CN110635713A - 压电陶瓷旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷旋转电机，壳体、电机转子、至少一对第一压电陶瓷位移驱动器和至少一对第二压电陶瓷位移驱动器。电机转子安装于壳体内，至少一对第一压电陶瓷位移驱动器关于电机转子对称布置并安装于壳体上，至少一对第二压电陶瓷位移驱动器关于电机转子对称布置并安装于壳体上，以及至少一对第一压电陶瓷位移驱动器的顶端与电机转子接触从而至少提供切向作用力以迫使电机转子旋转，至少一对第二压电陶瓷位移驱动器的顶端与电机转子接触并至少提供径向作用力和径向位移。本发明的压电陶瓷旋转电机具有结构简单、精度高的优点。

Description

压电陶瓷旋转电机

技术领域

本发明涉及集成电路装备制造领域，具体涉及一种压电陶瓷旋转电机。

背景技术

近年来，随着大规模集成电路器件集成度不断提高，工件台的精度需求不断提高，尤其是在光刻机和膜厚检测中的载台以及物镜的调控等模块的运动精度，运动行程随着工件台需求的提高而逐年提升。位移驱动技术也在不断的改进，使压电陶瓷微位移驱动器得到大量的应用。现阶段，在精密驱动中主要的方式有：机械丝杠、直线电机和压电陶瓷致动器，而在纳米级的位移驱动中主要是压电陶瓷位移驱动器。

某专利采用多个厚度位移叠堆的组合，形成对动子的加压和驱动动作，结构复杂，造价昂贵，制作工艺复杂，不容易商业化。

某专利利用四组厚度位移叠堆和切向位移叠堆的组合驱动中心轴步进式运动，这种叠堆在制作中切向压电叠堆在制作过程中工艺复杂，切需要有机胶体进行粘接，不能用共烧工艺实现，由于有机胶体的存在，使压电驱动器在抗时间老化和在较恶劣温度和光照环境下，很容易出现失效。

目前压电陶瓷直线电机主要应用如PI公司和PM公司，其切向位移的提供主要利用压电陶瓷的切向极化的压电陶瓷片提供，所以其制作必须要先制作出切向位移陶瓷片，再将陶瓷片进行有机胶层粘接，所以制作工艺复杂，且由于有机胶层的存在，导致其抗光照和耐温度老化特性受限，而切向压电陶瓷片在压电陶瓷特性退化后不可回复的特性也导致了这种压电陶瓷电机使用的受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电陶瓷旋转电机，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述压电陶瓷旋转电机包括壳体、电机转子、至少一对第一压电陶瓷位移驱动器和至少一对第二压电陶瓷位移驱动器，

所述电机转子安装于所述壳体内，

所述至少一对第一压电陶瓷位移驱动器关于所述电机转子对称布置并安装于所述壳体上，

所述至少一对第二压电陶瓷位移驱动器关于所述电机转子对称布置并安装于所述壳体上，以及

所述至少一对第一压电陶瓷位移驱动器的顶端与所述电机转子接触从而至少提供切向作用力以迫使所述电机转子旋转，所述至少一对第二压电陶瓷位移驱动器的顶端与所述电机转子接触并至少提供径向作用力和径向位移。

在一个实施例中，所述第一压电陶瓷位移驱动器包括弯曲位移叠堆和摆臂，所述弯曲位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成或多层共烧工艺直接制作而成，其中，所述弯曲位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖间隔开的电极层从而形成第一组电极层和第二组电极层。

在一个实施例中，所述第一压电陶瓷位移驱动器还包括厚度位移叠堆，所述厚度位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成或多层共烧工艺直接制作而成，所述厚度位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖全电极层，从而所述第一压电陶瓷位移驱动器还能够提供径向作用力和径向位移。

在一个实施例中，所述第二压电陶瓷位移驱动器包括厚度位移叠堆和摆臂，所述厚度位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成或多层共烧工艺直接制作而成，所述厚度位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖全电极层，使得所述第二压电陶瓷位移驱动器能够提供径向作用力和径向位移。

在一个实施例中，所述第二压电陶瓷位移驱动器还包括弯曲位移叠堆，所述弯曲位移叠堆安装于所述厚度位移叠堆与所述摆臂之间，使得所述第二压电陶瓷位移驱动器还能够提供切向作用力和切向位移。

在一个实施例中，所述压电陶瓷旋转电机包括两对第一压电陶瓷位移驱动器和两对第二压电陶瓷位移驱动器，其中一对第一压电陶瓷位移驱动器和一对第二压电陶瓷位移驱动器并排布置于所述电机转子与壳体之间，以及所述另一对第一压电陶瓷位移驱动器与所述另一第二压电陶瓷位移驱动器并排布置在壳体与电机转子之间，且所述一对第一压电陶瓷位移驱动器和一对第二压电陶瓷位移驱动器与所述另一对第一压电陶瓷位移驱动器与所述另一第二压电陶瓷位移驱动器相互垂直布置。

