壓電振子及包括該壓電振子的精密位移平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電振子及包括該壓電振子的精密位移平臺，屬于壓電【技術領域】，所述壓電振子的上下兩個表面上分別設置有多層壓電陶瓷，壓電振子的一側設置有陶瓷觸頭，多層壓電陶瓷的每層之間及最內表面上設置有內電極，最外表面上設置有外電極，多層壓電陶瓷的內電極采用并聯(lián)的方式連接，與外電極相連；壓電振子的上下兩表面上的多層壓電陶瓷分別分為四個電極區(qū)，沿厚度方向極化，相鄰兩個電極區(qū)的極化方向相反；壓電振子的上下兩個表面的四個電極區(qū)對稱且連線和加電方式一致，位于同一面內的相鄰兩個電極區(qū)的加電方式相反。本發(fā)明采用多層壓電陶瓷，使用較小的驅動電壓就能提供較大的驅動力，并且能夠提高驅動穩(wěn)定性。
【專利說明】壓電振子及包括該壓電振子的精密位移平臺
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓電【技術領域】，特別是指一種壓電振子及包括該壓電振子的精密位移 平臺。
【背景技術】
[0002] 壓電驅動器是利用壓電材料的逆壓電效應，激發(fā)彈性體產(chǎn)生超聲頻段的微幅振 動，迫使接觸面的質點產(chǎn)生類似橢圓軌跡運動，并通過定、動子之間的摩擦將其轉換成動子 的旋轉或直線運動。壓電驅動器具有結構形式多樣、位置精度高、慣性小、低噪聲運行、響應 快、斷電自鎖、不產(chǎn)生磁場亦不受電磁干擾等優(yōu)點。由于具有以上諸多優(yōu)點，壓電驅動器在 工業(yè)自動化、航空航天、醫(yī)療、生物工程等領域得到了大量的應用，并發(fā)揮了巨大的作用。
[0003] 南京航空航天大學提出的CN102664552A專利申請，名稱為"一種雙驅動足矩形壓 電板式直線超聲電機"，其包括基座、定子和動子，其中定子包括一個矩形板壓電陶瓷和兩 個陶瓷驅動足，矩形板壓電陶瓷的頂面、底面均被銀作為電極層；所述兩個陶瓷驅動足分別 粘接在矩形板壓電陶瓷側面2階彎振的波峰和波谷處；動子包括滑塊和氧化鋁陶瓷條，且 所述氧化鋁陶瓷條粘接在滑塊的一側；基座的頂面形成容置腔，該容置腔的一側設有軌道， 動子可滑動地設于軌道上；定子設于容置腔內，并使定子上的兩個陶瓷驅動足與動子上的 氧化鋁陶瓷條接觸。
[0004] 清華大學周鐵英等人提出的CN100514832C專利，名稱為"壓電陶瓷金屬復合板 面內振動直線超聲電機"，該電機由定子、輸出力矩的動子以及給動子加壓的預壓力機構組 成，定子由八片壓電陶瓷片以及金屬板構成，金屬板的側面上設有驅動足。該各壓電陶瓷片 對稱粘貼在金屬板的兩表面上，且均沿著定子的厚度方向極化，該壓電陶瓷片接激勵電極 的表面涂有外電極，用于沿與壓電陶瓷極化方向垂直的方向施加電場，利用壓電陶瓷的d 31 效應在定子上激勵出彎振和縱振的復合振動，該技術是通過多片壓電陶瓷協(xié)同工作來達到 驅動效果。
[0005] 上述兩種方案，均使用單層壓電陶瓷，要達到較高的輸出力，所需驅動電壓較大， 同時外力增大會導致壓電振子（即定子）振動模態(tài)發(fā)生變化，從而使得壓電振子的工作性 能變差，驅動穩(wěn)定性下降。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種驅動電壓小、驅動力大、驅動穩(wěn)定性高的壓 電振子及包括該壓電振子的精密位移平臺。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供技術方案如下：
[0008] 本發(fā)明提供一種壓電振子及包括該壓電振子的精密位移平臺，所述壓電振子的上 下兩個表面上分別設置有多層壓電陶瓷，所述壓電振子的一側設置有陶瓷觸頭，其中：
