CN213661475U - 四足压电振子、压电陶瓷驱动器及微动台 - Google Patents

Abstract

本实用新型四足压电振子、压电陶瓷驱动器及微动台，四足压电振子的底座上并排布置有四个独立的陶瓷柱，相互间隔的两个陶瓷柱为一组且驱动信号、动作一致，陶瓷柱由多层压电陶瓷自上而下堆叠而成且相邻压电陶瓷层的极化方向相反，陶瓷柱前侧表面上左右间隔设置有电极正极A、B，后侧表面上设置有与底座处负电极连通的电极负极C，顶部居中设陶瓷触点且陶瓷触点位于电极正极A、B之间。本实用新型还提供了配设四足压电振子的压电陶瓷驱动器及微动台。其目的是为了提供一种驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高的四足压电振子、压电陶瓷驱动器及微动台。

Description

四足压电振子、压电陶瓷驱动器及微动台

技术领域

本实用新型涉及利用压电效应、电致伸缩或磁致伸缩的电动机或发电机，例如通过驱动电路或控制装置产生运动的致动器，特别涉及四足压电振子、压电陶瓷驱动器及微动台。

背景技术

压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体产生微幅振动，迫使接触面的质点产生类似椭圆轨迹运动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子的旋转或直线运动。压电驱动器具有结构形式多样、位置精度高、惯性小、低噪声运行、响应快、断电自锁、不产生磁场亦不受电磁干扰等优点。由于具有以上诸多优点，压电驱动器在工业自动化、航空航天、医疗、生物工程等领域得到了大量的应用，并发挥了巨大的作用。

现在实用以及科研研究的压电驱动器采用单层的压电陶瓷，为了能够产生较大的振动位移和驱动力，需要很大的驱动电压，电源开发难度大，且相应的驱动电源体积也较大。然而，有些压电驱动器为了能够产生较大的振动位移和驱动力，需要压电陶瓷工作在谐振频率下，而谐振频率受陶瓷的几何尺寸的影响较大，由于加工误差所造成的尺寸偏差会影响压电陶瓷的谐振频率，从而会影响压电振子的整体驱动性能，造成压电振子的驱动不稳定。同时，为了使压电驱动器工作在谐振状态下，还需要使用专用的超声电源，电源通常体积较大，不利于实现驱动器整个系统的微型化。而且，对于刚体来说，工作在谐振状态会加快刚体振动破损，缩短驱动器的寿命。此外，工作在谐振状态下的压电陶瓷的发热比较严重，温度过高易导致压电陶瓷退极化、损坏或工作不稳定，持久疲劳极易导致驱动器失效。并且，为了使得压电驱动器工作在合适的谐振状态下，需要采用合适的尺寸才能够达到要求，这样在很大程度上限制了驱动器设计的灵活性，限制了其微型化和不同场合的适用性。另外，现有技术中的压电驱动器，多使用压电陶瓷的d₃₁工作模式，该工作模式的机电耦合系数要明显小于d₃₃工作模式。这导致传统的压电驱动器的电转化效率较低，驱动器能量利用不足。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高的四足压电振子、压电陶瓷驱动器及微动台。

为了解决上述问题，本实用新型提供了如下技术方案：

本实用新型四足压电振子，包括底座，所述底座上并排布置有四个独立的陶瓷柱，相互间隔的两个陶瓷柱为一组且驱动信号、动作一致，所述陶瓷柱由多层压电陶瓷自上而下堆叠而成且相邻压电陶瓷层的极化方向相反，所述陶瓷柱沿自身宽度方向的前侧表面上左右间隔设置有电极正极A、电极正极B，与前侧相对的后侧表面上设置有电极负极C，所述电极负极C与所述底座处负电极连通，所述陶瓷柱顶部居中设置有陶瓷触点，所述陶瓷触点位于电极正极A、电极正极B之间。

本实用新型四足压电振子，所述陶瓷柱上的电极正极A、电极正极B之间为未刷电极区域，所述陶瓷触点位于未刷电极区域的上方。

本实用新型四足压电振子，所述电极正极A、电极正极B与电极负极C形成插指结构。

本实用新型四足压电振子，当对任一组内的两个陶瓷柱的电极正极A施加正向电压，电极正极B和电极负极C施加零电压时，所述电极正极A所在区域的压电陶瓷发生d₃₃形式的变形，导致陶瓷触点产生倾斜；当对任一组的两个陶瓷柱的电极正极A和电极正极B施加相位差90°的正弦信号时，所述陶瓷触点产生连续的倾斜运动，进而通过所述陶瓷触点与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力。