在一个实施例中，所述压电陶瓷旋转电机包括四对第一压电陶瓷驱动和四对第二压电陶瓷位移驱动器，所述四对第一压电陶瓷位移驱动器均匀布置在所述壳体与所述电机转子之间，所述四对第二压电陶瓷位移驱动器均匀布置在所述壳体与所述电机转子之间，且所述四对第一压电陶瓷位移驱动器与所述四对第二压电陶瓷位移驱动器排成两排。

在一个实施例中，所述压电陶瓷旋转电机包括四对第一压电陶瓷驱动和四对第二压电陶瓷位移驱动器，所述四对第一压电陶瓷位移驱动器沿所述电机转子的轴向方向排成四排，以及所述四对第二压电陶瓷位移驱动器沿所述电机转子的轴向排成四排，且所述第一压电陶瓷位移驱动器与所述第二压电陶瓷位移驱动器相互垂直。

在一个实施例中，所述壳体为圆形壳体、矩形壳体和/或多边形壳体。

在一个实施例中，所述摆臂的一端与所述转子接触，以及所述摆臂的另一端与所述弯曲位移叠堆或厚度位移叠堆接触，所述厚度位移叠堆用于使所述转子未进行动作时所述摆臂与所述转子的分离，而在所述转子在进行动作时，使所述摆臂与所述转子接触并施加压力。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的一端连接所述弯曲位移叠堆，以及所述厚度位移叠堆的另一端连接所述摆臂。

在一个实施例中，所述弯曲位移叠堆的一端连接所述厚度位移叠堆，以及所述弯曲位移叠堆的另一端连接所述摆臂。

在一个实施例中，所述摆臂的一端连接厚度位移叠堆，以及所述摆臂的另一端连接所述弯曲位移叠堆。

在一个实施例中，所述压电陶瓷位移驱动器包括多个所述弯曲位移叠堆和 /或多个所述厚度位移叠堆。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是共烧叠堆，和/或所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是有机胶粘剂粘接叠堆，和/或所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是玻璃浆料烧结工艺形成的叠堆。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂之间的连接是共烧连接、和/或有机胶黏剂粘接连接、和/或玻璃浆料烧结工艺连接。

在一个实施例中，所述摆臂的截面形状为矩形、三角形、半球形、倒T 形和/或所述摆臂的底面为方形而顶部为圆弧形、半球形和/或倒T形；

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的电极层是完全电极的或所述电极层的边缘距离陶瓷边缘间距位于0-1mm之间；

在一个实施例中，所述弯曲位移叠堆的电极层是由分割开的两部分或多个部分的分割电极组成，其中两部分内电极的距离间隙位于0.1mm-2mm之间；

在一个实施例中，所述压电陶瓷位移驱动器的截面边长范围位于 1mm-50mm之间；

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的高度位于0.1mm-100mm之间；

在一个实施例中，所述弯曲叠堆的高度可以位于0.1mm-100mm之间；

在一个实施例中，所述摆臂的高度位于0.1mm-100mm之间。

根据本发明的另一方面，提供了一种压电陶瓷旋转电机，所述压电陶瓷旋转电机包括壳体、电机转子、至少一对第一压电陶瓷位移驱动器和至少一对第二压电陶瓷位移驱动器，所述电机转子安装于所述壳体内，

所述至少一对第一压电陶瓷位移驱动器关于所述电机转子对称布置并安装于所述电机转子上，所述至少一对第二压电陶瓷位移驱动器关于所述电机转子对称布置并安装于所述电机转子上，

所述至少一对第一压电陶瓷位移驱动器的顶端与所述壳体接触从而至少提供切向作用力和切向位移以驱使所述电机转子旋转，以及所述至少一对第二压电陶瓷位移驱动器的顶端与所述壳体接触从而至少提供径向作用力和径向位移。

本发明实现压电陶瓷电机的高精度位移，并使得压电陶瓷电机具有高驱动作用力，解决现有技术中压电陶瓷电机的耐光照、温度老化等环境特性问题，以及解决了现有技术中压电陶瓷旋转电机的切向位移叠堆在性能退化后无法回复电性能的问题。

附图说明

图1a是本发明实施例1的压电陶瓷旋转电机的剖视示意图。

图1b是图1的压电陶瓷旋转电机沿水平方向剖开的剖视示意图。

图2是本发明第一实施例的压电陶瓷位移驱动器截面示意图。

图3a-d示出图2的压电陶瓷位移驱动器的动作的示意图。

图4a-d是图2的压电陶瓷位移驱动器的电极层极化方向和电场施加状态示意图。

图5是本发明第二实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图6是本发明第三实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图7是图5的弯曲位移叠堆的电极层的电极结构示意图。

图8是本发明第四实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图9是本发明第五实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图10是本发明第一压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图11是本发明第二压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图12a-12f对本发明一实施例的高精度的压电陶瓷旋转电机的运动过程进行图示说明。

