压电振子及包括该压电振子的精密位移平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种压电振子及包括该压电振子的精密位移平台，属于压电【技术领域】，所述压电振子的上下两个表面上分别设置有多层压电陶瓷，压电振子的一侧设置有陶瓷触头，多层压电陶瓷的每层之间及最内表面上设置有内电极，最外表面上设置有外电极，多层压电陶瓷的内电极采用并联的方式连接，与外电极相连；压电振子的上下两表面上的多层压电陶瓷分别分为四个电极区，沿厚度方向极化，相邻两个电极区的极化方向相反；压电振子的上下两个表面的四个电极区对称且连线和加电方式一致，位于同一面内的相邻两个电极区的加电方式相反。本发明采用多层压电陶瓷，使用较小的驱动电压就能提供较大的驱动力，并且能够提高驱动稳定性。
【专利说明】压电振子及包括该压电振子的精密位移平台
【技术领域】
[0001] 本发明涉及压电【技术领域】，特别是指一种压电振子及包括该压电振子的精密位移 平台。
【背景技术】
[0002] 压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体产生超声频段的微幅振 动，迫使接触面的质点产生类似椭圆轨迹运动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子 的旋转或直线运动。压电驱动器具有结构形式多样、位置精度高、惯性小、低噪声运行、响应 快、断电自锁、不产生磁场亦不受电磁干扰等优点。由于具有以上诸多优点，压电驱动器在 工业自动化、航空航天、医疗、生物工程等领域得到了大量的应用，并发挥了巨大的作用。
[0003] 南京航空航天大学提出的CN102664552A专利申请，名称为"一种双驱动足矩形压 电板式直线超声电机"，其包括基座、定子和动子，其中定子包括一个矩形板压电陶瓷和两 个陶瓷驱动足，矩形板压电陶瓷的顶面、底面均被银作为电极层；所述两个陶瓷驱动足分别 粘接在矩形板压电陶瓷侧面2阶弯振的波峰和波谷处；动子包括滑块和氧化铝陶瓷条，且 所述氧化铝陶瓷条粘接在滑块的一侧；基座的顶面形成容置腔，该容置腔的一侧设有轨道， 动子可滑动地设于轨道上；定子设于容置腔内，并使定子上的两个陶瓷驱动足与动子上的 氧化铝陶瓷条接触。
[0004] 清华大学周铁英等人提出的CN100514832C专利，名称为"压电陶瓷金属复合板 面内振动直线超声电机"，该电机由定子、输出力矩的动子以及给动子加压的预压力机构组 成，定子由八片压电陶瓷片以及金属板构成，金属板的侧面上设有驱动足。该各压电陶瓷片 对称粘贴在金属板的两表面上，且均沿着定子的厚度方向极化，该压电陶瓷片接激励电极 的表面涂有外电极，用于沿与压电陶瓷极化方向垂直的方向施加电场，利用压电陶瓷的d 31 效应在定子上激励出弯振和纵振的复合振动，该技术是通过多片压电陶瓷协同工作来达到 驱动效果。
[0005] 上述两种方案，均使用单层压电陶瓷，要达到较高的输出力，所需驱动电压较大， 同时外力增大会导致压电振子（即定子）振动模态发生变化，从而使得压电振子的工作性 能变差，驱动稳定性下降。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种驱动电压小、驱动力大、驱动稳定性高的压 电振子及包括该压电振子的精密位移平台。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
[0008] 本发明提供一种压电振子及包括该压电振子的精密位移平台，所述压电振子的上 下两个表面上分别设置有多层压电陶瓷，所述压电振子的一侧设置有陶瓷触头，其中：
[0009] 所述多层压电陶瓷的每层之间及最内表面上设置有内电极，所述多层压电陶瓷的 最外表面上设置有外电极，所述多层压电陶瓷的内电极采用并联的方式连接，与所述外电 极相连；
[0010] 所述压电振子的上下两表面上的所述多层压电陶瓷分别分为四个电极区，沿厚度 方向极化，相邻两个电极区的极化方向相反；
[0011] 所述压电振子的上下两个表面的四个电极区对称且连线和加电方式一致，位于同 一面内的相邻两个电极区的加电方式相反。
[0012] 进一步的，所述压电振子的上下两个表面的多层压电陶瓷为管状一体结构，由事 先被好多个电极区的带状压电陶瓷膜连续卷曲且高温烧结而成。
