CN113135548A - 一种压电微机械执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电微机械执行器，属于压电微机械技术领域，解决了现有技术中的压电微机械执行器在工作中输出位移性能受限的问题，本发明包括基座，所述基座内部连接有对称的两个驱动台，所述两个驱动台分别连接有两弹簧梁，两弹簧梁连接有同一位移台，所述位移台的底面上连接有质量块，位移台与基座相对的两侧上开设有多个通气槽，所述通气槽相对的基座上连接有与通气槽数量匹配的调节柱。本发明设计了质量块/位移台、弹簧梁、驱动台为核心的三级位移放大机构，提高了压电微机械执行器的输出性能。
Description
技术领域
本发明属于压电微机械技术领域，具体涉及一种压电微机械执行器。
背景技术
压电微机械执行器是一种微纳尺寸下的机械执行机构，通过压电材料的压电效应，在电 学激励下，使执行器的机械部件产生轴向位移或角度偏转，进而对外输出位移、偏转角度、 加速度或角速度，用于各种传感器和执行器系统。
现有的压电微机械执行器在工作中，由于执行器机械结构设计、空气压膜阻尼、激励电 极布局、材料性能限制、加工工艺及封装手段等原因，导致压电微机械执行器的各项性能 受限，如各项输出性能、自由度、功耗、兼容性等。其中，以输出位移、偏转角度、加速度或角速度为代表的压电微机械执行器核心性能的提升，是压电微机械执行器的主要关注指标。相比于材料、工艺和封装等难以把控的外部因素，从微机械结构设计上来提升器件本身性能的上限，是新型压电微机械执行器的核心设计思路。
发明内容
本发明的目的在于：
为解决现有技术中的压电微机械执行器在工作中输出位移性能受限的问题，提供一种压 电微机械执行器。
本发明采用的技术方案如下：
一种压电微机械执行器，包括基座，所述基座内部连接有对称的两个驱动台，所述两个 驱动台分别连接有两弹簧梁，两弹簧梁连接有同一位移台，所述位移台的底面上连接有质 量块，位移台与基座相对的两侧上开设有多个通气槽，所述通气槽相对的基座上连接有与 通气槽数量匹配的调节柱。
质量块的尺寸和厚度，可以根据需要进行调整，质量块的作用是提高位移台的振动幅度。 位移台是该压电微机械执行器主要可动部件，是器件输出性能的主要区域。
弹簧梁的主要作用是降低系统的刚度，使位移台有更大振动位移。
驱动台主要是为弹簧梁和基座提供一个连接区域，避免较细的弹簧梁直接和基座相连， 造成断裂。此外，驱动台是激励电极的分布区域，激励电极的设计对位移台的运动方式有 较大影响。
进一步地，所述基座由从上至下的外圈第一结构层、外圈压电层和第二结构层依次连接 组成，所述驱动台、弹簧梁和位移台均由内部第一结构层和内部压电层组成。第二结构层 中部中空，用于容纳质量块。
进一步地，所述外圈第一结构层和内部第一结构层组成第一结构层，所述第一结构层、 第二结构层和质量块均由硅材料组成。
进一步地，所述外圈压电层和内部压电层组成压电层，所述压电的上下表面均覆盖有金 属层，压电层由氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸钾钠或钛酸钡材料组成，所述金属层由 金、铂、钼、钛或导电氧化物材料组成。
进一步地，所述弹簧梁由对称的两部分弹簧组成，每部分弹簧由至少一段弹簧段组成， 所述弹簧连接于位移台的中部或两边。
进一步地，所述弹簧由两段弹簧段组成，弹簧呈U形形状。
进一步地，所述弹簧由一段弹簧段组成。
进一步地，所述弹簧由三段弹簧段组成，弹簧呈S形形状。
进一步地，所述弹簧梁内部的夹角处和弹簧梁与驱动块的连接处夹角均设置为圆角。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的压电微机械执行器工作时，驱动台通过弹簧梁放大振幅，带动质量块和位 移台上下振动或绕中心轴偏转。可动部件中，质量块和位移台形成一体，加上弹簧梁、驱 动台形成三核心，组成了该压电微机械执行器的三级位移放大系统，提高了压电微机械执 行器的输出性能。
2、本发明针对执行器的振动方式，精确设计了通风孔和调节柱，优化了空气流动的相 关特性，减小了空气压膜阻尼，提高了器件的输出性能。
3、本发明对执行器的二级放大机构弹簧梁结构进行了优化，实现了对位移台的振动形 态的调节，提高了可靠性。
4、本发明位移台的两侧有四个通气槽，而通气槽的数量、尺寸、位置可根据需要调整， 使得在位移台振动时，位移台上下方的空气可以实现对流，减小空气压膜阻尼，进一步提 高微机械执行器的振动位移，避免由于机械部件振动时对局部空气的压缩和释放，造成较 大的空气压膜阻尼，使得器件的振动位移受到限制。
5、本发明的调节柱是基座上与通风槽位置对应的凸起，调节柱的作用是控制位移台振 动时，上下表面空气的流动的方向和流速，优化了空气流动的相关特性，有效减小了空气 压膜阻尼，进一步提升了执行器的输出性能。
附图说明
图1为本发明的执行器仰视图；
图2为本发明的执行器俯视图；
图3为本发明的截面图；
图4为本发明弹簧梁三段弹簧段的结构图；
图5为本发明弹簧梁一端弹簧段的结构图；
图6为本发明弹簧梁与驱动台的其中一种连接位置示意图；
图7为本发明弹簧梁与驱动台的其中一种连接位置示意图；
图8为本发明弹簧梁的圆角设计结构图；
图9为本发明的执行器激励在驱动台时的振动形态；
图10为本发明的执行器激励在弹簧梁时的振动形态。