图13是本发明另一实施例的压电陶瓷旋转电机的布置示意图。

图14是图13沿水平方向剖开的布置示意图。

图15a-15f图示另一实施例的压电陶瓷旋转电机的运行过程。

图16a是另一实施例的压电陶瓷旋转电机正面剖开的布置示意图。

图16b是图16a的压电陶瓷旋转电机水平剖开的布置示意图。

图17a是另一实施例的压电陶瓷旋转电机正面剖开的布置示意图。

图17b是图17a的压电陶瓷旋转电机水平剖开的布置示意图。

图18a是另一实施例的压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图。

图18b是图18a的压电陶瓷旋转电机沿水平方向剖开的布置示意图。

图19a是另一实施例的压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图。

图19b是图19a的压电陶瓷旋转电机沿水平方向剖开的布置示意图。

图20a是另一实施例的压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图。

图20b是图20a的压电陶瓷旋转电机沿水平方向剖开的布置示意图。

图21a是另一实施例的压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图。

图21b是图21a的压电陶瓷旋转电机沿水平方向剖开的布置示意图。

图22a是另一实施例的压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图。

图22b是图22a的压电陶瓷旋转电机沿水平方向剖开的布置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况下来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

根据本发明的一方面，可以解决现有压电陶瓷旋转电机结构复杂，不容易实现商业化使用，或制造工艺复杂，成本高的问题。根据本发明的另一个方面，还可以解决现有压电陶瓷旋转电机切向位移叠堆必须要使用有机胶体粘接制作，使电机在对抗有机胶体的抗光照和温度老化等环境特性寿命较短的问题。根据本发明的另一方面，还可以解决现有压电陶瓷旋转电机切向位移叠堆无法在性能退极化后通过加电恢复电性能的问题。根据本发明的另一方面，还可以解决现有技术中压电陶瓷切向位移低电压驱动形成大行程的问题。

本发明总体上涉及一种压电陶瓷旋转电机，包括壳体、电机转子、至少一对第一压电陶瓷位移驱动器和至少一对第二压电陶瓷位移驱动器。电机转子可转动地安装于壳体内，至少一对第一压电陶瓷位移驱动器关于电机转子对称布置并安装于壳体上。至少一对第二压电陶瓷位移驱动器关于电机转子对称布置并安装于壳体上。至少一对第一压电陶瓷位移驱动器的顶端与电机转子接触从而至少提供切向作用力和切向位移。至少一对第二压电陶瓷位移驱动器的顶端与电机转子接触从而至少提供径向作用力和径向位移。

在一个实施例中，第一压电陶瓷位移驱动器包括弯曲位移叠堆和摆臂。弯曲位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成或多层共烧工艺直接制作而成。弯曲位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖间隔开的电极层从而形成第一组电极层和第二组电极层。

本发明主的压电陶瓷旋转电机主要采用至少一对压电陶瓷位移驱动器通过施加电场，提供径向位移，使另外至少一对压电陶瓷位移驱动器脱离与电机转子的接触，然后再施加电场使这对接触电机转子的压电陶瓷位移驱动器分别沿同一直线上的相反方向运动至想要的位置，然后去除厚度位移的叠堆上施加的电场，使电机转子与另外一组压电陶瓷位移驱动器的摆臂接触，并摆臂和电机之间有10-10000N的压力，然后改变施加电场，使压电驱动器摆臂切向运动，通过摆臂和电机转子之间的静摩擦力将摆臂的切向作用力施加在电机转子上，使电机转子随着摆臂向其摆动方向运动。

实施例1

图1a是本发明实施例1的压电陶瓷旋转电机100的剖视示意图，图1b是图1的压电陶瓷旋转电机100沿水平方向剖开的剖视示意图。如图1a-b所示，压电陶瓷旋转电机100包括壳体(即电机定子)10、电子电机转子20、一对第一压电陶瓷位移驱动器30以及一对第二压电陶瓷位移驱动器40。如图2所示，第一压电陶瓷位移驱动器30和第二压电陶瓷位移驱动器40的后端连接在壳体10上，前端与电机转子接触。一对第一压电陶瓷驱动30对称布置在电机转子 20的两侧，一对第二压电陶瓷位移驱动器40也对称布置在电机转子20的两侧，并且一对第一压电陶瓷位移驱动器30和一对第二压电陶瓷位移驱动器40布置在壳体10内的相同高度并并排排列。

下面结合图2-9对发明的高精度的纳米位移直线步进电机的各种类型的压电陶瓷驱动器(可以是第一压电陶瓷驱动器，也可以是第二压电陶瓷驱动器) 进行详细说明。

图2是本发明第一实施例的高精度的压电陶瓷位移驱动器截面示意图。图3a-d示出图2的压电陶瓷位移驱动器的动作的示意图，图4a-d是图2的压电陶瓷位移驱动器的电极层极化方向和电场施加状态示意图。如图2-4所示，压电陶瓷位移驱动器包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102、摆臂103。其中厚度位移叠堆101连接底座300、摆臂103接触动子200。其中厚度位移叠堆由10层0.5mm厚度压电陶瓷片106上下面覆着全电极层107组合而成，相邻两片压电陶瓷片106的极化方向相反，如图4a-4d所示。

