CN101860257B - 一种微型压电单晶直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型压电单晶直线电机。该微型电机包括压电单晶驱动器、滑动块和驱动电源，其中压电单晶驱动器为一个方柱状压电单晶，在压电单晶的下表面中心处粘接一摩擦块；摩擦块与滑动块摩擦接触，在压电单晶上设有4个沿轴向排布的电极，分别对称分布于4个棱边上，驱动电源产生的电压激励压电单晶作高频的小振幅(纳米至微米级)定向振动或合成的椭圆轨迹运动，从而驱动滑动块作直线运动。本发明提供了一种紧凑的直线驱动结构，能大幅降低工作电压；结构简单、尺寸小，特别适合于超微型光学镜头变焦驱动等应用。且压电单晶材料还具有极好的低温压电性能，因此本发明还可用于低温或空间精密驱动。

Description

一种微型压电单晶直线电机

技术领域

本发明属于精密驱动元件技术领域，具体涉及一种微型压电单晶直线电机。

背景技术

压电微型电机与传统的电磁电机相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范围中，压电微型电机及压电驱动器已经显示了许多独特的优点，诸如相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率。传统的电磁电机在几个毫米量级尺寸的制造已变得很困难，而且它的效率在几个毫米尺寸只剩下百分之几(＜8％)，因为它缺少足够强的磁场。压电电机的效率既没有尺寸效应也不存在磁场问题。压电电机即使在毫米尺寸，也能维持低速、和相对大的力矩特征。作为精密驱动元件，压电电机及驱动器正成为一些高新技术产品诸如手机，医学成像系统和其它微型医用设备的关键元件。所有这些应用需要小尺寸(从1毫米到1厘米)的微型驱动器，所需要的驱动力在微牛米(μNm)到毫牛米(mNm)，以及小的功率消耗(小于0.1W)。许多新的驱动技术，诸如音圈电机、压电驱动器、压电超声微电机等，已发展并瞄准应用于照相手机中的自动聚焦和变焦。在这些微驱动技术中，压电微电机在分辨率，驱动力，和功率消耗等方面已显示出明显的优越性，并且更容易做到微型化。

压电电机已成功的应用于照相机自动聚焦和变焦，Canon Kabushiki Kaisha公司发展的环状和棒状压电行波超声电机(US Patent 5307102，US Patent 5397835)目前已普遍应用于Canon专业照相机。但这两种电机的尺寸均在几个厘米范围，而且也不容易进一步缩小到几个毫米尺寸。

最近DavidA.Henderson发明了一种棒状的微型直线压电电机(US Patent 6940209)，该电机的压电驱动部件在工作时作“呼啦圈”式的运动。该电机有一个圆管状压电定子，并利用两对压电元件激励定子振动，在其两端部产生“呼啦圈”运动，然后通过螺纹机构驱动一个插入其内的螺杆产生直线运动。这种电机可以做成很小尺寸的紧凑结构。但是该种电机对螺纹的加工精度和表面处理要求很高，这是它的不足之处。

另外一种典型的微型直线压电电机是一个矩形压电L1-B2双振动模式系统，工作在第一阶纵振动模式(L1)和第二阶弯曲振动模式(B2)。为了降低驱动电压，SamsungElectro-Mechanics Co.，Ltd.发明了基于多层压电陶瓷结构的L1-B2模式直线压电电机(USPatent 7501745B2)。该种电机在工作时，多层压电陶瓷在2路电压(Vsinωt，Vcosωt)的驱动下做椭圆轨迹的运动，并通过摩擦驱动与其接触的直线滑动块(或微型镜头模块)。该种电机的缺点是需要复杂的多层压电陶瓷工艺，另外，两种工作模式的谐振频率可能会因外界因素(电机定子的固定，预压力等)导致不同步变化，从而导致性能的变化，并使电机不能正常工作。

另外一种典型的微型压电驱动器是一个压电振动棒系统，由Minolta Co.，Ltd.公司发明(US Patent 6836057)。该振动系统由一个多层压电致动器，一个细棒和套在细棒上的镜头构成。附在细棒上的压电致动器依靠快-慢交替的振动，使作用在镜头上的惯性力沿长棒某一方向更大，从而实现镜头的驱动。这种压电驱动系统的优点是相对比较简单的结构，和低的工作电压，缺点是该振动系统依靠惯性力驱动方式的效率低，振动系统本身也对外界振动敏感。

因此，为了满足消费电子、生物医疗等产品对微型驱动器的需要，有必要发明一种新的微型压电电机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑的微型压电单晶直线电机。

