本發(fā)明涉及壓電技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種壓電振子、包括該壓電振子的驅(qū)動(dòng)器及微動(dòng)臺(tái)。

背景技術(shù)：

壓電驅(qū)動(dòng)器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體產(chǎn)生微幅振動(dòng)，迫使接觸面的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生類似橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，并通過定、動(dòng)子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。壓電驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)形式多樣、位置精度高、慣性小、低噪聲運(yùn)行、響應(yīng)快、斷電自鎖、不產(chǎn)生磁場(chǎng)亦不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。由于具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，壓電驅(qū)動(dòng)器在工業(yè)自動(dòng)化、航空航天、醫(yī)療、生物工程等領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用，并發(fā)揮了巨大的作用。

現(xiàn)在實(shí)用以及科研研究的壓電驅(qū)動(dòng)器采用單層的壓電陶瓷，為了能夠產(chǎn)生較大的振動(dòng)位移和驅(qū)動(dòng)力，需要很大的驅(qū)動(dòng)電壓，電源開發(fā)難度大，且相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源體積也較大。然而，有些壓電驅(qū)動(dòng)器為了能夠產(chǎn)生較大的振動(dòng)位移和驅(qū)動(dòng)力，需要壓電陶瓷工作諧振頻率下，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(huì)影響壓電陶瓷的諧振頻率，從而會(huì)影響壓電振子的整體驅(qū)動(dòng)性能，造成壓電振子的驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定。同時(shí)，為了使壓電驅(qū)動(dòng)器工作在諧振狀態(tài)下，還需要使用專用的超聲電源，電源通常體積較大，不利于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器整個(gè)系統(tǒng)的微型化，而且，對(duì)于剛體來說，工作在諧振狀態(tài)會(huì)加快剛體振動(dòng)破損，縮短了驅(qū)動(dòng)器的壽命，此外，工作在諧振狀態(tài)下的壓電陶瓷的發(fā)熱比較嚴(yán)重，溫度過高易導(dǎo)致壓電陶瓷退極化、損壞或工作不穩(wěn)定，持久疲勞極易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器失效。

并且，為了使得壓電驅(qū)動(dòng)器工作在合適的諧振狀態(tài)下，需要采用合適的尺寸才能夠達(dá)到要求，這樣在很大程度上限制了驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的靈活性， 限制了其微型化和不同場(chǎng)合的適用性。

另外，現(xiàn)有技術(shù)中的壓電驅(qū)動(dòng)器，多使用壓電陶瓷的d31工作模式，該工作模式的機(jī)電耦合系數(shù)要明顯小于d33工作模式。這導(dǎo)致傳統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的電轉(zhuǎn)化效率較低，驅(qū)動(dòng)器能量利用不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種驅(qū)動(dòng)電壓小、穩(wěn)定性高、壽命長、靈活性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高的壓電振子、包括該壓電振子的驅(qū)動(dòng)器及微動(dòng)臺(tái)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供技術(shù)方案如下：

一種壓電振子，所述壓電振子為沿高度方向?qū)盈B形成的多層壓電陶瓷，其中：

所述多層壓電陶瓷的相鄰壓電陶瓷層的極化方向相反，所述多層壓電陶瓷的寬度方向的一側(cè)表面上的兩側(cè)分別設(shè)置有相間隔的第一外電極正極和第二外電極正極，所述多層壓電陶瓷的寬度方向的另一側(cè)表面上設(shè)置有外電極負(fù)極；

所述多層壓電陶瓷的高度方向的一側(cè)表面的中部，且位于第一外電極正極和第二外電極正極之間設(shè)置有陶瓷觸點(diǎn)；

當(dāng)對(duì)所述多層壓電陶瓷的第一外電極正極施加正向電壓，第二外電極正極和外電極負(fù)極施加零電壓時(shí)，所述第一外電極所在區(qū)域的壓電陶瓷會(huì)發(fā)生d33形式的變形，從而導(dǎo)致所述陶瓷觸點(diǎn)產(chǎn)生傾斜，當(dāng)對(duì)所述多層壓電陶瓷的第一外電極正極和第二外電極正極施加相位差90°的正弦信號(hào)時(shí)，所述陶瓷觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的傾斜運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過所述陶瓷觸點(diǎn)與外部的動(dòng)子之間的摩擦力產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。

