低壓驅(qū)動(dòng)壓電微電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電微電機(jī)，尤其涉及一種低壓驅(qū)動(dòng)壓電微電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電電機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為定子的振動(dòng)能，定子再通過摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)部件做直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其工作頻率在超聲波范圍(>20kHz)，也稱作超聲電機(jī)。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，壓電電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、力矩大、響應(yīng)快、位移分辨率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、安靜無噪聲等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，特別是在微型化領(lǐng)域的壓電微電機(jī)。在電機(jī)直徑小于I Omm時(shí)，傳統(tǒng)電磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩和效率下降很快，而壓電微電機(jī)則不會(huì)，使其在微型化領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢(shì)。
[0003]目前已經(jīng)出現(xiàn)了各種壓電陶瓷柱壓電電機(jī)和貼片式壓電電機(jī)，但是，壓電陶瓷柱電極間的距離較大，例如，方柱形的陶瓷柱壓電電機(jī)的陶瓷柱的四個(gè)面分別作為一個(gè)電極，相對(duì)的兩個(gè)面上的電極距離等于陶瓷柱的橫截面變長(zhǎng)。因此，其需要的激勵(lì)電壓往往高達(dá)幾百伏，且不易實(shí)現(xiàn)低壓驅(qū)動(dòng)，不利于普及應(yīng)用。雖然對(duì)貼片式壓電電機(jī)所用的壓電陶瓷片若進(jìn)一步減薄可以得到更強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，但在工藝上很困難:在極化和制作電機(jī)時(shí)，壓電陶瓷片容易破裂。
[0004]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種低壓驅(qū)動(dòng)壓電微電機(jī)，實(shí)現(xiàn)較低的激勵(lì)電壓對(duì)壓電微電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低壓驅(qū)動(dòng)壓電微電機(jī)，通過設(shè)計(jì)布置在陶瓷柱表面的電極，實(shí)現(xiàn)較低的激勵(lì)電壓即能驅(qū)動(dòng)壓電微電機(jī)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種壓電微電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子包括壓電陶瓷柱，所述壓電陶瓷柱的上設(shè)置有用于抵觸所述轉(zhuǎn)子以通過摩擦力驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)子的金屬匹配端，其特征在于，所述壓電陶瓷柱的表面布置有多個(gè)叉指電極，所述壓電微電機(jī)的激勵(lì)電壓加載于所述叉指電極上。
[0007]進(jìn)一步地，各個(gè)所述叉指電極皆相同；每個(gè)所述叉指電極由彼此相對(duì)的第一電極部分和第二電極部分構(gòu)成;所述第一電極部分和所述第二電極部分中的一個(gè)被加載所述激勵(lì)電壓，另一個(gè)接地。
[0008]可選地，所述壓電陶瓷柱為直柱體，其橫截面為中心對(duì)稱圖形，其表面上均勻地布置4個(gè)所述叉指電極;每個(gè)所述叉指電極的所述第一電極部分和所述第二電極部分中的叉指皆沿所述壓電陶瓷柱的中軸線延伸；