[0009] 所述多層壓電陶瓷的每層之間及最內表面上設置有內電極，所述多層壓電陶瓷的 最外表面上設置有外電極，所述多層壓電陶瓷的內電極采用并聯(lián)的方式連接，與所述外電 極相連；
[0010] 所述壓電振子的上下兩表面上的所述多層壓電陶瓷分別分為四個電極區(qū)，沿厚度 方向極化，相鄰兩個電極區(qū)的極化方向相反；
[0011] 所述壓電振子的上下兩個表面的四個電極區(qū)對稱且連線和加電方式一致，位于同 一面內的相鄰兩個電極區(qū)的加電方式相反。
[0012] 進一步的，所述壓電振子的上下兩個表面的多層壓電陶瓷為管狀一體結構，由事 先被好多個電極區(qū)的帶狀壓電陶瓷膜連續(xù)卷曲且高溫燒結而成。
[0013] 進一步的，所述壓電振子還包括上下兩個表面為平面的金屬圓管，所述多層壓電 陶瓷為片狀結構且設置在所述金屬圓管的上下兩個表面上；
[0014] 或者，所述壓電振子還包括金屬矩形殼，所述多層壓電陶瓷為片狀結構且設置在 所述金屬矩形殼的上下兩個表面上。
[0015] 進一步的，所述多層壓電陶瓷為片狀結構，所述壓電振子由兩片所述多層壓電陶 瓷連接形成。
[0016] 進一步的，所述多層壓電陶瓷的四個電極區(qū)按田字格方式均勻分布，所述多層壓 電陶瓷的層數(shù)為至少5層，所述陶瓷觸頭的數(shù)量為2個且布置在所述壓電振子的兩個端部。
[0017] 進一步的，所述壓電振子為權利要求1至5中任一權利要求所述的壓電振子；所述 精密位移平臺包括上臺體和下臺體，其中：
[0018] 所述上臺體和下臺體通過交叉滾子導軌連接；
[0019] 所述上臺體的一側設置有氧化鋁陶瓷條，所述下臺體的相同一側設置有容置殼， 所述壓電振子位于所述容置殼內，所述壓電振子的陶瓷觸頭與所述氧化鋁陶瓷條相接觸。
[0020] 進一步的，所述容置殼內設置有沿長度方向夾持所述壓電振子的彈性夾子，所述 彈性夾子的長度方向兩端設置有碟簧。
[0021] 進一步的，所述彈性夾子的長邊一側與所述容置殼之間設置有彈簧。
[0022] 進一步的，所述容置殼上設置有用于調節(jié)對所述壓電振子的縱向預緊力和/或橫 向預緊力的調節(jié)裝置。
[0023] 進一步的，所述壓電振子在與所述陶瓷觸頭相反的一側設置有定位柱，所述彈性 夾子在與所述定位柱相對應的位置設置有定位孔。
[0024] 工作時，對壓電振子的任一表面上的多層壓電陶瓷的電極區(qū)加載一定頻率的正弦 電壓信號，會同時激發(fā)出多層壓電陶瓷的一階縱振和二階彎振，兩種振動會在陶瓷觸頭處 耦合成橢圓振動。如果壓電振子的上下兩個表面的多層壓電陶瓷同時加電，會成倍增強陶 瓷觸頭處所耦合成的橢圓振動，增加驅動力。陶瓷觸頭處形成的橢圓振動，通過摩擦作用于 精密位移平臺的上臺體的氧化鋁陶瓷條，進而驅動精密位移平臺進行運動。
[0025] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0026] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用多層壓電陶瓷，每一層壓電陶瓷的厚度相對較小，需 要的驅動電壓較小，將多層壓電陶瓷并聯(lián)，可以在總的電壓幅值較小的情況下產(chǎn)生較大的 驅動力，這較傳統(tǒng)的使用單層壓電陶瓷的方案來說，使用較小的驅動電壓就能提供較大的 驅動力。
[0027] 而且，采用單層壓電陶瓷，為了能夠產(chǎn)生較大的振動位移和驅動力，需要壓電陶瓷 工作在諧振頻率下，而諧振頻率受陶瓷的幾何尺寸的影響較大，由于加工誤差所造成的尺 寸偏差會影響壓電陶瓷的諧振頻率，從而會影響壓電振子的整體驅動性能，造成壓電振子 