進(jìn)一步的，所述陶瓷觸點(diǎn)為三棱柱氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述第一外電極正極和第二外電極正極均與所述外電極負(fù)極形成插指結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述多層壓電陶瓷采用流延及絲網(wǎng)印刷工藝制作。

一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，包括驅(qū)動(dòng)器外殼，所述驅(qū)動(dòng)器外殼內(nèi)部設(shè)置有振子柔性鉸鏈安裝座，所述振子柔性鉸鏈安裝座上粘接權(quán)利要求1-4中任一所述的壓電振子，所述壓電振子的陶瓷觸點(diǎn)伸出至所述驅(qū)動(dòng)器外殼的外部。

進(jìn)一步的，所述振子柔性鉸鏈安裝座通過螺栓與所述驅(qū)動(dòng)器外殼連接；

所述振子柔性鉸鏈安裝座的側(cè)面與所述驅(qū)動(dòng)器外殼之間設(shè)置有彈簧。

一種微動(dòng)臺(tái)，包括微動(dòng)臺(tái)底板，所述微動(dòng)臺(tái)底板上設(shè)置有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、導(dǎo)軌定端、導(dǎo)軌動(dòng)端，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器為權(quán)利要求5-6中任一所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，所述導(dǎo)軌動(dòng)端上設(shè)置有與所述陶瓷觸點(diǎn)相配合的陶瓷條。

進(jìn)一步的，所述導(dǎo)軌定端和導(dǎo)軌動(dòng)端通過交叉滾子形成滾動(dòng)導(dǎo)軌副。

進(jìn)一步的，所述陶瓷條為氧化鋁陶瓷條，所述陶瓷條通過環(huán)氧樹脂膠水與所述導(dǎo)軌動(dòng)端粘接。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)器外殼通過螺栓固定在所述微動(dòng)臺(tái)底板上。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明中，采用多層壓電陶瓷，多層壓電陶瓷的變形與電壓的關(guān)系為δl＝d33×n×u33，其中，δl為多層壓電陶瓷加電后的變形，d33為壓電陶瓷的壓電-變形系數(shù)，n為多層陶瓷的層數(shù)，u33為沿著單層壓電陶瓷極化方向所加的電壓信號(hào)的幅值。根據(jù)上述的公式可知，當(dāng)n＝1時(shí)，所述的多層壓電陶瓷就是單層壓電陶瓷，要使單層壓電陶瓷達(dá)到與多層壓電陶瓷相同的變形量δl，單層壓電陶瓷所加的電壓就需要是n×u33，所以，本發(fā)明較傳統(tǒng)的使用單層壓電陶瓷的方案來說，使用較小的驅(qū)動(dòng)電壓就能提供較大的驅(qū)動(dòng)力，大幅度的降低驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓。

本發(fā)明中，由于使用了多層壓電陶瓷，其變形量較大，不需要使壓電驅(qū)動(dòng)器工作在諧振狀態(tài)下，避免了使壓電振子工作在諧振狀態(tài)下帶來的一系列問題，因此，使得壓電振子穩(wěn)定性提高、使用壽命延長，壓電振子的尺寸設(shè)計(jì)也具有很大的靈活性，大大增加了其不同場(chǎng)合的適用性。

并且，本發(fā)明采用的多層壓電陶瓷是一塊陶瓷分成兩個(gè)外電極正極和一個(gè)外電極負(fù)極，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工成型，成品率高。

另外，本發(fā)明中，多層壓電陶瓷12利用了壓電陶瓷機(jī)電耦合系數(shù)較高的d33模式，其能量利用率高于傳統(tǒng)的d31工作模式的驅(qū)動(dòng)器。