弯曲位移叠堆102由10层厚度为0.5mm压电陶瓷片106堆叠组成，上下表面分别覆着分割电极108a和108b组成，同一片压电陶瓷片的两部分电极108a和108b的极化方向相同，相邻两片压电陶瓷的极化方向相反，如图4a-4d所示，分割电极108a和108b之间有一定的间隙，该间隙距离例如可以为1mm。摆臂103底面为正方形，边长为10mm，摆臂103的的高度为5arctan60°。

在本发明的压电陶瓷位移驱动器的第一实施例中，初始状态如图3a所示，压电陶瓷位移驱动器与底座300连接，而摆臂103端面与动子200相距一定的距离，大约5um；厚度位移叠堆101和弯曲位移叠堆102均不不施加电场；第二步，对弯曲位移叠堆102的电极108a部分施加电场E，使瓷片弯曲的程度达到最大，再对厚度位移叠堆101施加电场E，使摆臂103的端点接触动子200并施加一定的压力，如图3b所示；第三步，对弯曲位移叠堆102的电极108b部分施加电场E，直到与108a部分施加的电场一致，驱动摆臂103回复到中间位置，同时推动动子200往右移动，厚度位移叠堆101施加电场E，保持摆臂103对动子200施加的压力，如图3c所示；第四步，减小向电极108a施加的电场，使弯曲位移叠堆102向右弯曲摆动，推动动子200继续向右运动，厚度位移叠101施加电场，保持摆臂对动子施加的压力，如图3d所示；第五步，去除施加在厚度位移叠堆101上的电场，使摆臂103脱离与动子200的接触，然后去除施加在弯曲位移叠堆102 上的电场，使压电陶瓷位移驱动器最终回复到如图3a所示的初始状态。

在第一实施例中，可以达到的最大摆动位移的大小由压电陶瓷的性能特性和摆臂的位移放大倍率决定，本实施例中，压电陶瓷可以达到的位移大小为瓷片高度的0.1％，摆动臂的放大倍率为1倍，由施加在电极106上的最大电压决定；在本实例中半摆动的最大位移量为5um，而全摆动的最大位移量为10um。

本实施例中，厚度位移叠堆可以提供的最大推力为4000牛，而弯曲位移叠堆的最大推力为1800牛，所以本压电陶瓷位移驱动器可以输出的最大驱动力不大于1800牛；实际驱动力取决于动子与摆臂的接触面的静摩擦系数和厚度位移叠堆驱动的摆臂对动子的垂直方向的推力的乘积，本实例可提供的最大推力为800牛。

图5是本发明第二实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图，如图5所示，本实施例的压电陶瓷位移驱动器包括弯曲位移叠堆102、厚度位移叠堆 101以及摆臂103，其中，弯曲位移叠堆102的一端连接底座300，弯曲位移叠堆103的另一端连接了厚度位移叠堆101，厚度位移叠堆101再连接摆臂103。弯曲位移叠堆的高度为6mm，厚度位移叠堆的高度为10mm，摆臂的高度为2mm，堆叠形成弯曲位移叠堆102和厚度位移叠堆101的瓷片截面为边长10mm的正方形。由于弯曲位移叠堆102在动作时，厚度位移叠堆101也呈现为摆臂的作用，使本发明的摆动位移放大倍率为1.3倍，所以本实施例的压电陶瓷位移驱动器的单步最大驱动位移为13um。

本实施例与第一实施例的区别在于弯曲位移叠堆与厚度位移叠堆的位置，第一实施例中弯曲位移叠堆位于厚度位移叠堆与拍动臂之间，而第二实施例中是厚度位移叠堆位于弯曲位移叠堆与摆臂之间，具体的弯曲位移叠堆102和厚度位移叠堆101的结构与第一实施例的相同，此处不再赘述。

图6是本发明第三实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图，图7是图6的弯曲位移叠堆的电极层的电极结构示意图。如图6-7所示，在本实施例中，压电陶瓷位移驱动器仍然包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102以及摆臂104。其中厚度位移叠堆101用于连接底座、摆臂104接触动子。在实施例中，主要区别在于电极层的结构，如图7所示，电极层包括间隔开的电极层109a、109b、109c和109，电极层109a、109b、109c和109d为扇形结构，每一个电极与另一个电极都间隔开。

运行时，弯曲位移叠堆可以通过对电极层109a和109d施加正位移电场，而对电极层109b和109c则不施加电场或施加相反方向的电场，从而使叠堆形成向左方向的摆动；或通过对电极层109b和109c施加正位移电场，而对电极层109a和109d不施加电场或施加相反方向的电场，从而形成向右方向的摆动；或通过对电极层109a和109b施加正位移电场，而对电极层109c和109d不施加电场或施加相反方向的电场，从而使叠堆形成向后(图7中朝向上方)方向的摆动；或通过对电极层109c和109d施加正位移电场，而对电极层109a和109b不施加电场或施加相反方向的电场，从而形成向前方向的摆动。因此，本实施例的压电陶瓷位移驱动器可以实现通过一个弯曲位移叠堆控制X和Y方向两个自由度的位移控制。