本发明压电单晶驱动器由一个方柱状压电单晶材料制成，在电场激励下可产生特定方向的一阶弯曲振动或椭圆弯曲振动；所述的方柱状压电单晶下表面中心处粘接有摩擦块；滑动块被导轨限定在某一方向上沿直线滑动；压电单晶驱动器通过一个弹簧产生的预压力来实现摩擦块同滑动块之间的摩擦接触，再通过压电单晶驱动器的振动来驱动滑动块作直线运动。

在本发明涉及的技术方案中：所述的压电单晶为方柱状，其厚度和宽度相等，且晶体沿厚度和宽度方向具有同等的晶体取向；所述的压电单晶侧表面分布4个沿轴向排布的电极，对称分布于4个棱边附近，单晶的极化方向是从其中一对对角的电极指向另外两个电极。

在本发明涉及的技术方案中：所述的压电单晶为Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)、Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)等一类具有优良压电性能(大的压电应变系数-d₃₁)的弛豫铁电单晶材料。

在本发明涉及的技术方案中：所述的压电单晶沿厚度和宽度的方向为{100}或{110}晶体方向，具体取决于何种取向的晶体具有更强的压电性能(大的压电应变系数-d₃₁)。

在本发明涉及的技术方案中：所述的压电单晶表面的电极数也可以为8个(或16个)，除4个棱边上的4个电极以外，另外的4个(或12个)电极均匀对称的沿轴向分布于4个侧表面。

在本发明涉及的技术方案中：所述滑动块的主平面与摩擦块所处平面平行，且滑动块的滑动方向限定在与所述压电单晶的长度垂直的方向。

在本发明涉及的技术方案中：所述的压电单晶工作在第一阶弯曲振动模式，驱动电源产生的电压激励压电单晶作高频的小振幅(纳米至微米级)定向或合成的椭圆轨迹振动，压电驱动器通过摩擦块与滑动块之间的摩擦力驱动滑动块作直线运动。

在本发明涉及的技术方案中：所述的压电电机既可以使用驻波式驱动方法，也可以使用行波式驱动方法。

本发明的优点是：

提供了一种紧凑的直线驱动结构；利用压电单晶的超高压电性能，能极大降低工作电压；由于电机结构简单，尺寸小，避免了传统的多层陶瓷结构制备工艺，节省了成本。其超微结构特征特别适合于微型光学镜头变焦驱动等应用。另外，压电单晶材料还具有极好的低温压电性能，它在极低温度(30K)的压电系数同一个传统压电陶瓷在室温下的压电系数大小相当。因此压电单晶直线电机还可用于低温或空间精密驱动。

附图说明

图1为本发明实施例总体结构示意图；

图2为图1所示微型压电单晶直线电机的侧视图；

图3显示了本发明压电电机的工作原理；

图4为本发明压电电机的电压驱动方式；

图5为本发明实施例之二的压电单晶表面电极结构。

图中：10-直线压电电机；20-压电单晶驱动器；21-压电单晶；21a、21b、21c、21d-电极；22-摩擦块；23a、23b-节点；30-滑动块；40-驱动电压源；50-弹簧。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步描述。

由图1可见：所示的微型压电单晶直线电机10有一个压电驱动器20，该压电驱动器由一个方柱状压电单晶21制成，在压电单晶21的下表面的中心处粘接一个摩擦块22。该摩擦块22也可以是一个球状、半球状、短棒状、方块状的耐磨材料，通过环氧树脂与压电单晶21粘接复合在一起。电机10还含有一个滑动块30。滑动块30的主平面与摩擦块22所处平面平行，且滑动块30的滑动方向限定在与所述压电单晶21的长度垂直的方向。所述的摩擦块22与滑动块30摩擦接触，利用一个弹簧50(或弹性机构)产生的预压力来实现。图2是图1所示微型压电单晶直线电机10的侧视图。所述的压电单晶21是Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)、Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)等一类具有优良压电性能(大的压电应变系数-d₃₁)的弛豫铁电单晶材料，其形状为方柱状，其厚度和宽度相等，且晶体沿厚度和宽度方向具有同等的晶体取向，为{100}或{110}晶体方向，具体取决于何种取向的晶体具有更强的压电性能(大的压电应变系数-d₃₁)。所述的压电单晶21侧表面分布4个沿轴向排布的电极21a，21b，21c，21d，对称分布于4个棱边上，压电单晶21的极化方向是从其中一对对角的电极指向另外两个电极(图2中用箭头P表示极化方向)。压电驱动器20有2个节点位置23a和23b，分别为2个垂直于压电单晶长度方向的横截平面。2个节点位置23a和23b可以被用来固定压电驱动器20，而不用担心振动能量的损失。当合适频率的交流电压40施加到压电驱动器20上，压电驱动器20将通过摩擦块22驱动滑动块30运动。

