CN102544350A - 压电致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电致动器。根据本发明，通过简化构成该压电致动器的电极图案能够减小该压电致动器的制造成本，通过仅使用该压电致动器的平面简单平移运动，该压电致动器自身或采用该压电致动器的电子产品可被做的更小，并且可以提供能够在平面上以两个方向独立地进行线性平移运动的压电制动器。

Description

压电致动器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年12月30日提交的、申请号为10-2010-0139610和2011年1月14日提交的、申请号为10-2011-0004032的、题为“PiezoelectricActuator”的韩国专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本申请中。
技术领域
本发明涉及一种压电致动器。
背景技术
近来，使用压电体的压电致动器作为一种新型的替代电动马达的马达正受到关注。例如，转子等，压电制动器通过在压电薄板中产生微小振动，并通过使用在连附在所述压电薄板上的摩擦件和转子(或滑动件)间的接触摩擦将所述微小振动传送到受到摩擦的部件，压电致动器使受到摩擦的部件能够往复振动。与现有技术的马达相比较，该压电马达具有更多的优点，例如能量密度高、响应速度快、噪声较小等。
现有技术的压电致动器涉及通过合并垂直方向振动运动和水平方向振动运动在整体上跟随椭圆轨迹时进行振动的压电体。
根据现有技术的压电致动器为了实现具有椭圆踪迹的压电体，需要层压具有不同振动方向的两个或更多的压电薄板，并且需要在每个所述电极薄板中形成能够输出垂直方向振动的电极图案和能够输出水平方向振动的电极图案。
而且，为了驱动具有由于复杂电极图案带来的复杂结构的压电致动器，需要较长时间来设计电压施加的类型。这造成压电致动器的制造时间和制造成本的增加。
此外，由于压电致动器的结构变得复杂，采用这种压电致动器的电子产品变得超出需要的庞大。
发明内容
为了提供一种压电致动器而提出本发明，其中，通过简化构成压电致动器的电极图案能够减少制造成本，通过仅使用该压电致动器的平面的简单平移运动，该压电致动器自身或采用该压电致动器的电子产品可被做的更小，并且在两个方向上的平移运动能够在该平面上独立地进行。
根据本发明的优选实施方式，提供了一种压电致动器，该压电致动器包括：压电薄板；第一电极图案，形成在所述压电薄板一个表面的一部分上；第二电极图案，形成在所述压电薄板的一个表面的其他部分上，从而所述第二电极图案与所述第一电极图案电隔离；电极部分，形成在所述压电薄板的另一个表面；以及摩擦件，形成在所述压电薄板的一个表面上以从所述压电薄板突出。
所述电极部分可包括对应于所述第一电极图案形成在所述电极薄板的的另一个表面上的第一电极部分，和对应于所述第二电极图案的形成在所述电极薄板的另一个表面上的第二电极部分，从而所述第二电极部分与所述第一电极部分电隔离。
所述压电薄板可以是通过层压(laminate)多个压电薄板单元而形成的压电层压体。
所述压电薄板通过施加具有180度的相位差的电压到所述第一电极图案和所述第二电极图案而被振动，并且所述摩擦件可通过所述压电薄板的振动在平面上进行线性平移运动。
可将具有相同相位的电压施加到所述第一电极图案和所述第二电极部分，并且可将具有相同相位的电压施加到所述第二电极图案和所述第一电极部分，以及施加到所述第一电极图案和第二电极部分的电压与施加到所述第二电极图案和所述第一电极部分的电压可具有180度的相位差，所述压电薄板通过电压的施加而被振动并且所述摩擦件通过所述压电薄板的振动在平面上进行线性平移运动。
所述压电薄板可具有其中凹陷(concavely depressed)的凹槽部分，并且所述摩擦部件的一部分可被插入到所述凹槽部分。
所述摩擦件可被形成在所述第一电极图案和所述第二电极图案之间，并且所述摩擦件可具有圆形形状或正方形形状的横截面。
所述摩擦件可由Al2O3或ZrO2的陶瓷材料、基于碳化钨(WC)的硬金属、工具钢或高速钢制成。