[0009]所述4個(gè)叉指電極中一對(duì)彼此相對(duì)的兩個(gè)所述叉指電極關(guān)于經(jīng)過所述中軸線的一個(gè)平面對(duì)稱，構(gòu)成第一叉指電極組；另外一對(duì)彼此相對(duì)的兩個(gè)所述叉指電極關(guān)于經(jīng)過所述中軸線的一個(gè)平面對(duì)稱，構(gòu)成第二叉指電極組；
[0010]所述激勵(lì)電壓包括彼此間相位差為90度的第一激勵(lì)電壓和第二激勵(lì)電壓，所述第一激勵(lì)電壓加載在所述第一叉指電極組上，所述第二激勵(lì)電壓加載在所述第二叉指電極組上；
[0011]所述第一叉指電極組中，兩個(gè)所述叉指電極的彼此對(duì)稱的所述第一電極部分上加載的電壓相反，兩個(gè)所述叉指電極的彼此對(duì)稱的所述第二電極部分上加載的電壓相反;所述第二叉指電極組中，兩個(gè)所述叉指電極的彼此對(duì)稱的所述第一電極部分上加載的電壓相反，兩個(gè)所述叉指電極的彼此對(duì)稱的所述第二電極部分上加載的電壓相反。
[0012]可選地，所述壓電陶瓷柱為直柱體，其橫截面為中心對(duì)稱圖形，其表面上均勻地布置4個(gè)所述叉指電極;每個(gè)所述叉指電極的所述第一電極部分和所述第二電極部分中的叉指皆沿所述壓電陶瓷柱的中軸線延伸；
[0013]所述4個(gè)叉指電極中一對(duì)彼此相對(duì)的兩個(gè)所述叉指電極關(guān)于經(jīng)過所述中軸線的一個(gè)平面對(duì)稱，構(gòu)成第一叉指電極組；另外一對(duì)彼此相對(duì)的兩個(gè)所述叉指電極關(guān)于經(jīng)過所述中軸線的一個(gè)平面對(duì)稱，構(gòu)成第二叉指電極組；
[0014]所述激勵(lì)電壓包括彼此間相位差為90度的第一激勵(lì)電壓和第二激勵(lì)電壓以及反相的所述第一激勵(lì)電壓和反相的所述第二激勵(lì)電壓，所述第一激勵(lì)電壓和所述反相的第一激勵(lì)電壓分別加載在所述第一叉指電極組的所述兩個(gè)叉指電極上，所述第二激勵(lì)電壓和所述反相的第二激勵(lì)電壓分別加載在所述第二叉指電極組的所述兩個(gè)叉指電極上；
[0015]所述第一叉指電極組中，兩個(gè)所述叉指電極的彼此對(duì)稱的所述第一電極部分上加載的電壓相同，兩個(gè)所述叉指電極的彼此對(duì)稱的所述第二電極部分上加載的電壓相同；所述第二叉指電極組中，兩個(gè)所述叉指電極的彼此對(duì)稱的所述第一電極部分上加載的電壓相同，兩個(gè)所述叉指電極的彼此對(duì)稱的所述第二電極部分上加載的電壓相同。
[0016]進(jìn)一步地，所述壓電微電機(jī)還包括兩個(gè)所述金屬匹配端和兩個(gè)所述轉(zhuǎn)子;所述壓電陶瓷柱的中心具有通孔，所述通孔從所述壓電陶瓷柱的一個(gè)端面沿所述中軸線延伸到另一個(gè)端面;所述兩個(gè)金屬匹配端分別設(shè)置在所述壓電陶瓷柱的所述兩個(gè)端面上，所述兩個(gè)轉(zhuǎn)子分別與所述兩個(gè)金屬匹配端相抵觸;所述金屬匹配端為環(huán)狀體，其中間通孔與所述壓電陶瓷柱的所述通孔相連通;兩個(gè)轉(zhuǎn)子通過輸出軸相連，所述輸出軸貫穿兩個(gè)所述金屬匹配端的所述中間通孔和所述壓電陶瓷柱的所述通孔。
[0017]可選地，所述壓電陶瓷柱為中空的方形柱，所述4個(gè)叉指電極分別分布在所述壓電陶瓷柱的所述兩個(gè)端面之間的4個(gè)表面上;所述4個(gè)表面彼此絕緣。
[0018]進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷柱包括中空的金屬方形柱和4個(gè)陶瓷片，所述4個(gè)陶瓷片分別粘貼在所述金屬方形柱的4個(gè)側(cè)面上，所述4個(gè)陶瓷片的表面為所述壓電陶瓷柱的所述4個(gè)表面。
[0019]可選地，所述壓電陶瓷柱為中空的圓形柱，沿平行于所述中軸線的方向，所述壓電陶瓷柱的所述兩個(gè)端面之間的表面被分為4個(gè)相同的表面部分，所述4個(gè)表面部分彼此絕緣;所述4個(gè)叉指電極分別分布在所述壓電陶瓷柱的所述4個(gè)表面部分上。
