶瓷每個分區(qū)測得d33值都在360pc/N左右（ZJ-3AN型準靜態(tài)d33測量儀）。電機裝配時陶瓷接地的一面用環(huán)氧樹脂粘接在定子上，兩片陶瓷每個區(qū)“+”“-”相對。驅(qū)動時分別將幅值、頻率相等，相位相差90度的正弦和余弦電壓間隔加在陶瓷的八個區(qū)，上下兩片對應(yīng)位置電壓相同。地線接在整個磷青銅定子上，這樣電機工作時接入兩路信號即可。

2 直線電機原理及有限元分析

為了使定子產(chǎn)生足夠大的振幅驅(qū)動轉(zhuǎn)子，超聲電機通常工作在共振頻率附近，而選擇合適的頻率和模態(tài)是超聲電機能夠工作的最重要條件。利用有限元軟件仿真可以在設(shè)計電機時確定定子的模態(tài)，為電機設(shè)計提供指導。為了驅(qū)動螺紋直線電機的轉(zhuǎn)子，需要在定子圓環(huán)內(nèi)表面形成周向行波，合成這一行波最簡單的方法是使圓環(huán)中同時激勵兩個方向垂直，相位相差90°的彎曲駐波，就需要在定子薄板激發(fā)一個彎曲模態(tài)B21（Bmn中m表示節(jié)圓數(shù)，n表示節(jié)徑數(shù)） ，因此有限元仿真的目的就是為了找到定子薄板內(nèi)的彎曲模態(tài)B21，以及當兩相激勵信號同時施加時能否在定子圓環(huán)內(nèi)表面產(chǎn)生行波。

有限元仿真的軟件采用COMSOL Multiphysics 5.1，在仿真過程中考慮邊界條件：電機定子與轉(zhuǎn)子通過螺紋嚙合，螺紋的牙高于銅環(huán)厚度相當，因此在進行有限元分析時，螺紋的影響不可忽略。在建模時，考慮到產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動力和速度需要定子薄板面積大，而膠囊的尺寸又限定了環(huán)形金屬的大小，因此取直徑10mm較為合適，同時定子圓環(huán)的直徑和壁厚受裝配和加工條件的限制，取內(nèi)徑6mm，壁厚0.5mm。仿真過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)形金屬的材料和螺紋螺距影響B(tài)21模態(tài)的頻率，對其他模態(tài)的頻率影響較小，且螺紋螺距越小B21模態(tài)頻率越低，為了電機工作穩(wěn)定，需要盡量避開其他模態(tài)對工作模態(tài)的影響，即B21模態(tài)頻率離最近的兩個共振頻率盡量遠，因此取螺紋螺距為0.3mm，仿真得到B21模態(tài)頻率為44276，44282Hz（兩個對稱模態(tài)），其模態(tài)如圖2a所示，離B21模態(tài)頻率最近的兩個共振頻率為38.2，39.3Hz，頻率間隔在1kHz以上，達到了設(shè)計的目的。在44276到44282Hz之間做諧響應(yīng)分析，得到了在定子圓筒內(nèi)表面的行波。

3 直線電機性能測試

電機組裝之后先用Agilent 4294A阻抗分析儀測得電機阻抗如圖3a，當定子達到共振狀態(tài)時，阻抗會產(chǎn)生一個極小值，而在反諧振頻率處阻抗有一個極大值，在諧振頻率附近相角也會有較大的變化。測量時，將電機地線接在阻抗分析儀負極，兩路輸入信號中的一路（全部的輸入端或者全部的輸入端）接在阻抗分析儀正極，得到阻抗曲線。從測得的阻抗圖可以看到，定子在38.7kHz出現(xiàn)了共振峰，并且在30kHz到50kHz之間沒有明顯的干擾峰存在。

由于膠囊內(nèi)窺鏡對直線電機的驅(qū)動精度要求較高，因此需要測量驅(qū)動頻率和移動速度之間的關(guān)系，得到40Vpp電壓驅(qū)動時頻率-移動速度曲線如圖3b。

4 結(jié)束語

我們設(shè)計了基于壓電超聲電機的膠囊內(nèi)窺鏡調(diào)焦機構(gòu)，螺紋型直線電機省去減速機構(gòu)和預(yù)壓力機構(gòu)，比起電磁電機方案更加合理。設(shè)計并制備了用于膠囊內(nèi)窺鏡的直線超聲電機，達到實際使用的要求。

【參考文獻】

[1]趙淳生.面向21世紀超聲電機技術(shù)的研究.中國工程科學，2002，14（2）：86-91.

[2]周鐵英，陳宇，鹿存躍，傅德永，胡笑平，李毅，田斌， 螺母型超聲電機驅(qū)動的集成透鏡調(diào)焦系統(tǒng).中國科學，2009. 39（10）：p.5.

[3]上羽貞行.超音波アクチュエ-タ.電子情報通信學會志，1989，72（4）：457-462.