所述第一电极图案和所述第二电极图案可以相对于所述压电薄板的中心点对称。
所述第一电极图案和所述第二电极图案可具有正方形形状、三角形形状或半圆形形状。
根据本发明另一个优选的实施方式，提供了一种压电致动器，该压电致动器包括：第一压电薄板；第一电极图案，形成在所述第一压电薄板的一个表面的一部分上，以及第二电极图案，形成在所述第一压电薄板的一个表面的另一部分上，从而所述第二电极图案与所述第一电极图案电隔离；接地电极，形成在所述第一压电薄板的另一表面上；第二压电薄板，形成在其上形成有所述接地电极的所述第一压电薄板的下面；第三电极图案，形成在所述第二电极薄板的下表面的一部分上，以及第四电极图案，形成在所述第二电极薄板的下表面的另一部分上，从而所述第四电极图案与所述第三电极图案电隔离；以及摩擦件，形成在所述第一压电薄板的一个表面上。
所述第三电极图案和所述第四电极图案可被形成在所述第二电极薄板上，以根据所述第一电极图案和所述第二电极图案以90度的角度彼此十字交叉。
所述第一压电薄板和所述第二压电薄板可以通过将具有180度的相位差的电压仅施加到所述第一电极图案和所述第二电极图案，以允许所述第一压电薄板和所述第二压电薄板在所述平面上以所述第一方向进行平移运动，以及将具有180度相位差的电压仅施加到所述第三电极图案和所述第四电极图案，以允许所述第一压电薄板和所述第二压电薄板在所述平面上以所述第二方向进行平移运动，从而一体地(in one body)以所述第一方向或所述第二方向被振动。
所述第一压电薄板可具有其中凹下的凹槽部分，并且所述摩擦件的一部分可被插入到所述凹槽部分。
所述摩擦件可被形成在所述第一电极图案和所述第二电极图案之间，并且所述摩擦件可具有圆形形状或正方形形状的横截面。
所述摩擦件可由Al2O3或ZrO2的陶瓷材料、基于碳化钨(WC)的硬金属、工具钢、或高速钢制成
所述第一电极图案和所述第二电极图案可以相对于所述第一压电薄板的中心点对称。
所述第一电极图案和所述第二电极图案可具有正方形形状、三角形形状或半圆形形状。
所述第三电极图案和所述第四电极图案可以相对于所述第二压电薄板的中心点对称。
所述第三电极图案和所述第四电极图案可具有正方形形状、三角形形状或半圆形形状。
附图说明
图1A和1B是示出了根据本发明第一优选实施方式的包括单层压电薄板的压电致动器的结构的透视图和横截面图；
图2是示出了根据本发明第一优选实施方式的包括多层压电薄板的压电致动器的结构的透视图；
图3A至3C是用于解释施加到根据本发明第一优选实施方式的压电致动器的电信号类型的图示；
图4A至4C是示出了形成在构成本发明的压电薄板上的不同种类的电极图案的结构的平面图；
图5A至5D是示出了构成本发明的不同种类的摩擦件的各自形状的平面和横截面的图示；
图6是示出了根据本发明第二优选实施方式的压电致动器的结构的透视图；
图7是示出了在图6中示出的压电致动器的结构的横截面图；
图8A和8B是用于解释施加在根据本发明第二优选实施方式的压电致动器的电信号类型的图示；
图9是示出了压电致动器的线性平移运动的原理的平面图；
图10是模拟根据本发明第二优选实施方式的压电致动器的运动形式的图示；以及
图11是用于解释电信号的施加方式的图示。
具体实施方式
通过下列参考附图对实施方式的说明，本发明的各种目的、优点和特征将会变得显而易见。
在本说明书和权利要求书中使用的术语和词语不应被解释为局限于典型含义或词典定义，而应基于发明者能够适当地定义术语的概念来最合适地描述他/她知晓的实施本发明的最好方法的规则被解释为具有与本发明技术领域相关的含义或概念。
通过下列参考附图对实施方式的说明，本发明的各种目的、优点和特征将会变得显而易见。在说明书中，在向整个附图的组件添加参考标记时，需要注意的是，相同的参考标记指代相同的组件，即使各组件显示于不同的附图中。此外，当确定对与本发明相关的公知技术的详细说明会模糊本发明的主旨时，这样的详细说明将被省略。
下文中，将参考附图对本发明的优选实施方式进行详细描述。
根据本发明第一优选实施方式的压电致动器