[0020]進(jìn)一步地，所述壓電陶瓷柱包括中空的金屬圓形柱和4個(gè)陶瓷片，所述4個(gè)陶瓷片分別粘貼在所述金屬圓形柱的側(cè)面上，所述4個(gè)陶瓷片的表面為所述壓電陶瓷柱的所述4個(gè)表面部分。
[0021]進(jìn)一步地，所述壓電微電機(jī)還包括兩個(gè)預(yù)緊力機(jī)構(gòu)，所述兩個(gè)預(yù)緊力機(jī)構(gòu)分別設(shè)置在所述兩個(gè)轉(zhuǎn)子上;所述預(yù)緊力機(jī)構(gòu)對(duì)所述轉(zhuǎn)子施加朝向所述定子方向的壓力，以使所述轉(zhuǎn)子保持抵觸在所述金屬匹配端上。
[0022]進(jìn)一步地，所述預(yù)緊力機(jī)構(gòu)包括蝶形彈簧和卡箍。
[0023]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，提出了利用叉指電極對(duì)壓電陶瓷柱進(jìn)行極化、激勵(lì)和構(gòu)造的壓電微電機(jī)，其由定子、轉(zhuǎn)子和預(yù)壓力系統(tǒng)組成。定子由壓電陶瓷和金屬件匹配組成，其中壓電陶瓷柱為中空的圓形柱或方形柱，其與設(shè)置在其兩端的金屬驅(qū)動(dòng)端構(gòu)成中空定子。定子的外表面上有四組均勻軸向布置的叉指狀電極，電極制作在壓電陶瓷柱的外表面上，四組電極均分為兩對(duì)，對(duì)稱布置的為一對(duì)，極化方向相反。每組叉指狀電極中，一路電極接激勵(lì)信號(hào)，另一路電極接地，叉指狀電極用于壓電陶瓷柱的極化和激勵(lì)。激勵(lì)時(shí)，壓電陶瓷柱上相對(duì)的兩組叉指狀電極為一組，連接相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩對(duì)電極上激勵(lì)信號(hào)的相位差在理論上為90度。采用定子的兩個(gè)同頻的一階彎曲共振模態(tài)頻率作為工作頻率。在兩組叉指狀電極上施加相位差位90度的激勵(lì)信號(hào)，將在定子上激勵(lì)出彎曲搖頭振動(dòng)，使得定子與轉(zhuǎn)子相接觸的驅(qū)動(dòng)端面上的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓。在本發(fā)明的其他較佳實(shí)施方式中，壓電陶瓷柱由中空的金屬圓形柱或金屬方形柱和四片貼在金屬柱外表面的壓電陶瓷片構(gòu)成，四組均勻軸向布置的叉指狀電極分別制作在四片壓電陶瓷片的外表面上。
[0024]由此可見，本發(fā)明的壓電微電機(jī)利用叉指電極對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化和激勵(lì)，配合金屬匹配端構(gòu)造定子。該壓電微電機(jī)能實(shí)現(xiàn)低壓驅(qū)動(dòng)，并易于微型化。其在生物、醫(yī)療、微機(jī)械、自動(dòng)控制、光學(xué)鏡頭、機(jī)器人和航空航天國(guó)防科技等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0025]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的壓電微電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2顯示了在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明的壓電微電機(jī)的定子的壓電陶瓷柱。
[0028]圖3是圖2所示的本發(fā)明的壓電微電機(jī)的定子。
[0029]圖4顯示了在第二個(gè)較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明的壓電微電機(jī)的定子的壓電陶瓷柱。
[0030]圖5是圖4所示的本發(fā)明的壓電微電機(jī)的定子。
[0031]圖6顯示了在第三個(gè)較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明的壓電微電機(jī)的定子。
[0032]圖7顯示了圖6所示的本發(fā)明的壓電微電機(jī)的定子的壓電陶瓷片。
【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1所示，本發(fā)明的壓電微電機(jī)包括一個(gè)定子、設(shè)置