本实用新型四足压电振子，当对两组陶瓷柱的电极正极A、电极正极B分别施加相位差180°的正弦信号时，第二组陶瓷柱代替第一组陶瓷柱通过陶瓷触点与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力。

本实用新型还提供了一种压电陶瓷驱动器，包括驱动器外壳，所述驱动器外壳内部设置有陶瓷安装座，所述陶瓷安装座上安装有上述任一四足压电振子。

本实用新型还提供了一种微动台，包括轴承座、陶瓷条、弹片，所述轴承座固定于上述压电陶瓷驱动器的驱动器外壳上，所述陶瓷条设置于所述四足压电振子上方且与4个陶瓷触点接触，所述弹片固定于所述轴承座上使陶瓷条与陶瓷触点之间形成预紧力。

本实用新型微动台，所述轴承座上平行间隔布置有两个凹槽，装配有轴承的轴的两端置于所述凹槽内，所述轴承与所述陶瓷条接触，所述弹片压紧所述轴承。

本实用新型微动台，所述弹片呈“X”字形且四角分别放置于两根轴的两端，螺钉一穿过所述弹片中部开设的安装孔将其固定于所述轴承座上。

本实用新型微动台，所述陶瓷条采用氧化铝制成。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用的四足多层压电陶瓷是一块陶瓷分成四足，结构简单，易于加工成型，成品率高。采用四足多层压电陶瓷，四足多层压电陶瓷的变形与电压的关系为ΔL＝d₃₃×n×U₃₃，其中，ΔL为多层压电陶瓷加电后的变形，d₃₃为压电陶瓷的压电-变形系数，n为多层陶瓷的层数，U₃₃为沿着单层压电陶瓷极化方向所加的电压信号的幅值。根据上述的公式可知，当n＝1时，所述的多层压电陶瓷就是单层压电陶瓷，要使单层压电陶瓷达到与多层压电陶瓷相同的变形量ΔL，单层压电陶瓷所加的电压就需要是n×U₃₃，所以，本实用新型较传统的使用单层压电陶瓷的方案来说，使用较小的驱动电压就能提供较大的驱动力，大幅度的降低驱动器的驱动电压。另外，本实用新型中，由于使用了多层压电陶瓷，其变形量较大，不需要使压电驱动器工作在谐振状态下，避免了背景技术部分提及的使压电振子工作在谐振状态下带来的一系列问题，因此，使得压电振子稳定性提高、使用寿命延长，压电振子的尺寸设计也具有很大的灵活性，大大增加了其不同场合的适用性。还有，本实用新型中，多层压电陶瓷利用了压电陶瓷机电耦合系数较高的d₃₃模式，其能量利用率高于传统的d₃₁工作模式的驱动器。

此外，本实用新型的微动台采用的四足多层压电陶瓷，四足在驱动电压的驱动下，交替循环运动，与现有技术相比，四支陶瓷触点交替处于驱动陶瓷条状态，明显改善丢步现象，更益于陶瓷条的稳定连续运动，定位精度优于现有技术。同时，本实用新型采用的四足多层压电陶瓷，工作状态下，始终有二支陶瓷触点处于驱动陶瓷条状态，与现有技术相比，驱动力翻倍，更益于陶瓷条的高精度连续定位运动，且增大了微动台的额定载荷。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型四足压电振子、压电陶瓷驱动器及微动台驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高，同时，可灵活设计、可微型化且能够适用不同场合。

下面结合附图对本实用新型四足压电振子、压电陶瓷驱动器及微动台作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型的四足压电振子的结构示意图；