图1A和1B是示出了根据本发明第一优选实施方式的包括单层压电薄板的压电致动器的结构的透视图和横截面图；以及，图2是示出了根据本发明第一优选实施方式的包括多层压电薄板的压电致动器的结构的透视图。
如图1A和1B所示，根据本优选实施方式的压电致动器100由压电薄板110、形成在所述压电薄板110上的第一电极图案121和第二电极图案123、电极部分140和摩擦件130组成。
压电薄板110是用于当电压被施加到电极图案(第一电极图案121和第二电极图案123)时，通过其拉伸和收缩由于振动而产生驱动力的部件，以及所述电极图案121和123形成在所述压电薄板110的一个表面上。在本发明中，为了解释使得第一振动部分110a(是根据施加到第一电极图案121的电压的情况的压电薄板110的变形区域)以及第二振动部分110b(是根据施加到第一电极图案123的电压的情况的压电薄板110的变形区域)彼此相区分。换句话说，所述压电薄板110被分为第一振动部分110a和第二振动部分110b。同时，本发明的压电致动器100可以实现为单层压电薄板110，也可实现为如图2所示的将两层或多层压电薄板110层压的形式。当压电致动器100由多层压电薄板(压电层压体160)实现时，以较低电压水平被驱动的电子产品(例如，移动电话的照相机模块)因为关于施加电压的输出可有效驱动，也就是说，振动力很大。压电薄板110是具有压电性能的部件，例如但不限于由陶瓷材料制成。例如，对于压电薄板110可采用现有技术中已知的任何材料。
根据本发明的压电致动器100的驱动类型如下。首先，如图3A中所示，将电压施加到电极图案121和123，而将具有180度相位差的电压施加到第一电极图案121和第二电极图案123。此处，电极部分141和143接地。更具体地，当具有相位差的电信号被交替地施加到在压电薄板110一个表面的一侧形成的第一电极图案121以及在压电薄板110一个表面的另一侧形成的第二电极图案123时，随着时间施加到该电极图案121和123的各自的电压水平如图11中所示。例如，当施加正弦波(在初相位具有正号)到ch1时，将接地信号或相对于施加到ch1的正弦波具有180度相位差的正弦波施加到ch2。相反，为了相反地改变振动方向，施加正弦波(在初相位具有负号)到ch1，以及将接地信号或相对于施加到ch1的正弦波具有180度相位差的正弦波施加到ch2。本发明的压电致动器100使用由压电薄板110的拉伸和收缩产生的弯曲振动。如上所述，当具有180相位差(见图11)的电信号被分别施加到第一电极图形121和第二电极图形123时，如图9所示，当第一振动部分110a(图1B)被拉伸并且第二振动部分110b(图1B)被收缩时(与根据电信号的设置值第一振动部分110a被收缩并且第二振动部分110b被拉伸的情况相同)，压电薄板110在一个平面方向进行平移运动(在图9情况下在X轴方向上平移运动)。在压电薄板110的一个表面上形成摩擦件130来向受摩擦的部件(没有示出，例如转子或活动件)传送由于压电薄板110的线性平移运动产生的振动力。
同时，优选如图3B中所示的施加的电压类型。首先，第一电极图案121和第二电极部分143彼此电连接，并且第二电极图案123和第一电极部分141彼此电连接。因此，具有相同相位的电压被施加到第一电极图案121和第二电极部分143，并且具有相同相位的电压被施加到第二电极图案123和第一电极部分141。然后，电压被分别施加到第一电极图案121和第二电极部分143，以及第二电极图案123和第一电极部分141。此处，各个电压具有180度的相位差。被施加的具有180度相位差的电压的类型如上所述。第一振动部分(图1B中的110a)以及第二振动部分(图1B中的110b)通过电压而被收缩/拉伸，这样，使压电薄板110振动。摩擦件130通过压电薄板110的振动而具有在平面上的线性平移运动。图3C是用于解释被施加到图2中的压电致动器100的电压的类型的图示，并且电压施加类型如上所述。