图8是本发明第四实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。如图 8所示，压电陶瓷位移驱动器包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102和摆臂105。其中厚度位移叠堆101和弯曲位移叠堆102的结构与第一实施例的相同，在此不再累述。如图8所示，摆臂105为圆柱状，在其上端面设有凹槽105a，动子200的下底面伸出凸出球201，凸出球201与凹槽105a 配合，从而弯曲位移叠堆102的摆动提供的轴向驱动力可以通过摆臂105 结构传递，直接对动子200的结构201进行推动，使动子200进行动作。

在本实施例中，摆臂105对动子200的作用并不是通过静摩擦力的方式，而是通过摆臂105上的凹槽105a和动子200上的突出球201配合，从而通过弯曲位移叠堆的摆动直接驱动动子的运动，因此，压电陶瓷位移驱动器并不局限于静摩擦力的驱动方式。

图9是本发明第五实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。如图9所示，压电陶瓷位移驱动器包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102和摆臂106。其中厚度位移叠堆101和弯曲位移叠堆102的结构与第一实施例的相同，在此不再累述。本实施例与上述实施例的区别主要在于摆臂106的结构。在本实施例中，摆臂106为圆柱形，并在上表面上设有凸出部106a，凸出部106a与动子接触并驱动动子运动。在弯曲位移叠堆102弯曲动作时驱动摆臂106轴向位移的运动，从而使摆臂能输出轴向的位移和推力。本领域的技术人员可以理解，摆臂106的结构可以是如图所示的T型结构，然而，摆臂的形状也可以是别的形状的结构，而不局限于三角形，半球形， T形等。

图10是本发明第一压电陶瓷位移驱动器30的结构示意图，图11是本发明第二压电陶瓷位移驱动器40的结构示意图。如图10-11所示，第一压电陶瓷位移驱动器30包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102和摆臂103。厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102和摆臂103形成一个可以提供切向和径向位移的压电陶瓷位移驱动器。第二压电陶瓷位移驱动器40包括厚度位移叠堆101和摆臂103。厚度位移叠堆和摆臂形成一个提供径向位移的压电陶瓷位移驱动器。

下面结合图12a-12f对压电陶瓷旋转电机100的运行过程进行说明。图 12a-12f示出了压电陶瓷旋转电机100的一个运行周期，在图12a-12f中，为了能够更清楚地说明压电陶瓷旋转电机100的运行过程以及能展示具体各压电陶瓷位移驱动器的动作状态，将一对第二压电陶瓷位移驱动器40逆时针旋转90 度示出。

如图12a-12f所示，初始状态为图1-2所示，第一压电陶瓷位移驱动器30 和第二压电陶瓷位移驱动器40的前端面与电机转子20接触，并由壳体10提供一定的预压力。

动作一如图12a-12f所示，对一对第二压电陶瓷位移驱动器40施加电场，使第二压电陶瓷位移驱动器40伸长(原理参见上文关于压电陶瓷位移驱动器部分的描述)，使一对第一压电陶瓷位移驱动器30的摆臂与电机转子20的接触面脱离开。

动作二如图12b所示，对一对第一压电陶瓷位移驱动器30的弯曲位移叠堆分别施加电场，使图一对压电陶瓷位移驱动器30的弯曲位移叠堆分别向上和向下弯曲，并使得一对压电陶瓷位移驱动器30的摆臂分别向上和下摆动。

动作三如图12c所示，将第二压电陶瓷位移驱动器40上施加的电场降低到0V，并对第一压电陶瓷位移驱动器30上的厚度位移叠堆施加电场，使第一压电陶瓷位移驱动器30的摆臂接触电机转子20，第二压电陶瓷位移驱动器40 的摆臂脱离与电机转子20的接触。

动作四如图12d所示，对施加在第一压电陶瓷位移驱动器30的弯曲位移叠堆上的电场进行调整，使位于左侧的第一压电陶瓷位移驱动器30的弯曲位移叠堆和位于右侧的第一压电陶瓷位移驱动器30的弯曲位移叠堆分别向下和下上摆动(原理参见上文关于压电陶瓷位移驱动器部分的描述)，在此过程中，由于第一压电陶瓷位移驱动器30的摆臂一直与电机转子保持接触，从而在摩擦力的作用下，电机转子20逆时针旋转。通过细分控制电场可以将弯曲位移叠堆的切向位移d等分为1nm的位移，从而实现纳米转动位移量精度的控制。

在达到需要的位移时，进行动作五，如图12e所示停止对第一压电陶瓷位移驱动器30施加电场的调整，而对第二压电陶瓷位移驱动器40施加电场，固定电机转子的位置，然后把对第一压电陶瓷位移驱动器30上施加的电场降为 0v，达到如图12f所示的状态。

如停止动作，可以停止施加在压电陶瓷位移驱动器上的电场，回复到图 10-11所示的状态。本电机可以通过如上所述的步骤连续动作使电机转子达到所要求的位置，在无动作时可以通过壳体的预紧力固定压电陶瓷电机转子。

