基于超声电机的胶囊内窥镜调焦机构研究

王皆宸　邢晓红　蒋建　韩宇航

【摘 要】针对胶囊内置镜头的运动控制的要求，设计了一种由直线超声电机驱动的内窥镜调焦机构。该直线电机为基于圆环形薄板面内非轴对称模态的螺纹型超声电机，利用有限元软件 COMSOL Multiphysics 优化了电机尺寸，测得该电机在频率38.6kHz，电压40Vpp的激励下，直线前进速度为137.3μm/s，后退速度为164.5μm/s，直线行程超过5mm。该调焦机构结构简单有良好的精密定位能力，又因采用压电超声电机驱动，该医疗设备可以与核磁共振成像MRI相兼容。

【关键词】胶囊内窥镜；调焦机构；有限元分析；超声电机

中图分类号： TB55 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0093-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.040

0 引言

胶囊内窥镜突破了常规内窥镜检查的方式，无痛苦，无创伤。胶囊经患者吞服后，随着消化道的蠕动而逐渐行进，对途经的腔段，特别是常规内窥镜无法观察到的小肠部分连续拍摄并把图像数据无线传输到体外借以达到诊断目的。受制于食道大小，胶囊内窥镜的外形尺寸受到限制，通常直径10-15mm为宜，长度也不宜超过30mm，胶囊太大会对吞咽造成困难，增加患者痛苦，直径太小则会因为聚焦不到食道组织或其他杂物干扰对成像造成不利影响。传统胶囊的镜头被固定于内窥镜的端部，为了获得更高的图像质量和更大视野需要调整内置镜头的姿态。

超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应和超声振动获得运动和力（矩）的驱动器，由定子，动子，预压力机构等部分组成。与电磁电机相比，具有以下特点：结构简单紧凑；转矩/质量比大（是传统电机的3～10倍）；低速大扭矩，无需减速装置；响应快（毫秒级）；有很好的断电自锁能力；不受外界磁场及辐射干扰，不产生磁场；形状可以多样化（圆的、方的、空心的、杆状的等）。由于其优异的性能，超声电机在航空航天，精密平台，武器，医疗等领域已经有应用[1]。

1 直线电机结构

胶囊内窥镜对直线电机的要求是具有较强的自锁能力，驱动力比较大，控制精度也比较高，以便精确调焦。目前能做到较小尺寸的直线压电电机主要有惯性式压电直线电机，通过螺纹传动将旋转运动转化为直线运动的超声电机，以及利用面内模态的平板式超声电机[2]。惯性直线电机由于驱动力较小，预压力的控制比较复杂，不适用于胶囊内窥镜；平板式超声电机的预压力控制更加复杂，也被排除掉。而螺纹驱动的直线超声电机[3]由于螺纹结构具有较强的自锁能力，驱动力比较大，控制精度也比较高，因此采用这一类型电机作为直线驱动机构。

本文介绍的调焦机构，利用基于面内非轴对称模态的螺纹型直线电机，其结构如图1a所示：其定子为环形金属-压电陶瓷复合结构，定子内圈表面制备螺纹，转子为一螺杆，定子驱动转子作螺旋运动（将螺杆制备为管状中空结构，则镜头可安装于其中）。所制备旋转电机其径向尺寸不超过10mm，轴向尺寸也不超过10mm，此种环形结构有利于安装在胶囊内窥镜中，结构简单，节省空间。

环形金属内圆上攻内螺纹但该螺纹结构中间有1mm被车去，只有两侧还保留，以减小转子驱动时过大的摩擦力，如图1b所示，材料采用磷青铜，直径8mm，厚3mm。环形金属两面粘接了两块PZT-4陶瓷，尺寸为外径10mm，内径8 mm，厚度0.2 mm。转子采用磷青铜，为全螺纹，螺距0.3mm；牙型角60°，边长0.25mm（牙高0.2165mm），大径6mm。用环氧树脂将环形金属与压电陶瓷零件粘接为一体作为定子。利用环形定子薄板的面内非轴对称振动模态，在压电陶瓷的激励下金属定子圆环内圈表面质点作面内椭圆运动，驱动与螺母啮合的精密螺杆转动，从而实现螺杆的轴向直线运动。