的驅動不穩(wěn)定，本發(fā)明使用多層壓電陶瓷可以避免這個問題，使得驅動穩(wěn)定性提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的壓電振子的一種實施方式的結構示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的壓電振子的另一種實施方式的結構示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明的壓電振子的再一種實施方式的結構示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明的壓電振子的又一種實施方式的結構示意圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明的壓電振子的多層壓電陶瓷的電極引出方式示意圖；
[0033] 圖6為本發(fā)明的精密位移平臺的一種實施方式的爆炸示意圖；
[0034] 圖7為本發(fā)明的精密位移平臺的另一種實施方式的裝配示意圖；
[0035] 圖8為本發(fā)明的精密位移平臺的再一種實施方式的裝配示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 為使本發(fā)明要解決的技術問題、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖及具 體實施例進行詳細描述。
[0037] -方面，本發(fā)明提供一種壓電振子，如圖1-5所示，壓電振子的上下兩個表面上分 別設置有多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'，壓電振子的一側設置有陶瓷觸頭11、11'、11"、 1Γ"。需要說明的是，為了清楚的顯示壓電振子的結構，圖1-4中將壓電振子側立放置，即 圖1-4中看到的壓電振子的前后兩面即為其正常放置時的上下兩個表面。并且，圖1同時 顯示出了壓電振子的前后兩面的結構。
[0038] 多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'的每層之間及多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'的 最內表面設置有內電極，多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'的最外表面上設置有外電極12、 12'、12"、12"'，多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'的內電極采用并聯(lián)的方式連接，與外電極 12、12'、12"、12"'相連（電極引出方式可以參考圖5中的14a-14e);
[0039] 壓電振子的上下兩個表面的多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'分別分為四個電極 區(qū)，沿厚度方向極化，相鄰兩個電極區(qū)的極化方向13、13'、13"、13"'相反；
[0040] 壓電振子的上下兩個表面的四個電極區(qū)對稱且連線和加電方式一致，位于同一面 內的相鄰兩個電極區(qū)的加電方式相反。
[0041] 工作時，對壓電振子的任一表面上的多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'的電極區(qū)加 載一定頻率的正弦電壓信號，會同時激發(fā)出多層壓電陶瓷的一階縱振和二階彎振，兩種振 動會在陶瓷觸頭11、11'、11"、11"'處耦合成橢圓振動。如果壓電振子的上下兩個表面的多 層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'同時加電，會成倍增強陶瓷觸頭11、1Γ、11"、1Γ"處所耦合 成的橢圓振動，增加驅動力。
