CN107134944A - 一种新型压电陶瓷驱动器及由其构成的超声电机 - Google Patents

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唐恺
张志强
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Abstract

本发明公开了一种新型压电陶瓷驱动器及由其构成的超声电机，解决了现有技术电路复杂、驱动电压高，从而导致现有超声电机整体质量高、体积大的问题。一种新型压电陶瓷驱动器包括由压电陶瓷层构成的方形主体，设在相邻压电陶瓷层之间的内电极，及设在方形主体外侧面上的外电极；压电陶瓷层中心位置设有圆形通孔；位于奇数层的内电极由第一电极分区和第二电极分区组成，第一电极分区和第二电极分区上均设有弧形槽；位于偶数层的内电极上设有圆孔；超声电机包括上述压电陶瓷驱动器及夹持固定装置。本发明结构简单紧凑、设计科学合理，压电陶瓷驱动器所需驱动电压低、驱动电路简单及功率密度高，超声电机质量轻便，体积小。

Description

一种新型压电陶瓷驱动器及由其构成的超声电机
技术领域
本发明涉及一种新型压电陶瓷驱动器及由其构成的超声电机。
背景技术
超声电机具有结构简单、能量密度大、响应快、分辨率高、断电自锁、无电磁干扰等特点，在微机械、机器人、医疗器械、镜头变焦、航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而普通超声电机驱动电压一般较高，导致驱动电路复杂，对超声电机的轻量化与微型化非常不利，制约了超声电机的发展。
如果说民用产品体积稍大可以接受的话，那么在航空航天领域，携带冗余沉重的部件可能就意味着数以亿计的损失，这一问题就尤为突出了。因此降低驱动电压、简化激励方式是时下超声电机研究领域的一个重要课题。多层压电陶瓷具有低压驱动、薄型化、高功率密度等优点，如果将其作为超声电机的驱动器，能大大降低驱动电压。
基于此，专利公开号CN201610543614.3提供了一种基于压电叠堆驱动方式的行波型超声电机，该电机利用12个压电叠堆一起来实现驱动，采用的压电叠堆为普通的各层电极相同的多层压电陶瓷。该电机的问题主要是利用的压电叠堆数量过大，导致电机尺寸偏大。
专利公开号CN201620171723则提供了一种多层压电陶瓷棒作为定子的二自由度平面运动超声电机，该电机通过多层压电陶瓷棒可实现两个自由度的驱动。但是该多层压电陶瓷棒分成相互分隔的5个部分，每个部分的内电极形状不同，用于引出的外电极有14个之多，这样导致多层压电陶瓷整体结构复杂，制作难度大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种新型压电陶瓷驱动器，解决现有技术驱动电压高以及驱动电路复杂的问题，同时提供一种包括该新型压电陶瓷驱动器的超声电机，该超声电机具有质量轻、体积小的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种新型压电陶瓷驱动器，包括由至少三层相互叠加的压电陶瓷层构成的方形主体，设置在相邻压电陶瓷层之间的内电极，以及设置在方形主体外侧面并同时与所有内电极接触、用于输入电压时使不同压电陶瓷层激励出不同振动模式的外电极；所述压电陶瓷层中心位置设有用于将不同振动模式调节成相同振动频率、以便在方形主体顶端中心点耦合出椭圆运动的圆形通孔；位于奇数层的内电极由第一电极分区和第二电极分区组成，第一电极分区和第二电极分区以圆形通孔圆心为中心对称分布，并且第一电极分区和第二电极分区上均设有与圆形通孔部分弧形边轮廓相同的弧形槽；而位于偶数层的内电极上则开设有位置与圆形通孔对应并且尺寸与圆形通孔尺寸相同的圆孔。
进一步地，所述外电极为三个，分设在方形主体三个外侧面上，其中一个外电极同时与所有偶数层的内电极接触；第二个外电极同时与所有奇数层中的第一电极分区接触；第三个外电极同时与所有奇数层中的第二电极分区接触。
一种超声电机，包括如上所述的压电陶瓷驱动器，以及夹持固定装置；所述压电陶瓷驱动器整体安装在夹持固定装置中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明结构简单紧凑、设计科学合理，本新型压电陶瓷驱动器所需驱动电压低，并且驱动电路简单以及功率密度高，运用该新型压电陶瓷驱动器的超声电机质量轻便，体积小。
本新型压电陶瓷驱动器采用多层压电陶瓷层相互叠加成方形主体，在方形主体的各贴合层分别设内电极，并且位于奇数层的内电极设第一电极分区和第二电极分区，在方形主体的三个外侧面各设一个外电极，并且三个外电极分别与第一电极分区、第二电极分区和位于偶数层的内电极相连接，同时在方形主体中心设用于将不同振动模式调节成相同振动频率、以便在方形主体顶端中心点耦合出椭圆运动的圆形通孔，如此在使用时，可将与偶数层内电极相连接的外电极接地，之后给剩余两个外电极中的任意一个外电极接入一定频率的低压交变电压，由于压电效应，本新型压电陶瓷驱动器顶端中心点处会耦合出一个椭圆运动，本新型压电陶瓷驱动器不仅驱动电压低，而且驱动电路也很电路简单。
进一步来说，将本新型压电陶瓷驱动器外设一个用于夹持固定上述压电陶瓷驱动器的夹持固定装置形成超声电机，则就可以有效驱动滑块做直线运动，如此本超声电机不仅重量轻，而且体积还很小，运用于航空航天领域，可以极大地减少负重以及极大地节约空间，适于在航空航天、微机械、机器人、医疗器械、镜头变焦等需精密驱动的领域广发推广应用。