电机的两片压电陶瓷都采用PZT-4材料，外径10mm，内径8mm，厚0.2mm，极化方向和所加的驱动电压如图1d所示，上下两片陶瓷都分八个区极化，极化方向为“++--++--”，每片陶瓷每个分区测得d33值都在360pc/N左右（ZJ-3AN型准静态d33测量仪）。电机装配时陶瓷接地的一面用环氧树脂粘接在定子上，两片陶瓷每个区“+”“-”相对。驱动时分别将幅值、频率相等，相位相差90度的正弦和余弦电压间隔加在陶瓷的八个区，上下两片对应位置电压相同。地线接在整个磷青铜定子上，这样电机工作时接入两路信号即可。

2 直线电机原理及有限元分析

为了使定子产生足够大的振幅驱动转子，超声电机通常工作在共振频率附近，而选择合适的频率和模态是超声电机能够工作的最重要条件。利用有限元软件仿真可以在设计电机时确定定子的模态，为电机设计提供指导。为了驱动螺纹直线电机的转子，需要在定子圆环内表面形成周向行波，合成这一行波最简单的方法是使圆环中同时激励两个方向垂直，相位相差90°的弯曲驻波，就需要在定子薄板激发一个弯曲模态B21（Bmn中m表示节圆数，n表示节径数） ，因此有限元仿真的目的就是为了找到定子薄板内的弯曲模态B21，以及当两相激励信号同时施加时能否在定子圆环内表面产生行波。

有限元仿真的软件采用COMSOL Multiphysics 5.1，在仿真过程中考虑边界条件：电机定子与转子通过螺纹啮合，螺纹的牙高于铜环厚度相当，因此在进行有限元分析时，螺纹的影响不可忽略。在建模时，考虑到产生足够大的驱动力和速度需要定子薄板面积大，而胶囊的尺寸又限定了环形金属的大小，因此取直径10mm较为合适，同时定子圆环的直径和壁厚受装配和加工条件的限制，取内径6mm，壁厚0.5mm。仿真过程中发现环形金属的材料和螺纹螺距影响B21模态的频率，对其他模态的频率影响较小，且螺纹螺距越小B21模态频率越低，为了电机工作稳定，需要尽量避开其他模态对工作模态的影响，即B21模态频率离最近的两个共振频率尽量远，因此取螺纹螺距为0.3mm，仿真得到B21模态频率为44276，44282Hz（两个对称模态），其模态如图2a所示，离B21模态频率最近的两个共振频率为38.2，39.3Hz，频率间隔在1kHz以上，达到了设计的目的。在44276到44282Hz之间做谐响应分析，得到了在定子圆筒内表面的行波。

3 直线电机性能测试

电机组装之后先用Agilent 4294A阻抗分析儀测得电机阻抗如图3a，当定子达到共振状态时，阻抗会产生一个极小值，而在反谐振频率处阻抗有一个极大值，在谐振频率附近相角也会有较大的变化。测量时，将电机地线接在阻抗分析仪负极，两路输入信号中的一路（全部的输入端或者全部的输入端）接在阻抗分析仪正极，得到阻抗曲线。从测得的阻抗图可以看到，定子在38.7kHz出现了共振峰，并且在30kHz到50kHz之间没有明显的干扰峰存在。

由于胶囊内窥镜对直线电机的驱动精度要求较高，因此需要测量驱动频率和移动速度之间的关系，得到40Vpp电压驱动时频率-移动速度曲线如图3b。

4 结束语

我们设计了基于压电超声电机的胶囊内窥镜调焦机构，螺纹型直线电机省去减速机构和预压力机构，比起电磁电机方案更加合理。设计并制备了用于胶囊内窥镜的直线超声电机，达到实际使用的要求。

【参考文献】

[1]赵淳生.面向21世纪超声电机技术的研究.中国工程科学，2002，14（2）：86-91.

[2]周铁英，陈宇，鹿存跃，傅德永，胡笑平，李毅，田斌， 螺母型超声电机驱动的集成透镜调焦系统.中国科学，2009. 39（10）：p.5.

[3]上羽贞行.超音波アクチュエ-タ.电子情报通信学会志，1989，72（4）：457-462.