[發明專利]一種微型壓電單晶直線電機

有效

• 申請號: 201010199085.2
• 申請日: 2010-06-12
• 公開（公告）號: CN101860257A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 董蜀湘;郭明森
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 張肖琪

技術領域

本發明屬于精密驅動元件技術領域，具體涉及一種微型壓電單晶直線電機。

背景技術

壓電微型電機與傳統的電磁電機相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范圍中，壓電微型電機及壓電驅動器已經顯示了許多獨特的優點，諸如相對高的功率密度，大的驅動力，和相對高的效率。傳統的電磁電機在幾個毫米量級尺寸的制造已變得很困難，而且它的效率在幾個毫米尺寸只剩下百分之幾(＜8％)，因為它缺少足夠強的磁場。壓電電機的效率既沒有尺寸效應也不存在磁場問題。壓電電機即使在毫米尺寸，也能維持低速、和相對大的力矩特征。作為精密驅動元件，壓電電機及驅動器正成為一些高新技術產品諸如手機，醫學成像系統和其它微型醫用設備的關鍵元件。所有這些應用需要小尺寸(從1毫米到1厘米)的微型驅動器，所需要的驅動力在微牛米(μNm)到毫牛米(mNm)，以及小的功率消耗(小于0.1W)。許多新的驅動技術，諸如音圈電機、壓電驅動器、壓電超聲微電機等，已發展并瞄準應用于照相手機中的自動聚焦和變焦。在這些微驅動技術中，壓電微電機在分辨率，驅動力，和功率消耗等方面已顯示出明顯的優越性，并且更容易做到微型化。

壓電電機已成功的應用于照相機自動聚焦和變焦，Canon?Kabushiki?Kaisha公司發展的環狀和棒狀壓電行波超聲電機(US?Patent?5307102，US?Patent?5397835)目前已普遍應用于Canon專業照相機。但這兩種電機的尺寸均在幾個厘米范圍，而且也不容易進一步縮小到幾個毫米尺寸。

最近DavidA.Henderson發明了一種棒狀的微型直線壓電電機(US?Patent?6940209)，該電機的壓電驅動部件在工作時作“呼啦圈”式的運動。該電機有一個圓管狀壓電定子，并利用兩對壓電元件激勵定子振動，在其兩端部產生“呼啦圈”運動，然后通過螺紋機構驅動一個插入其內的螺桿產生直線運動。這種電機可以做成很小尺寸的緊湊結構。但是該種電機對螺紋的加工精度和表面處理要求很高，這是它的不足之處。

另外一種典型的微型直線壓電電機是一個矩形壓電L1-B2雙振動模式系統，工作在第一階縱振動模式(L1)和第二階彎曲振動模式(B2)。為了降低驅動電壓，SamsungElectro-Mechanics?Co.，Ltd.發明了基于多層壓電陶瓷結構的L1-B2模式直線壓電電機(USPatent?7501745B2)。該種電機在工作時，多層壓電陶瓷在2路電壓(Vsinωt，Vcosωt)的驅動下做橢圓軌跡的運動，并通過摩擦驅動與其接觸的直線滑動塊(或微型鏡頭模塊)。該種電機的缺點是需要復雜的多層壓電陶瓷工藝，另外，兩種工作模式的諧振頻率可能會因外界因素(電機定子的固定，預壓力等)導致不同步變化，從而導致性能的變化，并使電機不能正常工作。

另外一種典型的微型壓電驅動器是一個壓電振動棒系統，由Minolta?Co.，Ltd.公司發明(US?Patent?6836057)。該振動系統由一個多層壓電致動器，一個細棒和套在細棒上的鏡頭構成。附在細棒上的壓電致動器依靠快-慢交替的振動，使作用在鏡頭上的慣性力沿長棒某一方向更大，從而實現鏡頭的驅動。這種壓電驅動系統的優點是相對比較簡單的結構，和低的工作電壓，缺點是該振動系統依靠慣性力驅動方式的效率低，振動系統本身也對外界振動敏感。

因此，為了滿足消費電子、生物醫療等產品對微型驅動器的需要，有必要發明一種新的微型壓電電機。

發明內容

本發明的目的在于提供一種結構緊湊的微型壓電單晶直線電機。

本發明壓電單晶驅動器由一個方柱狀壓電單晶材料制成，在電場激勵下可產生特定方向的一階彎曲振動或橢圓彎曲振動；所述的方柱狀壓電單晶下表面中心處粘接有摩擦塊；滑動塊被導軌限定在某一方向上沿直線滑動；壓電單晶驅動器通過一個彈簧產生的預壓力來實現摩擦塊同滑動塊之間的摩擦接觸，再通過壓電單晶驅動器的振動來驅動滑動塊作直線運動。

在本發明涉及的技術方案中：所述的壓電單晶為方柱狀，其厚度和寬度相等，且晶體沿厚度和寬度方向具有同等的晶體取向；所述的壓電單晶側表面分布4個沿軸向排布的電極，對稱分布于4個棱邊附近，單晶的極化方向是從其中一對對角的電極指向另外兩個電極。