[發明專利]圓環形壓電驅動器及壓電馬達

有效

• 申請號: 202010095841.0
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111262471B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 董蜀湘;辛旭東;李占淼;羅亮
• 申請（專利權）人: 北京大學;北京航天芯智匯物聯科技有限公司
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/08;H02N2/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種圓環形壓電驅動器及壓電馬達。通過采用沿厚度方向極化的圓環形板狀結構的壓電本體，在壓電本體第一端主平面和第二端主平面設置多個電極區域，使得壓電驅動器可在預設驅動電壓的激發下產生兩個正交或者反對稱的第一階面內E₀₁振動模式，從而通過摩擦頭的摩擦耦合將壓電本體的微小定向振動轉化成動子宏觀的直線運動。因壓電本體獨特的圓環對稱結構和中空結構設計，提高了壓電馬達正反直線運動的對稱性，減少了陶瓷發熱功耗，強化了溫度穩定性。同時，該壓電驅動器結構簡單，制作方便，可實現大規模生產，且可避免傳統工作于兩種不同模式耦合模態時存在的外界干擾導致的壓電驅動器振動模態失耦和驅動失效的問題。

技術領域

本發明涉及壓電馬達技術，尤其涉及一種圓環形壓電驅動器及壓電馬達。

背景技術

與傳統的電磁式馬達不同，壓電馬達利用壓電元件的逆壓電效應，產生一個有規則的、定向的、高頻率的微小振動，再通過驅動頭摩擦耦合作用將壓電驅動元件產生的高頻微觀振動轉變為與之摩擦接觸的一個動子的宏觀直線或旋轉運動，從而產生機械功率輸出。壓電馬達體積小、功率密度高，且功率密度對尺寸并不敏感，因而在微特電機領域具有明顯的優勢。壓電馬達通常工作在超聲頻率，也稱為超聲馬達，一般包括高頻電源、壓電驅動器(也稱壓電振子或定子)、動子(或轉子)和結構組件(包括預壓力部件)等；壓電驅動器由壓電陶瓷元件、摩擦頭和預壓力部件等組成，而動子則由滑動部件和耐磨板組成。

壓電馬達廣泛應用于精密的直線定位、超微鏡頭精密驅動等。目前應用比較普遍的一種 L1-B2壓電馬達驅動定子，是一個電極被劃分成四部分的矩形壓電陶瓷片，工作模態為第一階縱振動模式(L1)和第二階彎振動模式(B2)的耦合模態，其中第一階縱振動模式(L1)和第二階彎曲振動模式(B2)被同步激發，兩種振動模式耦合(簡并)形成一個理想的、方向可控的橢圓運動模態，然后通過摩擦耦合機理作用將壓電驅動定子的橢圓運動轉換為一個滑塊的直線運動。^[1]但是，靠兩個模態耦合產生驅動效果的壓電馬達必須按照特定結構和尺寸要求設計，在加工精度控制方面也要求很高，而且兩個模態在環境溫度變化或者大功率驅動發熱時容易產生模態去耦合效應致使驅動失效；另外一種典型的德國PI公司的壓電馬達也是依靠兩種模態耦合簡并實現線性運動，^[2]也存在環境溫度變化導致模態去耦合的問題。

為了簡化壓電馬達的結構，改善驅動方式，發明人在發明名稱為《壓電驅動器及壓電馬達》、申請號為201310141382.5中國發明專利中提出了一種基于一階面內彎曲振動的正方形結構壓電馬達，有效克服了傳統采用兩種工作模式耦合所存在的模態去耦合、對外界干擾敏感的問題。但是方形結構面內彎振動模態的激發頻率較高，導致壓電陶瓷中心發熱比較嚴重，降低了壓電馬達的工作效率。

[1]M.Guo,S.Dong,B.Ren,and H.Luo,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control 57, 2260(2010).

[2]O.Vyshnevsky,S.Kovalev,and W.Wischnewskiy,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq. Control 52,2047(2005).

發明內容

本發明提出了一種圓環形壓電驅動器及直線壓電馬達，本圓環形壓電驅動器工作于最簡單的一階面內E₀₁單振動模態，既可有效克服傳統或早期報道的采用兩種工作模式耦合的壓電驅動器所存在的設計制作復雜、功耗大以及易受環境溫度變化影響的問題，也使得壓電驅動器的結構設計更簡單、制作更方便。

本發明的技術方案如下：

一種壓電驅動器，包括壓電本體，所述壓電本體為圓環形板狀結構，所述壓電本體沿厚度方向極化，為壓電陶瓷材料或壓電單晶材料；

所述壓電本體在厚度方向的第一端主平面設置有第一電極層，所述壓電本體在厚度方向的第二端主平面設置有第二電極層；