TWI384662B - 壓電組件 - Google Patents

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Mi Ching Tsai
Shih Wei Hsiao
Wu Sung Yao
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Univ Nat Cheng Kung
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Description

壓電組件
本發明關於一種壓電裝置，尤指一種可增加本身壓電元件之表面振動位移量的壓電裝置。
壓電材料具有機械能與電能之間轉換的特性，例如對壓電材料施加外力，可因機械變形而產生電位差(稱之為正壓電效應)；反之對其施加以電壓，壓電材料即會產生機械變形的應力，如第六圖所示，即對一壓電材料製成之壓電元件(40)施加電壓後形變的示意圖，此特性使得壓電元件之應用範圍非常廣泛。
針對壓電元件具有因施加電壓產生形變的特性，請參考第七A與七B圖所示，可令壓電元件(40)一端與一滑塊(50)接觸，只要在該壓電元件(40)上兩相互垂直的電極端施加一定的驅動電壓與頻率，該壓電元件(40)表面即會產生橫向及縱向的位移形變，藉此形變可推動該滑塊(50)移動，且改變不同驅動電極即可改變滑塊(50)之移動方向，是以，可將壓電元件應用於致動如馬達、小型機器人、位移平台等等裝置。
然而，實際運用壓電元件時，請參考第八與第九A～九C圖，以弦波電壓驅動第八圖的壓電元件(40)並針對該壓電元件(40)頂面橫軸上的A、B、C三點進行形變時的位移量測，可得到如第九A～九C圖所示，橫軸為A、B、C各點的橫向位移，縱軸為縱向位移，可看出該三點之最大橫向位移約0.047μm，最大縱向位移約0.48μm，可知該壓電元件(40)形變的表面位移量相當有限，無法有效率地加速推動所接觸的裝置運行。
有鑑於習知技術的缺失，本發明之主要目的係提供一種壓電組件，可增加本身壓電元件之表面振動位移量。
欲達前述目的所使用之主要技術手段，係令該壓電組件包含：一壓電元件，具有一底端及一頂端以及至少兩呈非平行設置的電極，該壓電元件可經由該些電極受電壓驅動而產生形變；以及一放大機構，其一端與該壓電元件的頂端連接，該放大機構係放大該壓電元件形變程度。
當壓電元件激振而與放大機構產生結構共振時，該放大機構即放大該壓電元件的形變程度，故令該放大機構另一端接觸一移動件時，該壓電元件推動移動件之位移量可經放大機構放大而提升移動件運行的速度。
請參考第一圖所示，係本發明一較佳實施例之側視圖，其包含一壓電元件(10)、一固定件(20)以及一放大機構(30)。
該壓電元件(10)具有至少兩呈非平行設置的電極(11)(12)，該些電極(11)(12)可供一電壓V驅動，而如第十圖所示在該壓電元件(10)中產生非均勻的電場分佈E，使得該壓電元件(10)產生形變，本實施例中該壓電元件(10)係為一長方體形，此外亦可為其他形狀，例如圓柱、三角柱與多角柱等等。
該固定件(20)，係一端連接該壓電元件(10)的底端，另端可用以固設於其他裝置上，達到固定壓電元件(10)的作用。
該放大機構(30)一端與該壓電元件(10)的頂端連接，其可延伸壓電元件(10)的高度，進而達到位移放大的效果，可為三角柱體或長方體等外形，以長方體的放大機構(30)為例，如第二A與第二B圖所示，令該放大機構(30)頂端接觸一移動件(100)，當壓電元件(10)受到電壓驅動後，該放大機構(30)即放大壓電元件(10)振動之位移量而推動該移動件(100)，進而提升移動件運行的速度。
請進一步參考第三圖，由於壓電元件(10)受電壓驅動激振時，該放大機構(30)會與該壓電元件(10)產生結構共振，針對放大機構(30)頂面橫軸上的三點A、B、C以相同於前述先前技術所使用之條件進行位移量測，可得到結果如第四A、四B、四C圖所示，可得到該三點中最大橫向位移約0.32μm，最大縱向位移約0.6μm，與前述先前技術相比較可知該放大機構(30)確可增加元件表面振動位移量。
該放大機構(30)除可為三角柱或長方體外，可視其與移動件(100)之接觸面積、推動移動件(100)正反向移動的一致性或是提供可搭配多組垂直驅動電極達成高自由度之運動等等不同需求而設計放大機構(30)具有不同的外形，如第五A至五G等圖所示，其可為梯形柱體、錐形體等不同形狀。
前述移動件(100)亦可視應用範圍而有不同種型態，例如應用於旋轉馬達，該移動件(100)可為一繞軸旋轉的盤體而受壓電組件推動旋轉；如應用於球型馬達，則該移動件(100)可為一球體，以其球面與多組壓電組件接觸而受多組壓電組件帶動。
綜上所述，本發明主要藉由放大機構與壓電元件連接，當壓電元件激振而與放大機構產生結構共振時，該放大機構即放大該壓電元件的形變程度，故令該放大機構一端接觸一移動件時，即可加大移動件之位移量而提升移動件運行的速度，可比一般直接讓壓電元件接觸推動該移動件更有效率。
(10)．．．壓電元件
(11)．．．電極
(12)．．．電極
(100)．．．移動件
(20)．．．固定件
(30)．．．放大機構
(40)．．．壓電元件
(50)．．．滑塊
第一圖：係本發明一較佳實施例之側視圖。
第二A～二B圖：係本發明一較佳實施例之操作示意圖。
第三圖：係本發明之壓電組件激振產生形變的示意圖。
第四A～四C圖：係第三圖之放大機構頂面三點的位移量測圖。
第五A～五F圖：係本發明之放大機構各種外觀之實施例。
第六圖：係既有壓電元件產生形變之側視圖。
第七A～七B圖：係既有壓電元件推動滑塊之操作示意圖。
第八圖：係既有壓電元件產生形變之立體圖。
第九A～九C圖：係第八圖頂面三點之的位移量測圖。
第十圖：係一驅動電壓在壓電元件中所產生之電場分佈示意圖。
(10)．．．壓電元件
(100)．．．移動件
(20)．．．固定件
(30)．．．放大機構

Claims (5)

  1. 一種壓電組件，係包含：一壓電元件，係具有一底端、一頂端以及至少兩呈非平行設置的電極，該壓電元件可經由該些電極受電壓驅動而產生形變；以及一放大機構，其一端與該壓電元件的頂端連接，該放大機構係放大該壓電元件的形變程度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之壓電組件，進一步包含一固定件，該固定件一端連接該壓電元件的底端，該固定件另端係供固設於其他裝置上。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之壓電組件，該放大機構可為長方體、三角柱、梯形柱體、錐形體其中的任一種形體。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之壓電組件，該壓電元件可為長方體、圓柱、三角柱與多角柱其中的任一種形體。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之壓電組件，該壓電元件可為長方體、圓柱、三角柱與多角柱其中的任一種形體。
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