压电振子、包括该压电振子的驱动器及微动台的制作方法

本发明涉及压电技术领域，特别是指一种压电振子、包括该压电振子的驱动器及微动台。

背景技术：

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。

现在实用以及科研研究的压电驱动器采用单层的压电陶瓷，为了能够产生较大的振动位移和驱动力，需要很大的驱动电压，电源开发难度大，且相应的驱动电源体积也较大。然而，有些压电驱动器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。同时，为了使压电驱动器工作在谐振状态下，还需要使用专用的超声电源，电源通常体积较大，不利于实现驱动器整个系统的微型化，而且，对于刚体来说，工作在谐振状态会加快刚体振动破损，缩短了驱动器的寿命，此外，工作在谐振状态下的压电陶瓷的发热比较严重，温度过高易导致压电陶瓷退极化、损坏或工作不稳定，持久疲劳极易导致驱动器失效。

并且，为了使得压电驱动器工作在合适的谐振状态下，需要采用合适的尺寸才能够达到要求，这样在很大程度上限制了驱动器设计的灵活性， 限制了其微型化和不同场合的适用性。

另外，现有技术中的压电驱动器，多使用压电陶瓷的d31工作模式，该工作模式的机电耦合系数要明显小于d33工作模式。这导致传统的压电驱动器的电转化效率较低，驱动器能量利用不足。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高的压电振子、包括该压电振子的驱动器及微动台。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种压电振子，所述压电振子为沿高度方向层叠形成的多层压电陶瓷，其中：

所述多层压电陶瓷的相邻压电陶瓷层的极化方向相反，所述多层压电陶瓷的宽度方向的一侧表面上的两侧分别设置有相间隔的第一外电极正极和第二外电极正极，所述多层压电陶瓷的宽度方向的另一侧表面上设置有外电极负极；

所述多层压电陶瓷的高度方向的一侧表面的中部，且位于第一外电极正极和第二外电极正极之间设置有陶瓷触点；

当对所述多层压电陶瓷的第一外电极正极施加正向电压，第二外电极正极和外电极负极施加零电压时，所述第一外电极所在区域的压电陶瓷会发生d33形式的变形，从而导致所述陶瓷触点产生倾斜，当对所述多层压电陶瓷的第一外电极正极和第二外电极正极施加相位差90°的正弦信号时，所述陶瓷触点会产生连续的倾斜运动，进而通过所述陶瓷触点与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力。

进一步的，所述陶瓷触点为三棱柱氧化铝陶瓷触点。

进一步的，所述第一外电极正极和第二外电极正极均与所述外电极负极形成插指结构。

进一步的，所述多层压电陶瓷采用流延及丝网印刷工艺制作。

一种压电陶瓷驱动器，包括驱动器外壳，所述驱动器外壳内部设置有振子柔性铰链安装座，所述振子柔性铰链安装座上粘接权利要求1-4中任一所述的压电振子，所述压电振子的陶瓷触点伸出至所述驱动器外壳的外部。

进一步的，所述振子柔性铰链安装座通过螺栓与所述驱动器外壳连接；

所述振子柔性铰链安装座的侧面与所述驱动器外壳之间设置有弹簧。

一种微动台，包括微动台底板，所述微动台底板上设置有压电陶瓷驱动器、导轨定端、导轨动端，所述压电陶瓷驱动器为权利要求5-6中任一所述的压电陶瓷驱动器，所述导轨动端上设置有与所述陶瓷触点相配合的陶瓷条。

进一步的，所述导轨定端和导轨动端通过交叉滚子形成滚动导轨副。

进一步的，所述陶瓷条为氧化铝陶瓷条，所述陶瓷条通过环氧树脂胶水与所述导轨动端粘接。

进一步的，所述驱动器外壳通过螺栓固定在所述微动台底板上。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，采用多层压电陶瓷，多层压电陶瓷的变形与电压的关系为δl＝d33×n×u33，其中，δl为多层压电陶瓷加电后的变形，d33为压电陶瓷的压电-变形系数，n为多层陶瓷的层数，u33为沿着单层压电陶瓷极化方向所加的电压信号的幅值。根据上述的公式可知，当n＝1时，所述的多层压电陶瓷就是单层压电陶瓷，要使单层压电陶瓷达到与多层压电陶瓷相同的变形量δl，单层压电陶瓷所加的电压就需要是n×u33，所以，本发明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，大幅度的降低驱动器的驱动电压。

本发明中，由于使用了多层压电陶瓷，其变形量较大，不需要使压电驱动器工作在谐振状态下，避免了使压电振子工作在谐振状态下带来的一系列问题，因此，使得压电振子稳定性提高、使用寿命延长，压电振子的尺寸设计也具有很大的灵活性，大大增加了其不同场合的适用性。