电极图案(第一电极图案121和第二电极图案123)被形成在压电薄板110的一个表面上，并且电极部分140被形成在该压电薄板110的另一个表面上。此处，所述电极部分140可被形成在该压电薄板110的另一个表面的整个表面上。而且，如图1B中所示的电极部分140可被分为第一电极部分141和第二电极部分143，并且对应于第一电极图案121和第二电极图案123形成。此处，所述第一电极图案121和所述第二电极123可被形成为相对于所述压电薄板110的中心点(该压电薄板110上两条对角线的交叉点)对称。所述第一图案121根据输入的电信号的类型在所述第一振动部分110a中生成弯曲(压缩或拉伸)振动，以及所述第二图案121根据输入的电信号的类型在所述第二振动部分110b中生成弯曲(压缩或拉伸)振动。
同时，如图4A到4D所示，所述第一电极图案121和所述第二电极图案123有正方形形状(图4A和4B)、三角形形状(图4C)或半圆形形状(图4D)。形成在所述压电薄板110的另一个表面上的电极部分140(见图1B)也可对应于第一电极图案121和第二电极图案123的安排形式形成。
所述摩擦件130是用于将从压电薄板110(在图2的情况下，是压电层压体160)产生的振动传递到外部的部件。根据本发明，根据电子产品采用的压电致动器100会存在不同，但是，通常来说，转子或活动件可与摩擦件130相接触。所述摩擦件130可通过粘合剂被附着在所述压电薄板110的一个表面，以及通过粘合剂被附着在所述压电薄板110上的凹槽部分135(图1B)上。换句话说，凹槽部分135凹陷地形成在所述压电薄板110上，并且将所述摩擦件130的一部分插入所述凹槽部分135中来附着到所述压电薄板110上。此处，摩擦件130在平面上进行线性平移运动以传递振动力到受摩擦的部件。
同时，如图1A和1B或图2所示，将所述摩擦件130形成在第一电极图案121和第二电极图案123之间。摩擦件130的横截面具有圆形形状或正方形形状。摩擦件130的实体形状如图5中所示。换句话说，摩擦件130具有半球形形状(图5A)或六面体形状(图5B或5C)。另外，所述摩擦件130被形成为从暴露在第一电极图案121和第二电极图案123间的压电薄板110突出。此外，摩擦件130可具有横跨第一电极图案121和第二电极图案123的六面体形状(图5D)。并且，不考虑图5A到5D中所示的形状，可将所述摩擦件130的形状改变为可将摩擦力传送到受摩擦部件的任意形状。同时，所述摩擦件130优选地由具有良好耐磨性能和大摩擦因数的材料制成。对于所述摩擦件130，可使用如Al2O3、ZrO2等的陶瓷材料、或基于碳化钨(WC)的硬金属、工具钢、高速钢等的材料。此外，可由在普通金属材料上涂覆有TiN、CrN或WC以增强硬度的材料制成摩擦件130。
根据本发明第二优选实施方式的压电致动器
图6和图7是示出了根据本发明第二优选实施方式的压电致动器的结构的透视图和横截面图；
根据本发明第二优选实施方式的压电致动器200包括：第一压电薄板210、形成在所述第一压电薄板210上的一个表面上的第一电极图案221和第二电极图案223，形成在所述第一压电薄板210的另一个表面上的接地电极230，形成在所述第一压电薄板210下面、其上形成有所述接地电极230的第二压电薄板240，形成在所述第二压电薄板240的下表面上的第三电极图案251和第四电极图案253，以及形成在所述第一压电薄板210的一个表面上的摩擦件270。
此处，所述第三电极图案251和所述第四电极图案253形成在所述第二压电薄板240的下表面上以基于所述第一电极图案221和所述第二电极图案223以90度的角度彼此十字交叉(图6)。换句话说，将所述第一压电薄板210层压在所述第二压电薄板240上，从而使得所述第一电极图案221和所述第二电极图案223以所述第一压电薄板的中心点作为平面上的轴线，以90度的角度与形成在所述第二压电薄板240上的所述第三电极图案251和所述第四电极图案253十字交叉。这样用来实现能够在两个方向上进行平移运动的压电致动器200，也就是，在平面上的第一方向或第二方向上。
由于对与根据本发明第二优选实施方式的组成压电致动器200的下列部件：压电薄板(第一压电薄板210、第二压电薄板240)、电极图案221、223、251和253、接地电极230和摩擦件270相关的详细说明与根据上述第一优选实施方式的压电致动器100(图1)的详细说明相同，这样，此处其重复的说明将被略去。