图2为本实用新型的四足压电振子的极化方向示意图；

图3为本实用新型的四足压电振子的加电方式示意图；

图4为本实用新型的四足压电振子的工作原理示意图；

图5为本实用新型的四足压电振子的电极配置方式示意图；

图6为本实用新型的微动台的装配图。

具体实施方式

如图1至图6所示：

本实用新型四足压电振子包括长条形的底座17，底座17上沿其长度方向从左至右并排布置有四个独立的陶瓷柱，依次为陶瓷柱一1、陶瓷柱二2、陶瓷柱三3、陶瓷柱四4，形成四足。陶瓷柱一1、陶瓷柱二2、陶瓷柱三3、陶瓷柱四 4各自均由多层压电陶瓷15自上而下堆叠而成且上下相邻的压电陶瓷层的极化方向相反。陶瓷柱一1、陶瓷柱二2、陶瓷柱三3、陶瓷柱四4沿各自宽度方向的前侧表面上左右间隔设置有电极正极A、电极正极B，与前侧相对的后侧表面上设置有电极负极C，电极负极C与底座17处负电极51连通。陶瓷柱一1、陶瓷柱二2、陶瓷柱三3、陶瓷柱四4各自顶部居中设置有陶瓷触点16，共计有4 个陶瓷触点16，每个陶瓷触点16均位于相应陶瓷柱的电极正极A、电极正极B 之间。优选的，每个陶瓷柱上的电极正极A、电极正极B之间为未刷电极区域 18，陶瓷触点16位于未刷电极区域18的上方。

优选的，陶瓷触点16采用氧化铝制成，在外部动子与陶瓷触点16之间的摩擦力作用下，陶瓷触点16受剪切力和一个扭矩的作用，因此，将陶瓷触点16 成型为三棱柱形状，很大程度上避免了其与多层压电陶瓷15粘接失效。

优选的，四个陶瓷柱的多层压电陶瓷15为双电极布置形式，非常适合采用流延及丝网印刷工艺制作。具体方法是：采用具有形同矩形电极的丝网印刷电极后，进行压电陶瓷的烧制，烧制完成后，将整块的压电陶瓷切割成多块，每块均包含上述4个陶瓷柱。其优点是加工简单，易于实现多层压电陶瓷15的大批量加工。

本实用新型中，电极正极A、电极正极B和电极负极C可以采用多种结构，但是，为了保证对四足压电振子62的可靠供电，优选的，如图5所示，电极正极A、电极正极B均可以与电极负极C形成插指结构。当然，电极正极A、电极正极B与电极负极C除了采用上述的接电方式外，还可以采用本领域技术人员容易想到的效果等同的其它接电方式，此处不一一列举。

将相互间隔的陶瓷柱一1与陶瓷柱三3分为第一组，陶瓷柱二2与陶瓷柱四4为第二组，每组内的两个陶瓷柱驱动信号一致、动作一致，即：

当对陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的电极正极A施加正向电压，电极正极B和电极负极C施加零电压时，电极正极A所在区域的压电陶瓷会发生d₃₃形式的变形，导致陶瓷触点16产生倾斜；当对陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的电极正极A 和电极正极B施加相位差90°的正弦信号时，陶瓷触点16会产生连续的倾斜运动，进而通过陶瓷触点16与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力；

当对陶瓷柱二2、陶瓷柱四4的电极正极A施加正向电压，电极正极B和电极负极C施加零电压时，电极正极A所在区域的压电陶瓷会发生d₃₃形式的变形，导致陶瓷触点16产生倾斜；当对陶瓷柱二2、陶瓷柱四4的电极正极A 和电极正极B施加相位差90°的正弦信号时，陶瓷触点16会产生连续的倾斜运动，进而通过陶瓷触点16与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力；

当对两组陶瓷柱的电极正极A、电极正极B分别施加相位差180°的正弦信号时，第二组陶瓷柱代替第一组陶瓷柱通过陶瓷触点16与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力，即：当对陶瓷柱二2、陶瓷柱四4的电极正极A和陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的电极正极A施加相位差180°的正弦信号，对陶瓷柱二2、陶瓷柱四4的电极正极B和陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的电极正极B施加相位差180°的正弦信号时，陶瓷柱二2和陶瓷柱四4会代替陶瓷柱一1和陶瓷柱三3通过陶瓷触点16与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力。

