一種新型壓電陶瓷驅動器及由其構成的超聲電機的製作方法

2024-03-04 19:28:15

本發明涉及一種新型壓電陶瓷驅動器及由其構成的超聲電機。

背景技術：

超聲電機具有結構簡單、能量密度大、響應快、解析度高、斷電自鎖、無電磁幹擾等特點，在微機械、機器人、醫療器械、鏡頭變焦、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。然而普通超聲電機驅動電壓一般較高，導致驅動電路複雜，對超聲電機的輕量化與微型化非常不利，制約了超聲電機的發展。

如果說民用產品體積稍大可以接受的話，那麼在航空航天領域，攜帶冗餘沉重的部件可能就意味著數以億計的損失，這一問題就尤為突出了。因此降低驅動電壓、簡化激勵方式是時下超聲電機研究領域的一個重要課題。多層壓電陶瓷具有低壓驅動、薄型化、高功率密度等優點，如果將其作為超聲電機的驅動器，能大大降低驅動電壓。

基於此，專利公開號cn201610543614.3提供了一種基於壓電疊堆驅動方式的行波型超聲電機，該電機利用12個壓電疊堆一起來實現驅動，採用的壓電疊堆為普通的各層電極相同的多層壓電陶瓷。該電機的問題主要是利用的壓電疊堆數量過大，導致電機尺寸偏大。

專利公開號cn201620171723則提供了一種多層壓電陶瓷棒作為定子的二自由度平面運動超聲電機，該電機通過多層壓電陶瓷棒可實現兩個自由度的驅動。但是該多層壓電陶瓷棒分成相互分隔的5個部分，每個部分的內電極形狀不同，用於引出的外電極有14個之多，這樣導致多層壓電陶瓷整體結構複雜，製作難度大。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：提供一種新型壓電陶瓷驅動器，解決現有技術驅動電壓高以及驅動電路複雜的問題，同時提供一種包括該新型壓電陶瓷驅動器的超聲電機，該超聲電機具有質量輕、體積小的特點。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：

一種新型壓電陶瓷驅動器，包括由至少三層相互疊加的壓電陶瓷層構成的方形主體，設置在相鄰壓電陶瓷層之間的內電極，以及設置在方形主體外側面並同時與所有內電極接觸、用於輸入電壓時使不同壓電陶瓷層激勵出不同振動模式的外電極；所述壓電陶瓷層中心位置設有用於將不同振動模式調節成相同振動頻率、以便在方形主體頂端中心點耦合出橢圓運動的圓形通孔；位於奇數層的內電極由第一電極分區和第二電極分區組成，第一電極分區和第二電極分區以圓形通孔圓心為中心對稱分布，並且第一電極分區和第二電極分區上均設有與圓形通孔部分弧形邊輪廓相同的弧形槽；而位於偶數層的內電極上則開設有位置與圓形通孔對應並且尺寸與圓形通孔尺寸相同的圓孔。

進一步地，所述外電極為三個，分設在方形主體三個外側面上，其中一個外電極同時與所有偶數層的內電極接觸；第二個外電極同時與所有奇數層中的第一電極分區接觸；第三個外電極同時與所有奇數層中的第二電極分區接觸。

一種超聲電機，包括如上所述的壓電陶瓷驅動器，以及夾持固定裝置；所述壓電陶瓷驅動器整體安裝在夾持固定裝置中。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明結構簡單緊湊、設計科學合理，本新型壓電陶瓷驅動器所需驅動電壓低，並且驅動電路簡單以及功率密度高，運用該新型壓電陶瓷驅動器的超聲電機質量輕便，體積小。

本新型壓電陶瓷驅動器採用多層壓電陶瓷層相互疊加成方形主體，在方形主體的各貼合層分別設內電極，並且位於奇數層的內電極設第一電極分區和第二電極分區，在方形主體的三個外側面各設一個外電極，並且三個外電極分別與第一電極分區、第二電極分區和位於偶數層的內電極相連接，同時在方形主體中心設用於將不同振動模式調節成相同振動頻率、以便在方形主體頂端中心點耦合出橢圓運動的圓形通孔，如此在使用時，可將與偶數層內電極相連接的外電極接地，之後給剩餘兩個外電極中的任意一個外電極接入一定頻率的低壓交變電壓，由於壓電效應，本新型壓電陶瓷驅動器頂端中心點處會耦合出一個橢圓運動，本新型壓電陶瓷驅動器不僅驅動電壓低，而且驅動電路也很電路簡單。

進一步來說，將本新型壓電陶瓷驅動器外設一個用於夾持固定上述壓電陶瓷驅動器的夾持固定裝置形成超聲電機，則就可以有效驅動滑塊做直線運動，如此本超聲電機不僅重量輕，而且體積還很小，運用於航空航天領域，可以極大地減少負重以及極大地節約空間，適於在航空航天、微機械、機器人、醫療器械、鏡頭變焦等需精密驅動的領域廣發推廣應用。

