[發(fā)明專(zhuān)利]一種新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及由其構(gòu)成的超聲電機(jī)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710319823.4
• 申請(qǐng)日: 2017-05-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107134944A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳治江;周麗鳳;唐愷;張志強(qiáng);高博
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院材料研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H02N2/00
• 分類(lèi)號(hào): H02N2/00;H02N2/04
• 代理公司: 成都眾恒智合專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙)51239
• 代理人: 王育信

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及由其構(gòu)成的超聲電機(jī)。

背景技術(shù)

超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度大、響應(yīng)快、分辨率高、斷電自鎖、無(wú)電磁干擾等特點(diǎn)，在微機(jī)械、機(jī)器人、醫(yī)療器械、鏡頭變焦、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而普通超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓一般較高，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，對(duì)超聲電機(jī)的輕量化與微型化非常不利，制約了超聲電機(jī)的發(fā)展。

如果說(shuō)民用產(chǎn)品體積稍大可以接受的話，那么在航空航天領(lǐng)域，攜帶冗余沉重的部件可能就意味著數(shù)以億計(jì)的損失，這一問(wèn)題就尤為突出了。因此降低驅(qū)動(dòng)電壓、簡(jiǎn)化激勵(lì)方式是時(shí)下超聲電機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。多層壓電陶瓷具有低壓驅(qū)動(dòng)、薄型化、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，如果將其作為超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，能大大降低驅(qū)動(dòng)電壓。

基于此，專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN201610543614.3提供了一種基于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)方式的行波型超聲電機(jī)，該電機(jī)利用12個(gè)壓電疊堆一起來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，采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(jī)的問(wèn)題主要是利用的壓電疊堆數(shù)量過(guò)大，導(dǎo)致電機(jī)尺寸偏大。

專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)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(yùn)動(dòng)超聲電機(jī)，該電機(jī)通過(guò)多層壓電陶瓷棒可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)。但是該多層壓電陶瓷棒分成相互分隔的5個(gè)部分，每個(gè)部分的內(nèi)電極形狀不同，用于引出的外電極有14個(gè)之多，這樣導(dǎo)致多層壓電陶瓷整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，解決現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)電壓高以及驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜的問(wèn)題，同時(shí)提供一種包括該新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的超聲電機(jī)，該超聲電機(jī)具有質(zhì)量輕、體積小的特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，包括由至少三層相互疊加的壓電陶瓷層構(gòu)成的方形主體，設(shè)置在相鄰壓電陶瓷層之間的內(nèi)電極，以及設(shè)置在方形主體外側(cè)面并同時(shí)與所有內(nèi)電極接觸、用于輸入電壓時(shí)使不同壓電陶瓷層激勵(lì)出不同振動(dòng)模式的外電極；所述壓電陶瓷層中心位置設(shè)有用于將不同振動(dòng)模式調(diào)節(jié)成相同振動(dòng)頻率、以便在方形主體頂端中心點(diǎn)耦合出橢圓運(yùn)動(dòng)的圓形通孔；位于奇數(shù)層的內(nèi)電極由第一電極分區(qū)和第二電極分區(qū)組成，第一電極分區(qū)和第二電極分區(qū)以圓形通孔圓心為中心對(duì)稱(chēng)分布，并且第一電極分區(qū)和第二電極分區(qū)上均設(shè)有與圓形通孔部分弧形邊輪廓相同的弧形槽；而位于偶數(shù)層的內(nèi)電極上則開(kāi)設(shè)有位置與圓形通孔對(duì)應(yīng)并且尺寸與圓形通孔尺寸相同的圓孔。

進(jìn)一步地，所述外電極為三個(gè)，分設(shè)在方形主體三個(gè)外側(cè)面上，其中一個(gè)外電極同時(shí)與所有偶數(shù)層的內(nèi)電極接觸；第二個(gè)外電極同時(shí)與所有奇數(shù)層中的第一電極分區(qū)接觸；第三個(gè)外電極同時(shí)與所有奇數(shù)層中的第二電極分區(qū)接觸。

一種超聲電機(jī)，包括如上所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，以及夾持固定裝置；所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器整體安裝在夾持固定裝置中。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、設(shè)計(jì)科學(xué)合理，本新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器所需驅(qū)動(dòng)電壓低，并且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單以及功率密度高，運(yùn)用該新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的超聲電機(jī)質(zhì)量輕便，體積小。

本新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器采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(shè)內(nèi)電極，并且位于奇數(shù)層的內(nèi)電極設(shè)第一電極分區(qū)和第二電極分區(qū)，在方形主體的三個(gè)外側(cè)面各設(shè)一個(gè)外電極，并且三個(gè)外電極分別與第一電極分區(qū)、第二電極分區(qū)和位于偶數(shù)層的內(nèi)電極相連接，同時(shí)在方形主體中心設(shè)用于將不同振動(dòng)模式調(diào)節(jié)成相同振動(dòng)頻率、以便在方形主體頂端中心點(diǎn)耦合出橢圓運(yùn)動(dòng)的圓形通孔，如此在使用時(shí)，可將與偶數(shù)層內(nèi)電極相連接的外電極接地，之后給剩余兩個(gè)外電極中的任意一個(gè)外電極接入一定頻率的低壓交變電壓，由于壓電效應(yīng)，本新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器頂端中心點(diǎn)處會(huì)耦合出一個(gè)橢圓運(yùn)動(dòng)，本新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器不僅驅(qū)動(dòng)電壓低，而且驅(qū)動(dòng)電路也很電路簡(jiǎn)單。

進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，將本新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器外設(shè)一個(gè)用于夾持固定上述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的夾持固定裝置形成超聲電機(jī)，則就可以有效驅(qū)動(dòng)滑塊做直線運(yùn)動(dòng)，如此本超聲電機(jī)不僅重量輕，而且體積還很小，運(yùn)用于航空航天領(lǐng)域，可以極大地減少負(fù)重以及極大地節(jié)約空間，適于在航空航天、微機(jī)械、機(jī)器人、醫(yī)療器械、鏡頭變焦等需精密驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)域廣發(fā)推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的橫向切面示意圖。

圖3為本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)電極示意圖。

圖4為本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的工作模式示意圖。