綜上，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有驅(qū)動(dòng)電壓小、穩(wěn)定性高、壽命長、靈活性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的壓電振子的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的壓電振子的極化方向示意圖；

圖3為本發(fā)明的壓電振子的加電方式示意圖；

圖4為本發(fā)明的壓電振子的工作原理示意圖；

圖5為本發(fā)明的壓電振子的電極配置方式示意圖；

圖6為本發(fā)明的微動(dòng)臺(tái)的裝配圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

一方面，本發(fā)明提供一種壓電振子，如圖1-2所示，壓電振子為沿高度方向?qū)盈B形成的多層壓電陶瓷12，其中：

多層壓電陶瓷12的相鄰壓電陶瓷層的極化方向相反，多層壓電陶瓷12的寬度方向的一側(cè)表面上的兩側(cè)分別設(shè)置有相間隔的第一外電極正極15和第二外電極正極13，多層壓電陶瓷12的寬度方向的另一側(cè)表面上設(shè)置有外電極負(fù)極；

多層壓電陶瓷12的高度方向的一側(cè)表面的中部，且位于第一外電極正極15和第二外電極正極13之間設(shè)置有陶瓷觸點(diǎn)11；

當(dāng)對(duì)多層壓電陶瓷12的第一外電極正極15施加正向電壓，第二外電極正極13和外電極負(fù)極施加零電壓時(shí)，第一外電極正極15所在區(qū)域的壓 電陶瓷會(huì)發(fā)生d33形式的變形，從而導(dǎo)致陶瓷觸點(diǎn)11產(chǎn)生傾斜，當(dāng)對(duì)多層壓電陶瓷12的第一外電極正極15和第二外電極正極13施加相位差90°的正弦信號(hào)時(shí)，陶瓷觸點(diǎn)11會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的傾斜運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過陶瓷觸點(diǎn)11與外部的動(dòng)子之間的摩擦力產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。

本發(fā)明中，采用多層壓電陶瓷12，多層壓電陶瓷12的變形與電壓的關(guān)系為δl＝d33×n×u33，其中，δl為多層壓電陶瓷12加電后的變形，d33為壓電陶瓷的壓電-變形系數(shù)，n為多層陶瓷的層數(shù)，u33為沿著單層壓電陶瓷極化方向所加的電壓信號(hào)的幅值。根據(jù)上述的公式可知，當(dāng)n＝1時(shí)，多層壓電陶瓷12就是單層壓電陶瓷，要使單層壓電陶瓷達(dá)到與多層壓電陶瓷12相同的變形量δl，單層壓電陶瓷所加的電壓就需要是n×u33，所以，本發(fā)明較傳統(tǒng)的使用單層壓電陶瓷的方案來說，使用較小的驅(qū)動(dòng)電壓就能提供較大的驅(qū)動(dòng)力，大幅度的降低驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓。

本發(fā)明中，由于使用了多層壓電陶瓷12，其變形量較大，不需要使壓電驅(qū)動(dòng)器工作在諧振狀態(tài)下，避免了使壓電振子工作在諧振狀態(tài)下帶來的一系列問題，因此，使得壓電振子穩(wěn)定性提高、使用壽命延長，壓電振子的尺寸設(shè)計(jì)也具有很大的靈活性，大大增加了其不同場(chǎng)合的適用性。

并且，本發(fā)明采用的多層壓電陶瓷12是一塊陶瓷分成兩個(gè)外電極正極和一個(gè)外電極負(fù)極，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工成型，成品率高。

另外，本發(fā)明中，多層壓電陶瓷12利用了壓電陶瓷機(jī)電耦合系數(shù)較高的d33模式，其能量利用率高于傳統(tǒng)的d31工作模式的驅(qū)動(dòng)器。

綜上，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有驅(qū)動(dòng)電壓小、穩(wěn)定性高、壽命長、靈活性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