[0042] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'，每一層壓電陶瓷的 厚度相對較小，需要的驅動電壓較小，將多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'并聯(lián)，可以在總的 電壓幅值較小的情況下產(chǎn)生較大的驅動力，這較傳統(tǒng)的使用單層壓電陶瓷的方案來說，使 用較小的驅動電壓就能提供較大的驅動力。
[0043] 傳統(tǒng)上，采用單層壓電陶瓷，為了能夠產(chǎn)生較大的振動位移和驅動力，需要壓電陶 瓷工作在諧振頻率下，而諧振頻率受陶瓷的幾何尺寸的影響較大，由于加工誤差所造成的 尺寸偏差會影響壓電陶瓷的諧振頻率，從而會影響壓電振子的整體驅動性能，造成壓電振 子的驅動不穩(wěn)定，本發(fā)明使用多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'可以避免這個問題，使得驅動 穩(wěn)定性提1?。
[0044] 進一步的，在上述原理的基礎上，本發(fā)明的壓電振子可以采用多種結構形式，下面 僅列舉四種比較容易實現(xiàn)的結構形式予以說明。
[0045] 結構形式一：
[0046] 如圖1所示，壓電振子的上下兩個表面的多層壓電陶瓷14為管狀一體結構，由事 先被好多個電極區(qū)的帶狀壓電陶瓷膜連續(xù)卷曲且高溫燒結而成。這種結構便于壓電振子的 制作與加工。
[0047] 結構形式二：
[0048] 如圖2所示，壓電振子包括上下兩個表面為平面的金屬圓管15,多層壓電陶瓷14' 為片狀結構且設置（可以粘貼設置）在金屬圓管15的上下兩個表面上。而且，金屬圓管15 的側面上可以設置有開槽，以減小金屬基體的剛性。該結構形式的好處是克服了由于壓電 陶瓷脆性較大，導致壓電陶瓷易碎的缺點。
[0049] 結構形式三：
[0050] 如圖3所示，壓電振子包括金屬矩形殼16,多層壓電陶瓷14"為片狀結構且設置在 金屬矩形殼16的上下兩個表面上。在該實施例中，采用金屬矩形殼16結構，對結構的對稱 性實現(xiàn)有利，便于結構對稱性的工藝實現(xiàn)；同時由于金屬矩形殼16的壁厚均勻，可以使粘 貼在上面的壓電陶瓷14"受力比較均勻，減小了對壓電陶瓷振動模態(tài)的影響，在實際運行時 可以更加貼近于設計時的要求，更加滿足使用要求。
[0051] 結構形式四：
[0052] 如圖4所示，多層壓電陶瓷14"'為片狀結構，壓電振子由兩片所述多層壓電陶瓷 14"'連接形成。在該實施例中，直接將兩片多層壓電陶瓷14"'上下布置連接在一起，形成 壓電振子，加工方便快捷。
[0053] 應當理解的是，圖1-4所示實施例中僅示出了壓電振子優(yōu)選的四種不同的結構形 式，本領域技術人員可以在此基礎上進行改變和調整，以形成更多不同的結構形式，均屬于 本發(fā)明的保護范圍。
[0054] 在上述實施例中，多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'的四個電極區(qū)優(yōu)選按田字格方 式均勻分布，并且為了提高輸出力，多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'的層數(shù)優(yōu)選為至少5 層，另外，陶瓷觸頭11、1Γ、11"、1Γ"的數(shù)量優(yōu)選為2個，最好布置在壓電振子的兩個端部， 從而可以有效的利用壓電陶瓷在兩個端部產(chǎn)生的橢圓振動，相比現(xiàn)有的一些只使用一個陶 瓷觸頭的方案，可以更好的利用輸入的電能，利于降低能耗。
[0055] 另一方面，與上述的壓電振子相對應，本發(fā)明提供一種精密位移平臺，其上設置有 壓電振子，精密位移平臺包括上臺體9、9'、9"和下臺體10、10'、10"，其中：
[0056] 上臺體9、9'、9"和下臺體10、10'、10"通過交叉滾子導軌8、8'、8"連接；