[0013] 进一步的，所述压电振子还包括上下两个表面为平面的金属圆管，所述多层压电 陶瓷为片状结构且设置在所述金属圆管的上下两个表面上；
[0014] 或者，所述压电振子还包括金属矩形壳，所述多层压电陶瓷为片状结构且设置在 所述金属矩形壳的上下两个表面上。
[0015] 进一步的，所述多层压电陶瓷为片状结构，所述压电振子由两片所述多层压电陶 瓷连接形成。
[0016] 进一步的，所述多层压电陶瓷的四个电极区按田字格方式均匀分布，所述多层压 电陶瓷的层数为至少5层，所述陶瓷触头的数量为2个且布置在所述压电振子的两个端部。
[0017] 进一步的，所述压电振子为权利要求1至5中任一权利要求所述的压电振子；所述 精密位移平台包括上台体和下台体，其中：
[0018] 所述上台体和下台体通过交叉滚子导轨连接；
[0019] 所述上台体的一侧设置有氧化铝陶瓷条，所述下台体的相同一侧设置有容置壳， 所述压电振子位于所述容置壳内，所述压电振子的陶瓷触头与所述氧化铝陶瓷条相接触。
[0020] 进一步的，所述容置壳内设置有沿长度方向夹持所述压电振子的弹性夹子，所述 弹性夹子的长度方向两端设置有碟簧。
[0021] 进一步的，所述弹性夹子的长边一侧与所述容置壳之间设置有弹簧。
[0022] 进一步的，所述容置壳上设置有用于调节对所述压电振子的纵向预紧力和/或横 向预紧力的调节装置。
[0023] 进一步的，所述压电振子在与所述陶瓷触头相反的一侧设置有定位柱，所述弹性 夹子在与所述定位柱相对应的位置设置有定位孔。
[0024] 工作时，对压电振子的任一表面上的多层压电陶瓷的电极区加载一定频率的正弦 电压信号，会同时激发出多层压电陶瓷的一阶纵振和二阶弯振，两种振动会在陶瓷触头处 耦合成椭圆振动。如果压电振子的上下两个表面的多层压电陶瓷同时加电，会成倍增强陶 瓷触头处所耦合成的椭圆振动，增加驱动力。陶瓷触头处形成的椭圆振动，通过摩擦作用于 精密位移平台的上台体的氧化铝陶瓷条，进而驱动精密位移平台进行运动。
[0025] 本发明具有以下有益效果：
[0026] 与现有技术相比，本发明采用多层压电陶瓷，每一层压电陶瓷的厚度相对较小，需 要的驱动电压较小，将多层压电陶瓷并联，可以在总的电压幅值较小的情况下产生较大的 驱动力，这较传统的使用单层压电陶瓷的方案来说，使用较小的驱动电压就能提供较大的 驱动力。
[0027] 而且，采用单层压电陶瓷，为了能够产生较大的振动位移和驱动力，需要压电陶瓷 工作在谐振频率下，而谐振频率受陶瓷的几何尺寸的影响较大，由于加工误差所造成的尺 寸偏差会影响压电陶瓷的谐振频率，从而会影响压电振子的整体驱动性能，造成压电振子 的驱动不稳定，本发明使用多层压电陶瓷可以避免这个问题，使得驱动稳定性提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的压电振子的一种实施方式的结构示意图；
[0029] 图2为本发明的压电振子的另一种实施方式的结构示意图；
[0030] 图3为本发明的压电振子的再一种实施方式的结构示意图；
[0031] 图4为本发明的压电振子的又一种实施方式的结构示意图；
[0032] 图5为本发明的压电振子的多层压电陶瓷的电极引出方式示意图；
[0033] 图6为本发明的精密位移平台的一种实施方式的爆炸示意图；
[0034] 图7为本发明的精密位移平台的另一种实施方式的装配示意图；
[0035] 图8为本发明的精密位移平台的再一种实施方式的装配示意图。
【具体实施方式】
[0036] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。
[0037] -方面，本发明提供一种压电振子，如图1-5所示，压电振子的上下两个表面上分 别设置有多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'，压电振子的一侧设置有陶瓷触头11、11'、11"、 1Γ"。需要说明的是，为了清楚的显示压电振子的结构，图1-4中将压电振子侧立放置，即 图1-4中看到的压电振子的前后两面即为其正常放置时的上下两个表面。并且，图1同时 显示出了压电振子的前后两面的结构。