下面，以壓電振子采用圖3所示的正弦加電方式為例，其中，第一外電極正極15施加正弦信號(hào)26，第二外電極正極13施加負(fù)余弦信號(hào)25，外電極負(fù)極17施加地信號(hào)，壓電振子的工作原理：

1)當(dāng)壓電振子按照?qǐng)D4所示21處的電壓信號(hào)加電時(shí)，第一外電極正極15所處的多層壓電陶瓷12沒有施加電信號(hào)，所以沒有變形，第二外電極正極13所處的多層壓電陶瓷12施加負(fù)向電壓，所以第一外電極正極15 所處的多層壓電陶瓷12會(huì)在電壓信號(hào)的作用下縮短，此時(shí)粘接在14所在沒有刷電極的區(qū)域的陶瓷觸點(diǎn)11會(huì)向圖示右方向偏移，陶瓷觸點(diǎn)11的頂端會(huì)到達(dá)圖5中21所示的位置；

2)當(dāng)壓電振子按照?qǐng)D4所示22處的電壓信號(hào)加電時(shí)，第一外電極正極15所在的區(qū)域多層壓電陶瓷12受到正電壓信號(hào)的作用，會(huì)伸長，而第二外電極正極13所在的區(qū)域多層壓電陶瓷12電壓信號(hào)為零，所以第二外電極正極13所在的區(qū)域的多層壓電陶瓷12沒有變形，此時(shí)陶瓷觸點(diǎn)11會(huì)向圖示所示的右上方向變形，陶瓷觸點(diǎn)11的頂端會(huì)到達(dá)圖5中22所示的位置；

3)當(dāng)壓電振子按照?qǐng)D4所示23處的電壓信號(hào)加電時(shí)，第一外電極正極15所在的區(qū)域多層壓電陶瓷12電壓信號(hào)為零，多層壓電陶瓷12沒有變形，而第二外電極正極13所在的區(qū)域多層壓電陶瓷12電壓信號(hào)為正，所以第二外電極正極13所在的區(qū)域的多層壓電陶瓷12會(huì)伸長，此時(shí)陶瓷觸點(diǎn)11會(huì)向圖示所示的左上方向變形，陶瓷觸點(diǎn)11的頂端會(huì)到達(dá)圖5中23所示的位置；

4)壓電振子按照?qǐng)D4所示24處的電壓信號(hào)加電時(shí)，第一外電極正極15所在的區(qū)域多層壓電陶瓷12受到負(fù)電壓信號(hào)的作用，會(huì)縮短，而第二外電極正極13所在的區(qū)域多層壓電陶瓷12電壓信號(hào)為零，所以第二外電極正極13所在的區(qū)域的多層壓電陶瓷12沒有變形，此時(shí)陶瓷觸點(diǎn)11會(huì)向圖示所示的左下方向變形，陶瓷觸點(diǎn)11的頂端會(huì)到達(dá)圖5中24所示的位置；

本發(fā)明中，壓電振子經(jīng)過上述一個(gè)周期的電信號(hào)激勵(lì)，壓電振子的陶瓷觸點(diǎn)11的頂端處會(huì)形成一個(gè)如圖4所示的橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)。用于與外部的動(dòng)子進(jìn)行作用，進(jìn)而使動(dòng)子做旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的，陶瓷觸點(diǎn)11可以為氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)。由于外部的動(dòng)子對(duì)氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)的摩擦力作用，氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)受剪切力和一個(gè)扭矩的作用，氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)可以做成三棱柱形狀，可以很大程度上避免氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)與多層壓電陶瓷12粘接失效。

本發(fā)明中的第一外電極正極15、第二外電極正極13和外電極負(fù)極17可以采用多種結(jié)構(gòu)，但是，為了保證對(duì)壓電振子的可靠供電，優(yōu)選的，如圖5所示，第一外電極正極15和第二外電極正極13均可以與外電極負(fù)極17形成插指結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中，第一外電極15、第二外電極13和外電極負(fù)極17除了采用上述的接電方式外，還可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到了其他接電方式也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。

