[發明專利]采用d15剪切模式的壓電驅動器及精密微動臺

有效

• 申請號: 201410363266.2
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104104267B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 祝聰;崔宏超
• 申請（專利權）人: 北京派和科技股份有限公司
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04;H01L41/09
• 代理公司: 北京恩赫律師事務所11469
• 代理人: 趙文成

技術領域

本發明涉及精密驅動技術領域，特別是指一種采用d₁₅剪切模式的壓電驅動器及包括該壓電驅動器的精密微動臺。

背景技術

1998年，日本Kurosawa等人提出了一種高速、大推力V形直線超聲電機，如圖1所示，其壓電驅動器包括兩個結構對稱的蘭杰文振子6，兩個蘭杰文振子6同時做同向的伸縮運動時，形成對稱模態，此時，在壓電驅動器的驅動端上形成豎直方向的振動，如圖2所示；兩個蘭杰文振子6同時做互為反向的伸縮運動時，形成反對稱模態，此時，在壓電驅動器的驅動端上形成水平方向的直線運動，如圖3所示。壓電驅動器的端面運動上由于這兩種振動的作用形成在空間上為π/2的相位差，只要激發出這兩種振動模態在端面上的時間響應具有π/2的相位差，就可以在壓電驅動器的驅動端上形成橢圓運動軌跡。如果在壓電驅動器和動子(如滑條)之間施加適當的預壓力，使動子和壓電驅動器的驅動端接觸，通過摩擦力作用，壓電驅動器的驅動端就可以驅動動子做直線運動。

另一種壓電驅動器如圖4所示，四個正方形截面的柱形結構在端頭被一個方錐形部分連接，每個方柱朝外的兩個面上粘貼有壓電陶瓷片7，用于激勵方柱部分的彎曲振動。四個方柱由一個薄板8連接，用于支撐壓電驅動器。壓電驅動器在x方向與y方向具有相同的結構尺寸，理論上具有相同的動態特性。壓電驅動器柱形部分在壓電陶瓷片作用下可以產生形如圖5所示的對稱彎曲振動模態，和如圖6所示的反對稱彎曲振動模態。在這兩個模態下，壓電驅動器的驅動端9的振動不同：當以對稱彎曲振動模態振動時，壓電驅動器的驅動端9僅產生z方向的振動；當以反對稱彎曲振動模態振動時，壓電驅動器的驅動端9產生x方向的振動。若對稱彎曲 振動模態和反對稱彎曲振動模態的振動同時進行，且具有π/2相位差，壓電驅動器的驅動端9就能形成一個橢圓運動，這個橢圓運動可推動壓在其上的動子沿x軸運動，若相位差為-π/2，動子沿x軸反向運動。由于壓電驅動器在yz平面內具有與xz平面相同的結構，可以同樣的激勵方式實現動子沿y軸的正、負方向運動。因此，具有這種結構形式的壓電驅動器可驅動動子實現兩個自由度的直線運動。

上述兩種方案都存在以下缺點：(1)壓電驅動器通過利用兩種振動模態的共振來放大振幅獲取軌跡橢圓，共振的方式會使得壓電驅動器的尺寸變大，并且尺寸稍小時，振動的頻率非常大，實現比較困難；(2)第一種壓電驅動器采用d₃₁模式變形，第二種壓電驅動器采用d₃₃模式變形，兩種模式變形的變形量小，壓電驅動器輸出力低。

發明內容

本發明提供一種采用d₁₅剪切模式的壓電驅動器及包括該壓電驅動器的精密微動臺，該壓電驅動器具有尺寸小；變形量大，輸出力高的優點。

為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下：

一種采用d₁₅剪切模式的壓電驅動器，包括壓電陶瓷主體，所述壓電陶瓷主體包括基板和位于所述基板上并可以產生d₁₅剪切模式變形的第一壓電陶瓷懸臂梁和第二壓電陶瓷懸臂梁，所述第一壓電陶瓷懸臂梁和第二壓電陶瓷懸臂梁豎向設置并沿所述基板長度方向排布；所述第一壓電陶瓷懸臂梁和第二壓電陶瓷懸臂梁的頂端連接有用于與動子連接的第一柔性倒V形架，所述第一柔性倒V形架將所述第一壓電陶瓷懸臂梁和第二壓電陶瓷懸臂梁的d₁₅剪切模式變形轉換成橢圓運動軌跡。

進一步的，所述第一壓電陶瓷懸臂梁和第二壓電陶瓷懸臂梁的形狀均為柱形長方體，其極化方向相同，均為豎直方向或水平方向；所述第一壓電陶瓷懸臂梁的加電方式為：在與所述基板的長度方向垂直的兩個側面中，一個側面連接有第一驅動信號，另一個側面接地；所述第二壓電陶瓷懸臂梁的加電方式為：在與所述第一壓電陶瓷懸臂梁相同的兩個側面上對 應分別連接有第二驅動信號和接地。

進一步的，所述第一驅動信號和第二驅動信號均為正弦信號且相位差為π/2。

進一步的，所述壓電陶瓷主體還包括與所述第一壓電陶瓷懸臂梁和第二壓電陶瓷懸臂梁材質、結構和極化方向完全相同的第三壓電陶瓷懸臂梁和第四壓電陶瓷懸臂梁，所述第一壓電陶瓷懸臂梁、第二壓電陶瓷懸臂梁、第三壓電陶瓷懸臂梁和第四壓電陶瓷懸臂梁呈矩形排布，所述第三壓電陶瓷懸臂梁和第四壓電陶瓷懸臂梁的頂端連接有第二柔性倒V形架，所述第二柔性倒V形架與所述第一柔性倒V形架的材質和結構完全相同。

進一步的，所述第三壓電陶瓷懸臂梁、第四壓電陶瓷懸臂梁與所述第一壓電陶瓷懸臂梁、第二壓電陶瓷懸臂梁的加電方式相反。