[0038] 多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'的每层之间及多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'的 最内表面设置有内电极，多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'的最外表面上设置有外电极12、 12'、12"、12"'，多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'的内电极采用并联的方式连接，与外电极 12、12'、12"、12"'相连（电极引出方式可以参考图5中的14a-14e);
[0039] 压电振子的上下两个表面的多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'分别分为四个电极 区，沿厚度方向极化，相邻两个电极区的极化方向13、13'、13"、13"'相反；
[0040] 压电振子的上下两个表面的四个电极区对称且连线和加电方式一致，位于同一面 内的相邻两个电极区的加电方式相反。
[0041] 工作时，对压电振子的任一表面上的多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'的电极区加 载一定频率的正弦电压信号，会同时激发出多层压电陶瓷的一阶纵振和二阶弯振，两种振 动会在陶瓷触头11、11'、11"、11"'处耦合成椭圆振动。如果压电振子的上下两个表面的多 层压电陶瓷14、14'、14"、14"'同时加电，会成倍增强陶瓷触头11、1Γ、11"、1Γ"处所耦合 成的椭圆振动，增加驱动力。
[0042] 与现有技术相比，本发明采用多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'，每一层压电陶瓷的 厚度相对较小，需要的驱动电压较小，将多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'并联，可以在总的 电压幅值较小的情况下产生较大的驱动力，这较传统的使用单层压电陶瓷的方案来说，使 用较小的驱动电压就能提供较大的驱动力。
[0043] 传统上，采用单层压电陶瓷，为了能够产生较大的振动位移和驱动力，需要压电陶 瓷工作在谐振频率下，而谐振频率受陶瓷的几何尺寸的影响较大，由于加工误差所造成的 尺寸偏差会影响压电陶瓷的谐振频率，从而会影响压电振子的整体驱动性能，造成压电振 子的驱动不稳定，本发明使用多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'可以避免这个问题，使得驱动 稳定性提1?。
[0044] 进一步的，在上述原理的基础上，本发明的压电振子可以采用多种结构形式，下面 仅列举四种比较容易实现的结构形式予以说明。
[0045] 结构形式一：
[0046] 如图1所示，压电振子的上下两个表面的多层压电陶瓷14为管状一体结构，由事 先被好多个电极区的带状压电陶瓷膜连续卷曲且高温烧结而成。这种结构便于压电振子的 制作与加工。
[0047] 结构形式二：
[0048] 如图2所示，压电振子包括上下两个表面为平面的金属圆管15,多层压电陶瓷14' 为片状结构且设置（可以粘贴设置）在金属圆管15的上下两个表面上。而且，金属圆管15 的侧面上可以设置有开槽，以减小金属基体的刚性。该结构形式的好处是克服了由于压电 陶瓷脆性较大，导致压电陶瓷易碎的缺点。
[0049] 结构形式三：
[0050] 如图3所示，压电振子包括金属矩形壳16,多层压电陶瓷14"为片状结构且设置在 金属矩形壳16的上下两个表面上。在该实施例中，采用金属矩形壳16结构，对结构的对称 性实现有利，便于结构对称性的工艺实现；同时由于金属矩形壳16的壁厚均匀，可以使粘 贴在上面的压电陶瓷14"受力比较均匀，减小了对压电陶瓷振动模态的影响，在实际运行时 可以更加贴近于设计时的要求，更加满足使用要求。
[0051] 结构形式四：
[0052] 如图4所示，多层压电陶瓷14"'为片状结构，压电振子由两片所述多层压电陶瓷 14"'连接形成。在该实施例中，直接将两片多层压电陶瓷14"'上下布置连接在一起，形成 压电振子，加工方便快捷。