并且，本发明采用的多层压电陶瓷是一块陶瓷分成两个外电极正极和一个外电极负极，结构简单，易于加工成型，成品率高。

另外，本发明中，多层压电陶瓷12利用了压电陶瓷机电耦合系数较高的d33模式，其能量利用率高于传统的d31工作模式的驱动器。

综上，与现有技术相比，本发明具有驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高的优点。

附图说明

图1为本发明的压电振子的结构示意图；

图2为本发明的压电振子的极化方向示意图；

图3为本发明的压电振子的加电方式示意图；

图4为本发明的压电振子的工作原理示意图；

图5为本发明的压电振子的电极配置方式示意图；

图6为本发明的微动台的装配图。

具体实施方式

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。

一方面，本发明提供一种压电振子，如图1-2所示，压电振子为沿高度方向层叠形成的多层压电陶瓷12，其中：

多层压电陶瓷12的相邻压电陶瓷层的极化方向相反，多层压电陶瓷12的宽度方向的一侧表面上的两侧分别设置有相间隔的第一外电极正极15和第二外电极正极13，多层压电陶瓷12的宽度方向的另一侧表面上设置有外电极负极；

多层压电陶瓷12的高度方向的一侧表面的中部，且位于第一外电极正极15和第二外电极正极13之间设置有陶瓷触点11；

当对多层压电陶瓷12的第一外电极正极15施加正向电压，第二外电极正极13和外电极负极施加零电压时，第一外电极正极15所在区域的压 电陶瓷会发生d33形式的变形，从而导致陶瓷触点11产生倾斜，当对多层压电陶瓷12的第一外电极正极15和第二外电极正极13施加相位差90°的正弦信号时，陶瓷触点11会产生连续的倾斜运动，进而通过陶瓷触点11与外部的动子之间的摩擦力产生驱动力。

本发明中，采用多层压电陶瓷12，多层压电陶瓷12的变形与电压的关系为δl＝d33×n×u33，其中，δl为多层压电陶瓷12加电后的变形，d33为压电陶瓷的压电-变形系数，n为多层陶瓷的层数，u33为沿着单层压电陶瓷极化方向所加的电压信号的幅值。根据上述的公式可知，当n＝1时，多层压电陶瓷12就是单层压电陶瓷，要使单层压电陶瓷达到与多层压电陶瓷12相同的变形量δl，单层压电陶瓷所加的电压就需要是n×u33，所以，本发明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，大幅度的降低驱动器的驱动电压。

本发明中，由于使用了多层压电陶瓷12，其变形量较大，不需要使压电驱动器工作在谐振状态下，避免了使压电振子工作在谐振状态下带来的一系列问题，因此，使得压电振子稳定性提高、使用寿命延长，压电振子的尺寸设计也具有很大的灵活性，大大增加了其不同场合的适用性。

并且，本发明采用的多层压电陶瓷12是一块陶瓷分成两个外电极正极和一个外电极负极，结构简单，易于加工成型，成品率高。

另外，本发明中，多层压电陶瓷12利用了压电陶瓷机电耦合系数较高的d33模式，其能量利用率高于传统的d31工作模式的驱动器。

综上，与现有技术相比，本发明具有驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高的优点。

下面，以压电振子采用图3所示的正弦加电方式为例，其中，第一外电极正极15施加正弦信号26，第二外电极正极13施加负余弦信号25，外电极负极17施加地信号，压电振子的工作原理：

1)当压电振子按照图4所示21处的电压信号加电时，第一外电极正极15所处的多层压电陶瓷12没有施加电信号，所以没有变形，第二外电极正极13所处的多层压电陶瓷12施加负向电压，所以第一外电极正极15 所处的多层压电陶瓷12会在电压信号的作用下缩短，此时粘接在14所在没有刷电极的区域的陶瓷触点11会向图示右方向偏移，陶瓷触点11的顶端会到达图5中21所示的位置；

2)当压电振子按照图4所示22处的电压信号加电时，第一外电极正极15所在的区域多层压电陶瓷12受到正电压信号的作用，会伸长，而第二外电极正极13所在的区域多层压电陶瓷12电压信号为零，所以第二外电极正极13所在的区域的多层压电陶瓷12没有变形，此时陶瓷触点11会向图示所示的右上方向变形，陶瓷触点11的顶端会到达图5中22所示的位置；