实施例2

图13是本发明实施例2的压电陶瓷旋转电机的结构示意图。图14是图13沿水平方向剖开的剖视示意图。实施例2与实施例1的区别在于，实施例2 的压电陶瓷旋转电机包括四对八个压电压电陶瓷位移驱动器30，也就是说，在实施例2中，第一压电陶瓷位移驱动器和第二压电陶瓷位移驱动器都包括弯曲位移叠堆。

如图13-14所示，两对压电陶瓷位移驱动器水平并排排列在壳体10的同一个高度，另外两对压电陶瓷位移驱动器竖直并排排列在壳体10内。与实施例1相比，多出了两对竖直排列的压电陶瓷位移驱动器。

下面结合图15a-15f对实施例2的压电陶瓷旋转电机的运行过程进行说明。

在运行过程中，并排排列的两对压电陶瓷位移驱动器动作一致，下面以排列在前排的两对四个压电陶瓷位移驱动器的动作为例进行说明，和前排的两对四个压电陶瓷驱动并排排列的后排的两对四个压电陶瓷驱动在图15a-15f中被排列在前面的压电陶瓷位移驱动器遮挡不可见，但是应理解其每一个压电陶瓷位移驱动器的动作顺序与其正前方的压电陶瓷位移驱动器的动作一致。

初始状态为图13-14所示，八个压电陶瓷位移驱动器的端面与电机转子20 接触，并由壳体10提供一定的压力。

动作一如图15a所示，对竖直排列的两对压电陶瓷位移驱动器施加电场，使竖直排列的两对压电陶瓷位移驱动器伸长(原理参见上文关于压电陶瓷位移驱动器部分的描述)，使水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器的摆臂与电机转子的接触面脱离开。

动作二如图15b所示，对水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器的弯曲位移叠堆分别施加电场，使水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器的弯曲位移叠堆分别向上和向下弯曲，从而使得水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器的摆臂分别向上和下摆动。

动作三如图15c所示，将竖直排列的两对压电陶瓷位移驱动器上施加的电场降低到0V，并对水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器上的厚度位移叠堆施加电场，使水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器的摆臂接触电机转子，水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器的摆臂脱离与电机转子的接触。

动作四如图15d所示，对施加在水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器的弯曲位移叠堆上的电场进行调整，使位于左侧的两个压电陶瓷位移驱动器的弯曲位移叠堆和位于右侧的两个压电陶瓷位移驱动器的弯曲位移叠堆分别向下和下上摆动(原理参见上文关于压电陶瓷位移驱动器部分的描述)，在此过程中，由于水平排列的两对四个压电陶瓷位移驱动器的摆臂一直与电机转子20保持接触，从而在摩擦力的作用下，带动电子电机转子20逆时针旋转。通过细分控制电场可以将弯曲位移叠堆的切向位移d等分为1nm的位移，从而实现纳米转动位移量精度的控制。

在达到需要的位移时，进行动作五，如图15e所示停止对水平排列的压电陶瓷位移驱动器施加电场的调整，而对竖直排列的两对压电陶瓷位移驱动器施加电场，固定电机转子的位置，然后把对水平排列的两对压电陶瓷位移驱动器上施加的电场降为0v，达到如图15f所示的状态。

如停止动作，可以停止施加在压电陶瓷位移驱动器上的电场，回复到图 13-14所示的状态。本旋转电机可以通过如上所述的步骤连续动作使电机转子达到所要求的位置，在无动作时可以通过壳体的预紧力固定压电陶瓷电机转子。

实施例3

该发明的实施例3的结构示意如图16a-b所示，图16a是正面剖开的剖视示意图，图16b是水平剖开的剖面示意图。实施例3的压电陶瓷旋转电机包括八对十六个压电陶瓷位移驱动器，这十六个压电陶瓷位移驱动器分前后两排布置，每一排的八个电机均匀布置在壳体10和电机转子20之间。每一个压压电陶瓷位移驱动器的结构相同，都包括弯曲位移叠堆、厚度位移叠堆以及摆臂。也就是说，第一压电陶瓷位移驱动器和第二压电陶瓷位移驱动器的结构相同。

运行时使排列在同一排的压电陶瓷位移驱动器的动作一致或任意相对压电陶瓷位移驱动器为一对相同动作压电陶瓷位移驱动器，相邻的压电陶瓷位移驱动器交替驱动动作。

本领域的技术人员可以理解，上述布置方式仅仅是一种示例，沿壳体圆周方向不限定压电陶瓷位移驱动器的具体数量，可根据驱动力的需要，增加压电陶瓷位移驱动器组。

实施例4

实施例4的示意布置图如图17a-b所示，图17a是正面剖开的布置示意图，图17b是水平剖开的布置示意图。实施例4的压电陶瓷旋转电机包括结构相同的八对十六个压电陶瓷位移驱动器。这八对十六个压电陶瓷位移驱动器前后排列成4排，每一排包括两对四个压电陶瓷位移驱动器。每一排的压电陶瓷位移驱动器的布置方式与实施例2的压电陶瓷位移驱动器的布置方式相同，运行方式也相同，只不过在实施例4中，位于前后同一高度位置的四个压电陶瓷位移驱动器动作一致即可。也可以任意相对压电陶瓷位移驱动器为一对相同动作压电陶瓷位移驱动器，相邻的压电陶瓷位移驱动器交替驱动动作。