图中标记：1-质量块，2-位移台，3-弹簧梁，4-驱动台，5-基座，6-通气槽，7-调节柱， 8-第一结构层，9-压电层，10-第二结构层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行 进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定 本发明。
实施例1
一种压电微机械执行器，包括基座5，基座5内部连接有对称的两个驱动台4，两个驱 动台4分别连接有两弹簧梁3，两弹簧梁3连接有同一位移台2，位移台2的底面上连接有质量块1，位移台2与基座5相对的两侧上开设有多个通气槽6，通气槽6相对的基座5上 连接有与通气槽6数量匹配的调节柱7。
该压电微机械执行器有两种激励方式：
一种是激励电极设置在驱动台4上，其振动形式如图9所示，该激励方式下的工作状态， 位移台2、弹簧梁3、驱动台4一同振动，该振动方式具有更高的带载能力和更宽的工作带 宽。此外，该激励电极的设置还可以使器件成为换能器，可以检测外部的振动并转换为电 信号。
另一种是激励电极设置在弹簧梁3上，其振动形式如图10所示，该激励方式下的工作 状态，主要是位移台2的振动，该振动方式可以输出较大的振动位移或加速度、角度或角速度。
实施例2
如图3所示，基座5由从上至下的外圈第一结构层、外圈压电层和第二结构层10依次 连接组成，驱动台4、弹簧梁3和位移台2均由内部第一结构层和内部压电层组成。
外圈第一结构层和内部第一结构层组成第一结构层8，第一结构层8、第二结构层10和 质量块1主要由硅材料组成，具体可以是各向同性单晶硅、各向异性单晶硅，或多晶硅。 对于第一结构层8、第二结构层10和质量块1可以是同一种硅材料，也可以是不同的，不同之处不仅限于硅材料本身，也包括硅材料的晶向、电阻率、掺杂等属性不同。
外圈压电层和内部压电层组成压电层9，压电的上下表面均覆盖有金属层，压电层9可 以是氮化铝AlN及掺钪氮化铝ScAlN、氧化锌ZnO、锆钛酸铅PbZr1-xTixO3，PZT及其掺杂化合物、铌酸钾钠(K,Na)NbO3，KNN及其掺杂化合物或钛酸钡BaTiO3。
压电材料上下表面的金属层，可以是金Pt、铂Pt、钼Mo、钛Ti等金属材料，也可以是导电氧化物，如锰酸镧LaMnO3及其掺杂化合物。
实施例3
弹簧梁3由对称的两部分弹簧组成，每部分弹簧由至少一段弹簧段组成，弹簧连接于位 移台2的中部或两边。弹簧梁3结构的段数和弯折次数，不仅是外观的不同，其直接关系 到器件的系统刚度，导致器件谐振频率和振动位移的大幅度变化。
弹簧梁3结构和位移台2的连接位置和连接方式，包括但不限于图1中的连接在位移台 2的两边，也可以是在位移台2的中部，或非对称形式，如图6所示。弹簧梁3结构和位移台2的连接位置和连接方式，对位移台2的振动形态有较大的调节作用。
实施例4
优选地，如图1-2所示，弹簧由两段弹簧段组成，弹簧呈U形形状。
实施例5
优选地，如图5所示，弹簧由一段弹簧段组成。
实施例6
优选地，如图4所示，弹簧由三段弹簧段组成，弹簧呈S形形状。
实施例7
如图8所示，弹簧梁3内部的夹角处和弹簧梁3与驱动块的连接处夹角均设置为圆角。 圆角化的结构有利于减小弹簧梁3结构的局部应力集中，提高器件的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压电微机械执行器，其特征在于，包括基座(5)，所述基座(5)内部连接有对称的两个驱动台(4)，所述两个驱动台(4)分别连接有两弹簧梁(3)，两弹簧梁(3)连接有同一位移台(2)，所述位移台(2)的底面上连接有质量块(1)，位移台(2)与基座(5)相对的两侧上开设有多个通气槽(6)，所述通气槽(6)相对的基座(5)上连接有与通气槽(6)数量匹配的调节柱(7)。
2.根据权利要求1所述的一种压电微机械执行器，其特征在于，所述基座(5)由从上至下的外圈第一结构层、外圈压电层和第二结构层(10)依次连接组成，所述驱动台(4)、弹簧梁(3)和位移台(2)均由内部第一结构层和内部压电层组成。
3.根据权利要求2所述的一种压电微机械执行器，其特征在于，所述外圈第一结构层和内部第一结构层组成第一结构层(8)，所述第一结构层(8)、第二结构层(10)和质量块(1)均由硅材料组成。
4.根据权利要求2所述的一种压电微机械执行器，其特征在于，所述外圈压电层和内部压电层组成压电层(9)，所述压电的上下表面均覆盖有金属层，压电层(9)由氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸钾钠或钛酸钡材料组成，所述金属层由金、铂、钼、钛或导电氧化物材料组成。
5.根据权利要求1所述的一种压电微机械执行器，其特征在于，所述弹簧梁(3)由对称的两部分弹簧组成，每部分弹簧由至少一段弹簧段组成，所述弹簧连接于位移台(2)的中部或两边。
6.根据权利要求5所述的一种压电微机械执行器，其特征在于，所述弹簧由两段弹簧段组成，弹簧呈U形形状。
7.根据权利要求5所述的一种压电微机械执行器，其特征在于，所述弹簧由一段弹簧段组成。
8.根据权利要求5所述的一种压电微机械执行器，其特征在于，所述弹簧由三段弹簧段组成，弹簧呈S形形状。
9.根据权利要求1所述的一种压电微机械执行器，其特征在于，所述弹簧梁(3)内部的夹角处和弹簧梁(3)与驱动块的连接处夹角均设置为圆角。
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