3)当压电振子按照图4所示23处的电压信号加电时，第一外电极正极15所在的区域多层压电陶瓷12电压信号为零，多层压电陶瓷12没有变形，而第二外电极正极13所在的区域多层压电陶瓷12电压信号为正，所以第二外电极正极13所在的区域的多层压电陶瓷12会伸长，此时陶瓷触点11会向图示所示的左上方向变形，陶瓷触点11的顶端会到达图5中23所示的位置；

4)压电振子按照图4所示24处的电压信号加电时，第一外电极正极15所在的区域多层压电陶瓷12受到负电压信号的作用，会缩短，而第二外电极正极13所在的区域多层压电陶瓷12电压信号为零，所以第二外电极正极13所在的区域的多层压电陶瓷12没有变形，此时陶瓷触点11会向图示所示的左下方向变形，陶瓷触点11的顶端会到达图5中24所示的位置；

本发明中，压电振子经过上述一个周期的电信号激励，压电振子的陶瓷触点11的顶端处会形成一个如图4所示的椭圆轨迹运动。用于与外部的动子进行作用，进而使动子做旋转或直线运动。

优选的，陶瓷触点11可以为氧化铝陶瓷触点。由于外部的动子对氧化铝陶瓷触点的摩擦力作用，氧化铝陶瓷触点受剪切力和一个扭矩的作用，氧化铝陶瓷触点可以做成三棱柱形状，可以很大程度上避免氧化铝陶瓷触点与多层压电陶瓷12粘接失效。

本发明中的第一外电极正极15、第二外电极正极13和外电极负极17可以采用多种结构，但是，为了保证对压电振子的可靠供电，优选的，如图5所示，第一外电极正极15和第二外电极正极13均可以与外电极负极17形成插指结构。本发明中，第一外电极15、第二外电极13和外电极负极17除了采用上述的接电方式外，还可以采用本领域技术人员容易想到了其他接电方式也可以实现本发明的技术效果。

优选的，多层压电陶瓷12采用流延及丝网印刷工艺制作，本发明中，多层压电陶瓷12为双电极布置形式，非常适合采用流延及丝网印刷工作制作。具体方法是：采用具有形同矩形电极的丝网印刷电极后，进行压电陶瓷的烧制，烧制完成后，将整块的多层压电陶瓷12进行切割，形成多块多层压电陶瓷12。其优点是加工简单，易于实现多层压电陶瓷12的大批量加工。

另一方面，本发明提供一种压电陶瓷驱动器，如图6所示，包括驱动器外壳3，驱动器外壳3内部设置有振子柔性铰链安装座2，振子柔性铰链安装座2上通过环氧树脂胶粘接上述的压电振子1，压电振子1的陶瓷触点11伸出至驱动器外壳3的外部。

本发明的压电陶瓷驱动器，采用上述的压电振子1，因此，也具有驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高的优点。

作为上述压电陶瓷驱动器的一种改进，振子柔性铰链安装座2的侧面与驱动器外壳3之间设置有弹簧4，该弹簧4的设计可以用于使陶瓷触点11和导轨动端7之间形成一定的预紧力。

优选的，振子柔性铰链安装座2通过螺栓与驱动器外壳3连接。

再一方面，本发明还提供一种微动台，如图6所示，包括微动台底板5，微动台底板5上设置有压电陶瓷驱动器、导轨定端6、导轨动端7，压电陶瓷驱动器为上述的压电陶瓷驱动器，导轨动端7上设置有与陶瓷触点11相配合的陶瓷条8。与现有技术相比，本发明具有驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高的优点。

优选的，导轨定端6和导轨动端7通过交叉滚子形成滚动导轨副。这种导轨可以使导轨动端7承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。

优选的，陶瓷条8为氧化铝陶瓷条8。

作为本发明的一种改进，如图6所示，陶瓷条8固定在与陶瓷触点11靠近的导轨动端7的侧面上，陶瓷条8可以通过环氧树脂胶水粘接在导轨动端7上。

本发明中，驱动器外壳3可以通过螺栓固定在微动台底板5上。

本发明的微动台的工作时：

氧化铝陶瓷触点11与氧化铝陶瓷条8接触，如图6所示，两个弹簧4使得氧化铝陶瓷触点11和氧化铝陶瓷条8之间形成一定的预紧力。氧化铝陶瓷触点11形成的椭圆运动，通过氧化铝陶瓷触点11与氧化铝陶瓷条8之间的摩擦力驱动导轨动端7沿着导轨限定的直线方向运动；当将图4所示的电压信号25和电压信号26交换后，导轨动端7会沿着相反的方向运动，此处不再赘述。与现有技术相比，本发明的微动台具有驱动电压小、稳定性高、寿命长、灵活性好、结构简单、能量利用率高的优点。

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。