本领域的技术人员可以理解，上述布置方式仅仅是一种示例，压电陶瓷位移驱动器在轴向上不限具体数量，可根据驱动力的需要，增加压电陶瓷位移驱动器即可。

实施例5-6

实施例5的压电陶瓷旋转电机如图18a-b所示，图18a是压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图，图18b是沿水平方向剖开的布置示意图。实施例 6的压电陶瓷旋转电机如图19a-b所示，图19a是压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图，图19b是沿水平方向剖开的布置示意图。

实施例5-6与实施例2的区别在于壳体的形状的改变，其中实施例5为矩形壳体，实施例6为八边形壳体。实施例5和6的其他方面参见实施例2的相关描述。

实施例7

实施例7的压电陶瓷旋转电机如图20a-b所示。图20a是压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图，图20b是沿水平方向剖开的布置示意图。如图 19a-b所示，压电陶瓷旋转电机包括：壳体10、电机转子20以及四对八个压电陶瓷位移驱动器。该八压电陶瓷位移驱动器的结构一致，都包括厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂。也就是说，在本实施例中，第一压电陶瓷位移驱动器和第二压电陶瓷位移驱动器相同。

实施例7与实施例2的区别在于，实施例7的压电陶瓷位移驱动器的后端安装在电机转子20上，压电陶瓷位移驱动器前端安装在壳体上，运行时压电陶瓷位移驱动器的摆臂接触壳体20，通过静摩擦力驱动电机转子20旋转。

实施例8

实施例8的压电陶瓷旋转电机如图21a-b所示，图21a是压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图，图21b是沿水平方向剖开的布置示意图。如图 21a-b所示，压电陶瓷旋转电机包括：壳体10、电机转子20、四对八个压电陶瓷位移驱动器30。八个压电陶瓷位移驱动器的结构一致，包括厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂。也就是说，在本实施例中，第一压电陶瓷位移驱动器和第二压电陶瓷位移驱动器相同。

实施例8与实施例7的区别在于，压电陶瓷位移驱动器的后端安装在转子 30的平台上，运行时压电陶瓷位移驱动器的摆臂接触壳体10，通过精摩擦力驱动电机转子20旋转。

通过实施例7和8可以看出，本发明的压电陶瓷位移驱动器安装在电机转子20上时，不限于电机转子20的外形，只需要保证压电陶瓷位移驱动器动作时，能使摆臂作用在壳体10上，驱动电机转子20与压电陶瓷位移驱动器一起旋转。

实施例9

该发明的实施例9的结构示意如图22a-b所示，图22a是压电陶瓷旋转电机沿正面剖开的布置示意图，图22b是沿水平方向剖开的布置示意图。实施例 9的压电陶瓷旋转电机包括壳体10、电机转子20、以及四对八个压电陶瓷位移驱动器。四对八个压电陶瓷位移驱动器的结构一致，包括厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂。也就是说，在本实施例中，第一压电陶瓷位移驱动器和第二压电陶瓷位移驱动器相同。

与实施例2相比，实施例5改变了压电陶瓷位移驱动器的摆臂，使摆臂与转子程是线接触而不再是点接触。

本领域的技术人员可以理解，压电陶瓷位移驱动器摆臂的形状不拘泥于弧形，可依据需要进行设计调整。参见上文压电陶瓷位移驱动器部分的相关描述。

以上描述了本发明的压电陶瓷旋转电机以及压电陶瓷位移驱动器的各种实施例。虽然实施例中的压电陶瓷旋转电机仅就一两种压电陶瓷位移驱动器进行说明，但是本领域的技术人员应理解，本发明的各实施例中的各种压电陶瓷位移驱动器都可以应用于各实施例的压电陶瓷旋转电机中。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述压电陶瓷旋转电机包括壳体、电机转子、至少一对第一压电陶瓷位移驱动器和至少一对第二压电陶瓷位移驱动器，

所述电机转子安装于所述壳体内，

所述至少一对第一压电陶瓷位移驱动器关于所述电机转子对称布置并安装于所述壳体上，

所述至少一对第二压电陶瓷位移驱动器关于所述电机转子对称布置并安装于所述壳体上，以及

所述至少一对第一压电陶瓷位移驱动器的顶端与所述电机转子接触从而至少提供切向作用力以迫使所述电机转子旋转，所述至少一对第二压电陶瓷位移驱动器的顶端与所述电机转子接触并至少提供径向作用力和径向位移。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述第一压电陶瓷位移驱动器包括弯曲位移叠堆和摆臂，所述弯曲位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成或多层共烧工艺直接制作而成，其中，所述弯曲位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖间隔开的电极层从而形成第一组电极层和第二组电极层。