優(yōu)選的，多層壓電陶瓷12采用流延及絲網(wǎng)印刷工藝制作，本發(fā)明中，多層壓電陶瓷12為雙電極布置形式，非常適合采用流延及絲網(wǎng)印刷工作制作。具體方法是：采用具有形同矩形電極的絲網(wǎng)印刷電極后，進(jìn)行壓電陶瓷的燒制，燒制完成后，將整塊的多層壓電陶瓷12進(jìn)行切割，形成多塊多層壓電陶瓷12。其優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)多層壓電陶瓷12的大批量加工。

另一方面，本發(fā)明提供一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，如圖6所示，包括驅(qū)動(dòng)器外殼3，驅(qū)動(dòng)器外殼3內(nèi)部設(shè)置有振子柔性鉸鏈安裝座2，振子柔性鉸鏈安裝座2上通過環(huán)氧樹脂膠粘接上述的壓電振子1，壓電振子1的陶瓷觸點(diǎn)11伸出至驅(qū)動(dòng)器外殼3的外部。

本發(fā)明的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，采用上述的壓電振子1，因此，也具有驅(qū)動(dòng)電壓小、穩(wěn)定性高、壽命長、靈活性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

作為上述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的一種改進(jìn)，振子柔性鉸鏈安裝座2的側(cè)面與驅(qū)動(dòng)器外殼3之間設(shè)置有彈簧4，該彈簧4的設(shè)計(jì)可以用于使陶瓷觸點(diǎn)11和導(dǎo)軌動(dòng)端7之間形成一定的預(yù)緊力。

優(yōu)選的，振子柔性鉸鏈安裝座2通過螺栓與驅(qū)動(dòng)器外殼3連接。

再一方面，本發(fā)明還提供一種微動(dòng)臺(tái)，如圖6所示，包括微動(dòng)臺(tái)底板5，微動(dòng)臺(tái)底板5上設(shè)置有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、導(dǎo)軌定端6、導(dǎo)軌動(dòng)端7，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器為上述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，導(dǎo)軌動(dòng)端7上設(shè)置有與陶瓷觸點(diǎn)11相配合的陶瓷條8。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有驅(qū)動(dòng)電壓小、穩(wěn)定性高、壽命長、靈活性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)選的，導(dǎo)軌定端6和導(dǎo)軌動(dòng)端7通過交叉滾子形成滾動(dòng)導(dǎo)軌副。這種導(dǎo)軌可以使導(dǎo)軌動(dòng)端7承受各個(gè)方向的載荷，實(shí)現(xiàn)高精度、平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的，陶瓷條8為氧化鋁陶瓷條8。

作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，如圖6所示，陶瓷條8固定在與陶瓷觸點(diǎn)11靠近的導(dǎo)軌動(dòng)端7的側(cè)面上，陶瓷條8可以通過環(huán)氧樹脂膠水粘接在導(dǎo)軌動(dòng)端7上。

本發(fā)明中，驅(qū)動(dòng)器外殼3可以通過螺栓固定在微動(dòng)臺(tái)底板5上。

本發(fā)明的微動(dòng)臺(tái)的工作時(shí)：

氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)11與氧化鋁陶瓷條8接觸，如圖6所示，兩個(gè)彈簧4使得氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)11和氧化鋁陶瓷條8之間形成一定的預(yù)緊力。氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)11形成的橢圓運(yùn)動(dòng)，通過氧化鋁陶瓷觸點(diǎn)11與氧化鋁陶瓷條8之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌動(dòng)端7沿著導(dǎo)軌限定的直線方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)將圖4所示的電壓信號(hào)25和電壓信號(hào)26交換后，導(dǎo)軌動(dòng)端7會(huì)沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)，此處不再贅述。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的微動(dòng)臺(tái)具有驅(qū)動(dòng)電壓小、穩(wěn)定性高、壽命長、靈活性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。