图3和图4分别显示了该发明电机的工作原理和电压驱动方法。图3(a)、图3(b)显示了压电单晶的第一阶弯曲振动模态，共包含2个本征模态：沿厚度方向弯曲(±y方向)，和沿宽度方向弯曲(±x方向)，因压电单晶21的厚度和宽度相等，这两个本征模态具有相等的共振频率。压电单晶直线电机10可以用2种电压驱动方式：驻波式(如图4(a)和图4(b)所示)和行波式(如图4(c)所示)。采用图4(a)驻波驱动方式，电极21a和21c分别连接2路反相的交流电压Vsinωt和-Vsinωt，电极21b和21d接地，由于压电效应压电单晶会产生振动，当驱动电压的频率接近第一阶弯曲共振频率时产生机电共振，两种本征振动模式都被激发，与压电单晶21粘接在一起的摩擦块22将作高频的直线振动，如图3(c)所示。由弹簧50产生的预压力使摩擦块22与滑动块30弹性接触，摩擦块22将通过摩擦力驱动滑动块30向左方运动。同理，采用图4(b)驻波驱动方式，摩擦块22的运动轨迹如图3(d)所示，驱动滑动块30向右方运动。采用图4(c)行波驱动方式，电极21a，21b，21c，21d分别连接4路同频率的交流电压Vsin(ωt+φ)，相位依次增加(或减少)90度，当驱动电压的频率接近第一阶弯曲共振频率时产生机电共振，两种本征振动模式都被激发，与压电单晶21粘接在一起的摩擦块22将作高频的顺时针(或逆时针)椭圆轨迹振动，如图3(e)所示。摩擦块22将通过摩擦力驱动滑动块30向左方(或右方)运动。采用驻波驱动方式与行波驱动方式各有优点：驻波驱动方式具有更宽的驱动电压频率范围，驱动电路更简单；而采用行波驱动方式可具有更大的驱动力。

图5为本发明的另一种实施方法的压电单晶表面电极结构。它与图1和图2所示实施例的区别在于：为了减小所需要的驱动电压，该柱状压电单晶棒侧表面沿轴向分布有＞4个电极(本实施例为8个)，除4个棱边上的4个电极以外，另外的4个电极位于4个侧表面的中部。因为电极间的距离更短，所以所需要的驱动电压更低。该压电电机同样既可以使用驻波驱动方式，也可以使用行波驱动方式。

本发明上述实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种微型压电单晶直线电机，其特征在于：包括压电单晶驱动器、被导轨限定在某一方向上沿直线运动的滑动块和驱动电源，压电单晶驱动器为一个方柱状压电单晶，在压电单晶上设有4个沿轴向排布的电极，分别对称分布于4个棱边上，单晶的极化方向是从其中一对对角的电极指向另外两个电极；所述压电单晶下表面的中心处粘接有摩擦块；该摩擦块与滑动块摩擦接触。

2.根据权利要求1所述的微型压电单晶直线电机，其特征在于：所述压电单晶的纵截面为正方形，且晶体沿厚度和宽度方向具有同等的晶体取向。

3.根据权利要求2所述的压电单晶直线电机，其特征在于：所述压电单晶为Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PZN-PT)或Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)。

4.根据权利要求2所述的压电单晶直线电机，其特征在于：所述压电单晶沿厚度和宽度的方向为{100}或{110}晶体方向。

5.根据权利要求1所述的微型压电单晶直线电机，其特征在于：在压电单晶上设置一个弹簧，利用该弹簧产生的预压力实现摩擦块与滑动块之间的摩擦接触。

6.根据权利要求1所述的微型压电单晶直线电机，其特征在于：在压电单晶上设置一个弹性机构，利用弹性机构产生的预压力实现摩擦块与滑动块之间的摩擦接触。

7.根据权利要求1所述的微型压电单晶直线电机，其特征在于：所述压电单晶上增加设置4个或8个电极，均匀对称分布于压电单晶的4个侧表面。

8.根据权利要求1所述的微型压电单晶直线电机，其特征在于：所述滑动块的滑动方向限定在与所述压电单晶的长度方向垂直。

9.根据权利要求1所述的微型压电单晶直线电机，其特征在于：所述压电单晶驱动器使用驻波式驱动或行波式驱动。

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