3.根据权利要求2所述的压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述第一压电陶瓷位移驱动器还包括厚度位移叠堆，所述厚度位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成或多层共烧工艺直接制作而成，所述厚度位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖全电极层，从而所述第一压电陶瓷位移驱动器还能够提供径向作用力和径向位移。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述第二压电陶瓷位移驱动器包括厚度位移叠堆和摆臂，所述厚度位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成或多层共烧工艺直接制作而成，所述厚度位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖全电极层，使得所述第二压电陶瓷位移驱动器能够提供径向作用力和径向位移。

5.根据权利要求4所述的压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述第二压电陶瓷位移驱动器还包括弯曲位移叠堆，所述弯曲位移叠堆安装于所述厚度位移叠堆与所述摆臂之间，使得所述第二压电陶瓷位移驱动器还能够提供切向作用力和切向位移。

6.根据权利要求1所述的压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述压电陶瓷旋转电机包括两对第一压电陶瓷位移驱动器和两对第二压电陶瓷位移驱动器，其中一对第一压电陶瓷位移驱动器和一对第二压电陶瓷位移驱动器并排布置于所述电机转子与壳体之间，以及另一对第一压电陶瓷位移驱动器与另一对第二压电陶瓷位移驱动器并排布置在壳体与电机转子之间，且所述一对第一压电陶瓷位移驱动器和一对第二压电陶瓷位移驱动器与所述另一对第一压电陶瓷位移驱动器与所述另一第二压电陶瓷位移驱动器相互垂直布置。

7.根据权利要求1所述的压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述压电陶瓷旋转电机包括四对第一压电陶瓷驱动和四对第二压电陶瓷位移驱动器，所述四对第一压电陶瓷位移驱动器均匀布置在所述壳体与所述电机转子之间，所述四对第二压电陶瓷位移驱动器均匀布置在所述壳体与所述电机转子之间，且所述四对第一压电陶瓷位移驱动器与所述四对第二压电陶瓷位移驱动器排成两排。

8.根据权利要求1所述的压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述压电陶瓷旋转电机包括四对第一压电陶瓷驱动和四对第二压电陶瓷位移驱动器，所述四对第一压电陶瓷位移驱动器沿所述电机转子的轴向方向排成四排，以及所述四对第二压电陶瓷位移驱动器沿所述电机转子的轴向排成四排，且所述第一压电陶瓷位移驱动器与所述第二压电陶瓷位移驱动器相互垂直。

9.根据权利要求1所述的压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述壳体为圆形壳体、矩形壳体和/或多边形壳体。

在一个实施例中，所述摆臂的一端与所述转子接触，以及所述摆臂的另一端与所述弯曲位移叠堆或厚度位移叠堆接触，所述厚度位移叠堆用于使所述转子未进行动作时所述摆臂与所述转子的分离，而在所述转子在进行动作时，使所述摆臂与所述转子接触并施加压力。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的一端连接所述弯曲位移叠堆，以及所述厚度位移叠堆的另一端连接所述摆臂。

在一个实施例中，所述弯曲位移叠堆的一端连接所述厚度位移叠堆，以及所述弯曲位移叠堆的另一端连接所述摆臂。

在一个实施例中，所述摆臂的一端连接厚度位移叠堆，以及所述摆臂的另一端连接所述弯曲位移叠堆。

在一个实施例中，所述压电陶瓷位移驱动器包括多个所述弯曲位移叠堆和/或多个所述厚度位移叠堆。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是共烧叠堆，和/或所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是有机胶粘剂粘接叠堆，和/或所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是玻璃浆料烧结工艺形成的叠堆。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂之间的连接是共烧连接、和/或有机胶黏剂粘接连接、和/或玻璃浆料烧结工艺连接。

在一个实施例中，所述摆臂的截面形状为矩形、三角形、半球形、倒T形和/或所述摆臂的底面为方形而顶部为圆弧形、半球形和/或倒T形；

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的电极层是完全电极的或所述电极层的边缘距离陶瓷边缘间距位于0-1mm之间；

在一个实施例中，所述弯曲位移叠堆的电极层是由分割开的两部分或多个部分的分割电极组成，其中两部分内电极的距离间隙位于0.1mm-2mm之间；

在一个实施例中，所述压电陶瓷位移驱动器的截面边长范围位于1mm-50mm之间；

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的高度位于0.1mm-100mm之间；

在一个实施例中，所述弯曲叠堆的高度可以位于0.1mm-100mm之间；

在一个实施例中，所述摆臂的高度位于0.1mm-100mm之间。

10.一种压电陶瓷旋转电机，其特征在于，所述压电陶瓷旋转电机包括壳体、电机转子、至少一对第一压电陶瓷位移驱动器和至少一对第二压电陶瓷位移驱动器，所述电机转子安装于所述壳体内，

所述至少一对第一压电陶瓷位移驱动器关于所述电机转子对称布置并安装于所述电机转子上，所述至少一对第二压电陶瓷位移驱动器关于所述电机转子对称布置并安装于所述电机转子上，

所述至少一对第一压电陶瓷位移驱动器的顶端与所述壳体接触从而至少提供切向作用力和切向位移以驱使所述电机转子旋转，以及所述至少一对第二压电陶瓷位移驱动器的顶端与所述壳体接触从而至少提供径向作用力和径向位移。

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