附圖說明

圖1為本發明壓電陶瓷驅動器結構示意圖。

圖2為圖1的橫向切面示意圖。

圖3為本發明壓電陶瓷驅動器的內電極示意圖。

圖4為本發明壓電陶瓷驅動器的工作模式示意圖。

圖5為本發明超聲電機示意圖。

其中，附圖標記對應的名稱為：

1-方形主體、3-外電極、10-壓電陶瓷層、21-弧形槽、22-圓孔、40-圓形通孔、50-夾持固定裝置、60-壓電陶瓷驅動器、211-第一電極分區、212-第二電極分區。

具體實施方式

下面結合附圖說明和實施例對本發明作進一步說明，本發明的方式包括但不僅限於以下實施例。

如圖1-5所示，本發明提供的新型壓電陶瓷驅動器及含該壓電陶瓷驅動器的超聲電機，結構簡單、設計科學合理，其中新型壓電陶瓷驅動器所需驅動電壓低，驅動電路簡單並且功率密度高，可有效解決現有技術驅動電壓高以及驅動電路複雜的問題；而運用上述新型壓電陶瓷驅動器的超聲電機質量輕便，體積小，可以極大地減少負重以及極大地節約空間，並且大大降低驅動電壓。

本新型壓電陶瓷驅動器，包括由至少三層相互疊加的壓電陶瓷層10構成的方形主體1，設置在相鄰壓電陶瓷層之間的內電極，以及設置在方形主體1外側面並同時與所有內電極接觸、用於輸入電壓時使不同壓電陶瓷層激勵出不同振動模式的外電極3；所述壓電陶瓷層10中心位置設有用於將不同振動模式調節成相同振動頻率、以便在方形主體頂端中心點耦合出橢圓運動的圓形通孔40；位於奇數層的內電極由第一電極分區211和第二電極分區212組成，第一電極分區211和第二電極分區212以圓形通孔40圓心為中心對稱分布，並且第一電極分區211和第二電極分區212上均設有與圓形通孔40部分弧形邊輪廓相同的弧形槽21；而位於偶數層的內電極上則開設有位置與圓形通孔對應並且尺寸與圓形通孔尺寸相同的圓孔22。

所述外電極3為三個，分設在方形主體1三個外側面上，其中一個外電極同時與所有偶數層的內電極接觸；第二個外電極同時與所有奇數層中的第一電極分區接觸；第三個外電極同時與所有奇數層中的第二電極分區接觸。

本新型壓電陶瓷驅動器採用多層壓電陶瓷層相互疊加成方形主體，在方形主體的各貼合層分別設內電極，並且位於奇數層的內電極設第一電極分區和第二電極分區，在方形主體的三個外側面各設一個外電極，並且三個外電極分別與第一電極分區、第二電極分區和位於偶數層的內電極相連接，同時在方形主體中心設用於將不同振動模式調節成相同振動頻率、以便在方形主體頂端中心點耦合出橢圓運動的圓形通孔，如此在使用時，可將與偶數層內電極相連接的外電極接地，之後給剩餘兩個外電極中的任意一個外電極接入一定頻率的低壓交變電壓，由於壓電效應，本新型壓電陶瓷驅動器頂端中心點處會耦合出一個橢圓運動，本新型壓電陶瓷驅動器不僅驅動電壓低，而且驅動電路也很電路簡單。

如圖4所示，本新型壓電陶瓷驅動器的原理如下，將與偶數層內電極相連接的外電極接地，之後給剩餘兩個外電極中的任意一個外電極接入一定頻率的低壓交變電壓，由於壓電效應，會激勵出圖4(a)或者圖4(b)所示的振動模式，通過圓形通孔的調節，最終兩種振動模式的振動頻率相同並同時被激勵出來，如此本新型壓電陶瓷驅動器頂端中心點處就會耦合出一個橢圓運動，本新型壓電陶瓷驅動器採用上述結構不僅驅動電壓低，驅動電路電路簡單，而且功率密度高。

如圖5所示，本超聲電機包括前述壓電陶瓷驅動器60，以及夾持固定裝置50；所述壓電陶瓷驅動器整體安裝在夾持固定裝置50中。採用上述結構能有效驅動滑塊做直線運動，如此本超聲電機不僅重量輕體積小，而且驅動電壓低，運用於航空航天領域，可以極大地減少負重以及極大地節約空間，所節約成本可以以億計，極具實用性，同時也極其適於在微機械、機器人、醫療器械、鏡頭變焦等需精密驅動的領域應用。

上述實施例僅為本發明的優選實施方式之一，不應當用於限制本發明的保護範圍，但凡在本發明的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本發明一致的，均應當包含在本發明的保護範圍之內。