本实用新型一种压电陶瓷驱动器，包括驱动器外壳61，驱动器外壳61内部设置有陶瓷安装座，陶瓷安装座上通过环氧树脂胶粘接安装有上述四足压电振子62。

本实用新型一种微动台，包括轴承座63、陶瓷条64、弹片67，轴承座63 通过螺钉二69、弹垫60固定于上述压电陶瓷驱动器的驱动器外壳61上，长条形的陶瓷条64设置于四足压电振子62上方且与4个陶瓷触点16接触。优选的，陶瓷条64采用氧化铝制成。弹片67固定于轴承座63上使陶瓷条64与陶瓷触点16之间形成预紧力。具体的，轴承座63上沿陶瓷条64长度方向平行间隔布置有两个凹槽，两根分别装配有轴承65的轴66的两端分别置于相应凹槽内，这样，轴承65位于陶瓷条64上方且与其接触。外形呈“X”字形的弹片67的四角分别放置于两根轴66的两端上方，压紧轴66，进而压紧轴承65。优选的，螺钉一68穿过弹片67中部开设的安装孔将其固定于轴承座63上。装设弹片67 后，弹片67的弹力使轴承65压紧陶瓷条64进而将压力作用于陶瓷触点16上，给四足压电振子62提供了预紧力。

上述微动台工作时，陶瓷条64与陶瓷触点16接触，弹片67使得陶瓷条 64与陶瓷触点16之间形成一定的预紧力，陶瓷触点16沿椭圆形轨迹运动并通过其与陶瓷条64之间的摩擦力驱动陶瓷条64沿着限定的直线方向运动；当将图3所示的电压信号35和电压信号36交换，同时电压信号37和电压信号38 交换后，陶瓷条64会沿相反的方向运动，如此循环往复。

下面，以四足压电振子62采用图3所示的正弦加电方式为例进行说明，其中，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的电极正极A施加正弦信号一35，电极正极B 施加负余弦信号一36；陶瓷柱二2、陶瓷柱四4的电极正极A施加负余弦信号二37，电极正极B施加正弦信号二38，电极负极C施加地信号，四足压电振子62的工作原理如下：

①当四足压电振子62按照图3所示31处的电压信号加电时，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3中，电极正极A所处的多层压电陶瓷15没有施加电信号，所以没有变形，而电极正极B所处的多层压电陶瓷15则因施加负向电压，会在电压信号的作用下缩短，此时，粘接在陶瓷柱一1、陶瓷柱三3上未刷电极区域18 上方的2个陶瓷触点16会向图示右方向偏移且顶端会到达图4中41所示的位置；同时，陶瓷柱二2、陶瓷柱四4中，电极正极B所处的多层压电陶瓷15 没有施加电信号，所以没有变形，而电极正极A所处的多层压电陶瓷15因施加负向电压，会在电压信号的作用下缩短，此时，粘接在陶瓷柱二2、陶瓷柱四4上的2个陶瓷触点16会向图示左方向偏移且顶端会到达图4中41所示的位置。

②当四足压电振子62按照图3所示32处的电压信号加电时，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3中，电极正极A所处的多层压电陶瓷15被施加正向电压且会在电压信号的作用下伸长，电极正极B所处的多层压电陶瓷15的电压信号为零，没有变形，此时，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的陶瓷触点16会向图示右方向偏移且顶端会到达图4中42所示的位置；同时，陶瓷柱二2、陶瓷柱四4中，电极正极A所处的多层压电陶瓷15没有施加电信号，所以没有变形，电极正极B 所处的多层压电陶瓷15施加正向电压并会在电压信号的作用下伸长，此时，陶瓷柱二2、陶瓷柱四4的陶瓷触点16会向图示左方向偏移且顶端会到达图4 中42所示的位置。

③当四足压电振子62按照图3所示33处的电压信号加电时，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3中，电极正极A所处的多层压电陶瓷15没有施加电信号，所以没有变形，电极正极B所处的多层压电陶瓷15施加正向电压且会在电压信号的作用下伸长，此时，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的陶瓷触点16会向图示左方向偏移且顶端会到达图4中43所示的位置；同时，陶瓷柱二2、陶瓷柱四4中，电极正极B所处的多层压电陶瓷15没有施加电信号，所以没有变形，电极正极A所处的多层压电陶瓷15施加正向电压且会在电压信号的作用下伸长，此时，陶瓷柱二2、陶瓷柱四4上的陶瓷触点16会向图示右方向偏移且顶端会到达图 4中43所示的位置。