[0053] 应当理解的是，图1-4所示实施例中仅示出了压电振子优选的四种不同的结构形 式，本领域技术人员可以在此基础上进行改变和调整，以形成更多不同的结构形式，均属于 本发明的保护范围。
[0054] 在上述实施例中，多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'的四个电极区优选按田字格方 式均匀分布，并且为了提高输出力，多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'的层数优选为至少5 层，另外，陶瓷触头11、1Γ、11"、1Γ"的数量优选为2个，最好布置在压电振子的两个端部， 从而可以有效的利用压电陶瓷在两个端部产生的椭圆振动，相比现有的一些只使用一个陶 瓷触头的方案，可以更好的利用输入的电能，利于降低能耗。
[0055] 另一方面，与上述的压电振子相对应，本发明提供一种精密位移平台，其上设置有 压电振子，精密位移平台包括上台体9、9'、9"和下台体10、10'、10"，其中：
[0056] 上台体9、9'、9"和下台体10、10'、10"通过交叉滚子导轨8、8'、8"连接；
[0057] 上台体9、9'、9"的一侧设置有氧化铝陶瓷条7、7'、7"，下台体10、10'、10"的相 同一侧设置有容置壳4、4'、4"，压电振子位于容置壳4、4'、4"内，压电振子的陶瓷触头11、 1Γ、11"、1Γ"与氧化铝陶瓷条7、7'、7"相接触。
[0058] 工作时，压电振子本身产生的一阶纵振和二阶弯振，在陶瓷触头11、1Γ、11"、1Γ" 处耦合成椭圆振动，椭圆振动通过陶瓷触头11、1Γ、11"、1Γ"与在上台体9、9'、9"上粘贴 的氧化铝陶瓷条7、7'、7"之间的摩擦来驱动上台体9、9'、9"做亚微米至纳米级步距的运 动。氧化铝陶瓷条7、7'、7"的使用能够减小压电振子与上台体9、9'、9"之间的磨损，提高 精密位移平台运行的稳定性和精度保持性。
[0059] 进一步的，本发明中容置壳4、4'、4"内可以设置有沿长度方向夹持压电振子的弹 性夹子2、2'、2"，该弹性夹子的长度方向两端可以设置有碟簧1、1'、1"。弹性夹子2、2'、2" 优选使用工程塑料为材料加工，其优点是可以实现对压电振子的弹性夹持，同时实现绝缘， 这利于压电振子在两端被电极，实现低电压驱动。
[0060] 并且，弹性夹子2、2'、2"的长边一侧优选与容置壳4、4'、4"之间设置有弹簧3、3'、 3"，以实现对压电振子的横向预紧力的调整。
[0061] 为了便于调节对压电振子的纵向预紧力和/或横向预紧力的调节，容置壳上优选 设置有调节装置。具体的，容置壳4、4'、4"上可以设置有容置壳前盖5、5'、5"，容置壳前盖 5、5'、5"通过半圆柱销6、6'、6"连接在容置壳4、4'、4"上，以用于改变横向预紧力；或者， 容置壳与下台体1〇、1〇'、1〇"之间可以使用螺栓连接，以用于改变纵向预紧力大小。
[0062] 另外，压电振子在与陶瓷触头11、1Γ、11"、1Γ"相反的一侧优选设置有定位柱 15,弹性夹子2、2'、2"在与定位柱相对应的位置设置有定位孔16。安装时，定位柱与定位孔 配合，约束了压电振子的轴向转动，能够提高压电振子工作的稳定性。
[0063] 综上，本发明具有以下有益效果：
[0064] 1、与现有技术相比，本发明采用多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'，每一层压电陶瓷 的厚度相对较小，需要的驱动电压较小，将多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'并联，可以在总 的电压幅值较小的情况下产生较大的驱动力；采用单层压电陶瓷，为了能够产生较大的振 动位移和驱动力，需要压电陶瓷工作在谐振频率下，而谐振频率受陶瓷的几何尺寸的影响 较大，由于加工误差所造成的尺寸偏差会影响压电陶瓷的谐振频率，从而会影响压电振子 的整体驱动性能，造成压电振子的驱动不稳定，本发明使用多层压电陶瓷14、14'、14"、14"' 可以避免这个问题，使得压电振子稳定性提高，利于从两个驱动头到多个驱动头的转化。 [0065] 2、多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'在加正弦电压信号后同时形成一阶纵振和二阶 弯振，在陶瓷触头11、1Γ、11"、1Γ"处形成椭圆振动，椭圆振动通过陶瓷触头11、11'、11"、 1Γ"与在上台体上粘贴的氧化铝陶瓷之间的摩擦来驱动上台体9、9'、9"做亚微米至纳米级 步距的运动，使用氧化铝陶瓷条7、7'、7"减小了压电振子与上台体9、9'、9"之间的磨损，提 高了精密位移平台运行的稳定性和精度保持性。