同时，根据本发明优选实施方式的压电致动器200的驱动类型如下。第一压电薄板210或第二压电薄板240本身的平移运动的类型与根据上述第一优选实施方式的压电致动器100(图1)的相同。换句话说，将具有180度相位差的电信号施加到第一电极图案221和第二电极图案223上，以通过使用第一振动部分210a和第二振动部分210b的拉伸和收缩运动来产生线性平移运动。
在本优选实施方式中，彼此具有180度相位差的电压仅被施加到第一电极图案221和第二电极图案223，而不向第三电极图案251和第四电极图案253施加电信号(见图8A)。这种情况下，所述第二压电薄板240附着到第一压电薄板210的下表面上而不是分别产生振动，并且只有该第一压电薄板210在平面上的第一个方向上进行平移运动。此处，该平移运动的方向可以为所述第一方向(也就是，X轴方向，见图10A)。同时，与此相反，彼此具有180度相位差的电压仅被施加到第三电极图案251和第四电极图案253，而不向第一电极图案221和第二电极图案223施加电信号(见图8A)。这种情况下，所述第一压电薄板210附着到第二压电薄板240的上表面上而不是分别产生振动，并且只有该第二压电薄板240在平面上的第二个方向上进行平移运动。此处，该平移运动的方向可以为所述第二方向(也就是，Y轴方向，见图10B)。根据本发明第二优选实施方式的压电致动器200，其特征在于通过施加不同的电信号而在一个压电致动器200中独立引起在第一方向或第二方向上的平移运动。这样的双向平移运动可被应用在移动电话的照相机模块中，以及应用在光学图像稳定器(OIS)中。特别地，可以减小照相机模块的尺寸、简化系统以及改进操作的方便性。
根据本发明，通过简化构成该压电致动器的电极图案，能够减少压电制动器的制造成本。
此外，根据本发明，通过实现在平面上进行线性平移运动的压电制动器通过仅使用该压电致动器的平面简单平移运动，该压电致动器其自身可被做的更小，而且，当在电子产品中采用本发明时，电子产品能够被做得更小。
此外，根据本发明，通过层压一对其上形成有电极图案的压电薄板、层压形成在各个压电薄板上彼此以90度十字交叉的电极图案、并且向各个压电薄板独立施加电压来实现压电制动器时，可以实现能够在平面上的两个方向上进行线性平移运动的压电致动器。
尽管出于说明目的公开了本发明的优选实施方式，这些实施方式专门用于解释本发明，并且，根据本发明的压电致动器并不限于此，本领域技术人员应当理解，在不背离如所附权利要求公开的本发明的精神和范围的情况下，能够进行各种修改、增加以及替代。
因此，修改、增加以及替代也应被理解为落入本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种压电致动器，该压电致动器包括：
压电薄板；
第一电极图案，形成在所述压电薄板的一个表面的一部分上；
第二电极图案，形成在所述压电薄板的所述一个表面的另一部分上，从而所述第二电极图案与所述第一电极图案电隔离；
电极部分，形成在所述压电薄板的另一个表面上；以及
摩擦件，形成在所述压电薄板的所述一个表面上以从所述压电薄板突出。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述电极部分包括形成在所述压电薄板的所述另一个表面上的对应于所述第一电极图案的第一电极部分，和形成在所述电极薄板的所述另一个表面上的对应于所述第二电极图案的第二电极部分，从而所述第二电极部分与所述第一电极部分电隔离。
3.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述压电薄板是通过层压多个压电薄板单元而形成的压电层压体。
4.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述压电薄板通过施加具有180度的相位差的电压到所述第一电极图案和所述第二电极图案而被振动；以及
所述摩擦件通过所述压电薄板的振动在平面上进行线性平移运动。