[0057] 上臺體9、9'、9"的一側設置有氧化鋁陶瓷條7、7'、7"，下臺體10、10'、10"的相 同一側設置有容置殼4、4'、4"，壓電振子位于容置殼4、4'、4"內，壓電振子的陶瓷觸頭11、 1Γ、11"、1Γ"與氧化鋁陶瓷條7、7'、7"相接觸。
[0058] 工作時，壓電振子本身產(chǎn)生的一階縱振和二階彎振，在陶瓷觸頭11、1Γ、11"、1Γ" 處耦合成橢圓振動，橢圓振動通過陶瓷觸頭11、1Γ、11"、1Γ"與在上臺體9、9'、9"上粘貼 的氧化鋁陶瓷條7、7'、7"之間的摩擦來驅動上臺體9、9'、9"做亞微米至納米級步距的運 動。氧化鋁陶瓷條7、7'、7"的使用能夠減小壓電振子與上臺體9、9'、9"之間的磨損，提高 精密位移平臺運行的穩(wěn)定性和精度保持性。
[0059] 進一步的，本發(fā)明中容置殼4、4'、4"內可以設置有沿長度方向夾持壓電振子的彈 性夾子2、2'、2"，該彈性夾子的長度方向兩端可以設置有碟簧1、1'、1"。彈性夾子2、2'、2" 優(yōu)選使用工程塑料為材料加工，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)對壓電振子的彈性夾持，同時實現(xiàn)絕緣， 這利于壓電振子在兩端被電極，實現(xiàn)低電壓驅動。
[0060] 并且，彈性夾子2、2'、2"的長邊一側優(yōu)選與容置殼4、4'、4"之間設置有彈簧3、3'、 3"，以實現(xiàn)對壓電振子的橫向預緊力的調整。
[0061] 為了便于調節(jié)對壓電振子的縱向預緊力和/或橫向預緊力的調節(jié)，容置殼上優(yōu)選 設置有調節(jié)裝置。具體的，容置殼4、4'、4"上可以設置有容置殼前蓋5、5'、5"，容置殼前蓋 5、5'、5"通過半圓柱銷6、6'、6"連接在容置殼4、4'、4"上，以用于改變橫向預緊力；或者， 容置殼與下臺體1〇、1〇'、1〇"之間可以使用螺栓連接，以用于改變縱向預緊力大小。
[0062] 另外，壓電振子在與陶瓷觸頭11、1Γ、11"、1Γ"相反的一側優(yōu)選設置有定位柱 15,彈性夾子2、2'、2"在與定位柱相對應的位置設置有定位孔16。安裝時，定位柱與定位孔 配合，約束了壓電振子的軸向轉動，能夠提高壓電振子工作的穩(wěn)定性。
[0063] 綜上，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0064] 1、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'，每一層壓電陶瓷 的厚度相對較小，需要的驅動電壓較小，將多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'并聯(lián)，可以在總 的電壓幅值較小的情況下產(chǎn)生較大的驅動力；采用單層壓電陶瓷，為了能夠產(chǎn)生較大的振 動位移和驅動力，需要壓電陶瓷工作在諧振頻率下，而諧振頻率受陶瓷的幾何尺寸的影響 較大，由于加工誤差所造成的尺寸偏差會影響壓電陶瓷的諧振頻率，從而會影響壓電振子 的整體驅動性能，造成壓電振子的驅動不穩(wěn)定，本發(fā)明使用多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"' 可以避免這個問題，使得壓電振子穩(wěn)定性提高，利于從兩個驅動頭到多個驅動頭的轉化。 [0065] 2、多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'在加正弦電壓信號后同時形成一階縱振和二階 彎振，在陶瓷觸頭11、1Γ、11"、1Γ"處形成橢圓振動，橢圓振動通過陶瓷觸頭11、11'、11"、 1Γ"與在上臺體上粘貼的氧化鋁陶瓷之間的摩擦來驅動上臺體9、9'、9"做亞微米至納米級 步距的運動，使用氧化鋁陶瓷條7、7'、7"減小了壓電振子與上臺體9、9'、9"之間的磨損，提 高了精密位移平臺運行的穩(wěn)定性和精度保持性。