④当四足压电振子62按照图3所示34处的电压信号加电时，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3中，电极正极A所处的多层压电陶瓷15施加负向电压并会在电压信号的作用下缩短，电极正极B所处的多层压电陶瓷15的电压信号为零，所以没有变形，此时，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的陶瓷触点16会向图示左方向偏移且顶端会到达图4中44所示的位置；同时，陶瓷柱二2、陶瓷柱四4中，电极正极A所处的多层压电陶瓷15没有施加电信号，所以没有变形，电极正极 B所处的多层压电陶瓷15施加负向电压，会在电压信号的作用下缩短，此时，陶瓷柱二2、陶瓷柱四4的陶瓷触点16会向图示右方向偏移且顶端会到达图4 中44所示的位置。

本实用新型中，四足压电振子62经过上述一个周期的电信号激励，陶瓷触点16的顶端运动轨迹为如图4所示的椭圆形，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3一致运动，陶瓷柱二2、陶瓷柱四4一致运动，4足均对外部的动子(即陶瓷条64)进行作用。在电信号的激励下，陶瓷柱一1、陶瓷柱三3的组合和陶瓷柱二2、陶瓷柱四4的组合中的4个陶瓷触点16的顶端沿椭圆形运动轨迹交替运动，使动子做旋转或直线的连续运动。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种四足压电振子，其特征在于：包括底座(17)，所述底座(17)上并排布置有四个独立的陶瓷柱，相互间隔的两个陶瓷柱为一组且驱动信号、动作一致，所述陶瓷柱由多层压电陶瓷(15)自上而下堆叠而成且相邻压电陶瓷层的极化方向相反，所述陶瓷柱沿自身宽度方向的前侧表面上左右间隔设置有电极正极A、电极正极B，与前侧相对的后侧表面上设置有电极负极C，所述电极负极C与所述底座(17)处负电极(51)连通，所述陶瓷柱顶部居中设置有陶瓷触点(16)，所述陶瓷触点(16)位于电极正极A、电极正极B之间。

2.根据权利要求1所述的四足压电振子，其特征在于：所述陶瓷柱上的电极正极A、电极正极B之间为未刷电极区域(18)，所述陶瓷触点(16)位于未刷电极区域(18)的上方。

3.根据权利要求2所述的四足压电振子，其特征在于：所述电极正极A、电极正极B与电极负极C形成插指结构。

4.根据权利要求3所述的四足压电振子，其特征在于：当对任一组内的两个陶瓷柱的电极正极A施加正向电压，电极正极B和电极负极C施加零电压时，所述电极正极A所在区域的压电陶瓷发生d₃₃形式的变形，导致陶瓷触点(16)产生倾斜；当对任一组的两个陶瓷柱的电极正极A和电极正极B施加相位差90°的正弦信号时，所述陶瓷触点(16)产生连续的倾斜运动，进而通过所述陶瓷触点(16)与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力。

5.根据权利要求4所述的四足压电振子，其特征在于：当对两组陶瓷柱的电极正极A、电极正极B分别施加相位差180°的正弦信号时，第二组陶瓷柱代替第一组陶瓷柱通过陶瓷触点(16)与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力。

6.一种压电陶瓷驱动器，包括驱动器外壳(61)，其特征在于：所述驱动器外壳(61)内部设置有陶瓷安装座，所述陶瓷安装座上安装有权利要求1-5中任一项所述的四足压电振子。

7.一种微动台，其特征在于：包括轴承座(63)、陶瓷条(64)、弹片(67)，所述轴承座(63)固定于权利要求6所述的压电陶瓷驱动器的驱动器外壳(61)上，所述陶瓷条(64)设置于所述四足压电振子上方且与4个陶瓷触点(16) 接触，所述弹片(67)固定于所述轴承座(63)上使陶瓷条(64)与陶瓷触点(16)之间形成预紧力。

8.根据权利要求7所述的微动台，其特征在于：所述轴承座(63)上平行间隔布置有两个凹槽，装配有轴承(65)的轴(66)的两端置于所述凹槽内，所述轴承(65)与所述陶瓷条(64)接触，所述弹片(67)压紧所述轴承(65)。

9.根据权利要求8所述的微动台，其特征在于：所述弹片(67)呈“X”字形且四角分别放置于两根轴(66)的两端，螺钉一(68)穿过所述弹片(67)中部开设的安装孔将其固定于所述轴承座(63)上。

10.根据权利要求9所述的微动台，其特征在于：所述陶瓷条(64)采用氧化铝制成。

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