附图说明
图1为本发明压电陶瓷驱动器结构示意图。
图2为图1的横向切面示意图。
图3为本发明压电陶瓷驱动器的内电极示意图。
图4为本发明压电陶瓷驱动器的工作模式示意图。
图5为本发明超声电机示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-方形主体、3-外电极、10-压电陶瓷层、21-弧形槽、22-圆孔、40-圆形通孔、50-夹持固定装置、60-压电陶瓷驱动器、211-第一电极分区、212-第二电极分区。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1-5所示，本发明提供的新型压电陶瓷驱动器及含该压电陶瓷驱动器的超声电机，结构简单、设计科学合理，其中新型压电陶瓷驱动器所需驱动电压低，驱动电路简单并且功率密度高，可有效解决现有技术驱动电压高以及驱动电路复杂的问题；而运用上述新型压电陶瓷驱动器的超声电机质量轻便，体积小，可以极大地减少负重以及极大地节约空间，并且大大降低驱动电压。
本新型压电陶瓷驱动器，包括由至少三层相互叠加的压电陶瓷层10构成的方形主体1，设置在相邻压电陶瓷层之间的内电极，以及设置在方形主体1外侧面并同时与所有内电极接触、用于输入电压时使不同压电陶瓷层激励出不同振动模式的外电极3；所述压电陶瓷层10中心位置设有用于将不同振动模式调节成相同振动频率、以便在方形主体顶端中心点耦合出椭圆运动的圆形通孔40；位于奇数层的内电极由第一电极分区211和第二电极分区212组成，第一电极分区211和第二电极分区212以圆形通孔40圆心为中心对称分布，并且第一电极分区211和第二电极分区212上均设有与圆形通孔40部分弧形边轮廓相同的弧形槽21；而位于偶数层的内电极上则开设有位置与圆形通孔对应并且尺寸与圆形通孔尺寸相同的圆孔22。
所述外电极3为三个，分设在方形主体1三个外侧面上，其中一个外电极同时与所有偶数层的内电极接触；第二个外电极同时与所有奇数层中的第一电极分区接触；第三个外电极同时与所有奇数层中的第二电极分区接触。
本新型压电陶瓷驱动器采用多层压电陶瓷层相互叠加成方形主体，在方形主体的各贴合层分别设内电极，并且位于奇数层的内电极设第一电极分区和第二电极分区，在方形主体的三个外侧面各设一个外电极，并且三个外电极分别与第一电极分区、第二电极分区和位于偶数层的内电极相连接，同时在方形主体中心设用于将不同振动模式调节成相同振动频率、以便在方形主体顶端中心点耦合出椭圆运动的圆形通孔，如此在使用时，可将与偶数层内电极相连接的外电极接地，之后给剩余两个外电极中的任意一个外电极接入一定频率的低压交变电压，由于压电效应，本新型压电陶瓷驱动器顶端中心点处会耦合出一个椭圆运动，本新型压电陶瓷驱动器不仅驱动电压低，而且驱动电路也很电路简单。
如图4所示，本新型压电陶瓷驱动器的原理如下，将与偶数层内电极相连接的外电极接地，之后给剩余两个外电极中的任意一个外电极接入一定频率的低压交变电压，由于压电效应，会激励出图4(a)或者图4(b)所示的振动模式，通过圆形通孔的调节，最终两种振动模式的振动频率相同并同时被激励出来，如此本新型压电陶瓷驱动器顶端中心点处就会耦合出一个椭圆运动，本新型压电陶瓷驱动器采用上述结构不仅驱动电压低，驱动电路电路简单，而且功率密度高。
如图5所示，本超声电机包括前述压电陶瓷驱动器60，以及夹持固定装置50；所述压电陶瓷驱动器整体安装在夹持固定装置50中。采用上述结构能有效驱动滑块做直线运动，如此本超声电机不仅重量轻体积小，而且驱动电压低，运用于航空航天领域，可以极大地减少负重以及极大地节约空间，所节约成本可以以亿计，极具实用性，同时也极其适于在微机械、机器人、医疗器械、镜头变焦等需精密驱动的领域应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型压电陶瓷驱动器，其特征在于：包括由至少三层相互叠加的压电陶瓷层(10)构成的方形主体(1)，设置在相邻压电陶瓷层之间的内电极，以及设置在方形主体(1)外侧面并同时与所有内电极接触、用于输入电压时使不同压电陶瓷层激励出不同振动模式的外电极(3)；所述压电陶瓷层(10)中心位置设有用于将不同振动模式调节成相同振动频率、以便在方形主体顶端中心点耦合出椭圆运动的圆形通孔(40)；位于奇数层的内电极由第一电极分区(211)和第二电极分区(212)组成，第一电极分区(211)和第二电极分区(212)以圆形通孔(40)圆心为中心对称分布，并且第一电极分区(211)和第二电极分区(212)上均设有与圆形通孔(40)部分弧形边轮廓相同的弧形槽(21)；而位于偶数层的内电极上则开设有位置与圆形通孔对应并且尺寸与圆形通孔尺寸相同的圆孔(22)。
2.根据权利要求1所述的一种新型压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述外电极(3)为三个，分设在方形主体(1)三个外侧面上，其中一个外电极同时与所有偶数层的内电极接触；第二个外电极同时与所有奇数层中的第一电极分区接触；第三个外电极同时与所有奇数层中的第二电极分区接触。
3.一种超声电机，其特征在于：包括如权利要求1或2所述的压电陶瓷驱动器，以及夹持固定装置(50)；所述压电陶瓷驱动器整体安装在夹持固定装置(50)中。
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