[0066] 3、陶瓷觸頭11、1Γ、11"、1Γ"優(yōu)選為2個且布置在壓電振子的兩個端部，可以有 效的利用多層壓電陶瓷14、14'、14"、14"'在壓電振子兩個端部產(chǎn)生的橢圓振動，相比現(xiàn)有 的一些只使用一個陶瓷觸頭的方案，可以更好的利用輸入的電能，利于降低能耗。
[0067] 以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員 來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種壓電振子，其特征在于，所述壓電振子的上下兩個表面上分別設置有多層壓電 陶瓷，所述壓電振子的一側設置有陶瓷觸頭，其中 ： 所述多層壓電陶瓷的每層之間及最內表面上設置有內電極，所述多層壓電陶瓷的最外 表面上設置有外電極，所述多層壓電陶瓷的內電極采用并聯(lián)的方式連接，與所述外電極相 連； 所述壓電振子的上下兩表面上的所述多層壓電陶瓷分別分為四個電極區(qū)，沿厚度方向 極化，相鄰兩個電極區(qū)的極化方向相反； 所述壓電振子的上下兩個表面的四個電極區(qū)對稱且連線和加電方式一致，位于同一面 內的相鄰兩個電極區(qū)的加電方式相反。
2. 根據(jù)權利要求1所述的壓電振子，其特征在于，所述壓電振子的上下兩個表面的多 層壓電陶瓷為管狀一體結構，由事先被好多個電極區(qū)的帶狀壓電陶瓷膜連續(xù)卷曲且高溫燒 結而成。
3. 根據(jù)權利要求1所述的壓電振子，其特征在于，所述壓電振子還包括上下兩個表面 為平面的金屬圓管，所述多層壓電陶瓷為片狀結構且設置在所述金屬圓管的上下兩個表面 上； 或者，所述壓電振子還包括金屬矩形殼，所述多層壓電陶瓷為片狀結構且設置在所述 金屬矩形殼的上下兩個表面上。
4. 根據(jù)權利要求1所述的壓電振子，其特征在于，所述多層壓電陶瓷為片狀結構，所述 壓電振子由兩片所述多層壓電陶瓷連接形成。
5. 根據(jù)權利要求1至4中任一權利要求所述的壓電振子，其特征在于，所述多層壓電陶 瓷的四個電極區(qū)按田字格方式均勻分布，所述多層壓電陶瓷的層數(shù)為至少5層，所述陶瓷 觸頭的數(shù)量為2個且布置在所述壓電振子的兩個端部。
6. -種精密位移平臺，其上設置有壓電振子，其特征在于，所述壓電振子為權利要求1 至5中任一權利要求所述的壓電振子；所述精密位移平臺包括上臺體和下臺體，其中 ： 所述上臺體和下臺體通過交叉滾子導軌連接； 所述上臺體的一側設置有氧化鋁陶瓷條，所述下臺體的相同一側設置有容置殼，所述 壓電振子位于所述容置殼內，所述壓電振子的陶瓷觸頭與所述氧化鋁陶瓷條相接觸。
7. 根據(jù)權利要求6所述的精密位移平臺，其特征在于，所述容置殼內設置有沿長度方 向夾持所述壓電振子的彈性夾子，所述彈性夾子的長度方向兩端設置有碟簧。
8. 根據(jù)權利要求7所述的精密位移平臺，其特征在于，所述彈性夾子的長邊一側與所 述容置殼之間設置有彈簧。
9. 根據(jù)權利要求8所述的精密位移平臺，其特征在于，所述容置殼上設置有用于調節(jié) 對所述壓電振子的縱向預緊力和/或橫向預緊力的調節(jié)裝置。
10. 根據(jù)權利要求6至9中任一權利要求所述的精密位移平臺，其特征在于，所述壓電 振子在與所述陶瓷觸頭相反的一側設置有定位柱，所述彈性夾子在與所述定位柱相對應的 位置設置有定位孔。
【文檔編號】H02N2/00GK104124891SQ201410361061
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權日:2014年7月25日
【發(fā)明者】趙艷強, 崔宏超, 褚祥誠 申請人:北京派和科技股份有限公司