5.根据权利要求2所述的压电致动器，其中将具有相同相位的电压施加到所述第一电极图案和所述第二电极部分，并且将具有相同相位的电压施加到所述第二电极图案和所述第一电极部分；以及
施加到所述第一电极图案和所述第二电极部分的电压与施加到所述第二电极图案和所述第一电极部分的电压具有180度的相位差；
所述压电薄板通过电压的施加被振动；以及
所述摩擦件通过所述压电薄板的振动在平面上进行线性平移运动。
6.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述压电薄板具有其中凹陷的凹槽部分，并且所述摩擦件的一部分被插入到所述凹槽部分中。
7.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述摩擦件被形成在所述第一电极图案与所述第二电极图案之间，并且所述摩擦件具有圆形形状或正方形形状的横截面。
8.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述摩擦件由Al2O3或ZrO2陶瓷材料、基于碳化钨的硬金属、工具钢或高速钢制成。
9.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述第一电极图案和所述第二电极图案相对于所述压电薄板的中心点对称。
10.根据权利要求1所述的压电致动器，其中所述第一电极图案和所述第二电极图案具有正方形形状、三角形形状或半圆形形状。
11.一种压电致动器，该压电致动器包括：
第一压电薄板；
形成在所述第一压电薄板的一个表面的一部分上的第一电极图案，以及形成在所述第一压电薄板的所述一个表面的另一部分上的第二电极图案，从而所述第二电极图案与所述第一电极图案电隔离；
接地电极，形成在所述第一压电薄板的另一个表面上；
第二压电薄板，形成在所述第一压电薄板的下面，所述接地电极形成在该第二压电薄板上；
形成在所述第二电极薄板的下表面的一部分上的第三电极图案，以及形成在所述第二电极薄板的所述下表面的另一部分上的第四电极图案，从而所述第四电极图案与所述第三电极图案电隔离；以及
摩擦件，形成在所述第一压电薄板的所述一个表面上。
12.根据权利要求11所述的压电致动器，其中所述第三电极图案和所述第四电极图案被形成在所述第二电极薄板上，以基于所述第一电极图案和所述第二电极图案以90度的角度彼此十字交叉。
13.根据权利要求12所述的压电致动器，其中通过将具有180度的相位差的电压仅施加到所述第一电极图案和所述第二电极图案以允许所述第一压电薄板和所述第二压电薄板在所述平面上以所述第一方向进行平移运动，以及将具有180度的相位差的电压仅施加到所述第三电极图案和所述第四电极图案以允许所述第一压电薄板和所述第二压电薄板在所述平面上以所述第二方向进行平移运动，使得所述第一压电薄板和所述第二压电薄板一体地以所述第一方向或所述第二方向被振动。
14.根据权利要求11所述的压电致动器，其中所述第一压电薄板具有其中凹陷的凹槽部分，并且所述摩擦件的一部分被插入到所述凹槽部分中。
15.根据权利要求11所述的压电致动器，其中所述摩擦件被形成在所述第一电极图案与所述第二电极图案之间，并且所述摩擦件具有圆形形状或正方形形状的横截面。
16.根据权利要求11所述的压电致动器，其中所述摩擦部件由Al2O3或ZrO2陶瓷材料、基于碳化钨的硬金属、工具钢或高速钢制成。
17.根据权利要求11所述的压电致动器，其中所述第一电极图案和所述第二电极图案相对于所述第一压电薄板的中心点对称。
18.根据权利要求11所述的压电致动器，其中所述第一电极图案和所述第二电极图案具有正方形形状、三角形形状或半圆形形状。
19.根据权利要求11所述的压电致动器，其中所述第三电极图案和所述第四电极图案相对于所述第二压电薄板的中心点对称。
20.根据权利要求11所述的压电致动器，其中所述第三电极图案和所述第四电极图案具有正方形形状、三角形形状或半圆形形状。
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