[0066] 3、陶瓷触头11、1Γ、11"、1Γ"优选为2个且布置在压电振子的两个端部，可以有 效的利用多层压电陶瓷14、14'、14"、14"'在压电振子两个端部产生的椭圆振动，相比现有 的一些只使用一个陶瓷触头的方案，可以更好的利用输入的电能，利于降低能耗。
[0067] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员 来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种压电振子，其特征在于，所述压电振子的上下两个表面上分别设置有多层压电 陶瓷，所述压电振子的一侧设置有陶瓷触头，其中 ： 所述多层压电陶瓷的每层之间及最内表面上设置有内电极，所述多层压电陶瓷的最外 表面上设置有外电极，所述多层压电陶瓷的内电极采用并联的方式连接，与所述外电极相 连； 所述压电振子的上下两表面上的所述多层压电陶瓷分别分为四个电极区，沿厚度方向 极化，相邻两个电极区的极化方向相反； 所述压电振子的上下两个表面的四个电极区对称且连线和加电方式一致，位于同一面 内的相邻两个电极区的加电方式相反。
2. 根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述压电振子的上下两个表面的多 层压电陶瓷为管状一体结构，由事先被好多个电极区的带状压电陶瓷膜连续卷曲且高温烧 结而成。
3. 根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述压电振子还包括上下两个表面 为平面的金属圆管，所述多层压电陶瓷为片状结构且设置在所述金属圆管的上下两个表面 上； 或者，所述压电振子还包括金属矩形壳，所述多层压电陶瓷为片状结构且设置在所述 金属矩形壳的上下两个表面上。
4. 根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述多层压电陶瓷为片状结构，所述 压电振子由两片所述多层压电陶瓷连接形成。
5. 根据权利要求1至4中任一权利要求所述的压电振子，其特征在于，所述多层压电陶 瓷的四个电极区按田字格方式均匀分布，所述多层压电陶瓷的层数为至少5层，所述陶瓷 触头的数量为2个且布置在所述压电振子的两个端部。
6. -种精密位移平台，其上设置有压电振子，其特征在于，所述压电振子为权利要求1 至5中任一权利要求所述的压电振子；所述精密位移平台包括上台体和下台体，其中 ： 所述上台体和下台体通过交叉滚子导轨连接； 所述上台体的一侧设置有氧化铝陶瓷条，所述下台体的相同一侧设置有容置壳，所述 压电振子位于所述容置壳内，所述压电振子的陶瓷触头与所述氧化铝陶瓷条相接触。
7. 根据权利要求6所述的精密位移平台，其特征在于，所述容置壳内设置有沿长度方 向夹持所述压电振子的弹性夹子，所述弹性夹子的长度方向两端设置有碟簧。
8. 根据权利要求7所述的精密位移平台，其特征在于，所述弹性夹子的长边一侧与所 述容置壳之间设置有弹簧。
9. 根据权利要求8所述的精密位移平台，其特征在于，所述容置壳上设置有用于调节 对所述压电振子的纵向预紧力和/或横向预紧力的调节装置。
10. 根据权利要求6至9中任一权利要求所述的精密位移平台，其特征在于，所述压电 振子在与所述陶瓷触头相反的一侧设置有定位柱，所述弹性夹子在与所述定位柱相对应的 位置设置有定位孔。
【文档编号】H02N2/00GK104124891SQ201410361061
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】赵艳强, 崔宏超, 褚祥诚 申请人:北京派和科技股份有限公司