[发明专利]一种微型压电单晶直线电机

说明书

技术领域

本发明属于精密驱动元件技术领域，具体涉及一种微型压电单晶直线电机。

背景技术

压电微型电机与传统的电磁电机相比，尤其是在小尺寸(毫米-厘米)范围中，压电微型电机及压电驱动器已经显示了许多独特的优点，诸如相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率。传统的电磁电机在几个毫米量级尺寸的制造已变得很困难，而且它的效率在几个毫米尺寸只剩下百分之几(＜8％)，因为它缺少足够强的磁场。压电电机的效率既没有尺寸效应也不存在磁场问题。压电电机即使在毫米尺寸，也能维持低速、和相对大的力矩特征。作为精密驱动元件，压电电机及驱动器正成为一些高新技术产品诸如手机，医学成像系统和其它微型医用设备的关键元件。所有这些应用需要小尺寸(从1毫米到1厘米)的微型驱动器，所需要的驱动力在微牛米(μNm)到毫牛米(mNm)，以及小的功率消耗(小于0.1W)。许多新的驱动技术，诸如音圈电机、压电驱动器、压电超声微电机等，已发展并瞄准应用于照相手机中的自动聚焦和变焦。在这些微驱动技术中，压电微电机在分辨率，驱动力，和功率消耗等方面已显示出明显的优越性，并且更容易做到微型化。

压电电机已成功的应用于照相机自动聚焦和变焦，Canon Kabushiki Kaisha公司发展的环状和棒状压电行波超声电机(US Patent 5307102，US Patent 5397835)目前已普遍应用于Canon专业照相机。但这两种电机的尺寸均在几个厘米范围，而且也不容易进一步缩小到几个毫米尺寸。

最近DavidA.Henderson发明了一种棒状的微型直线压电电机(US Patent 6940209)，该电机的压电驱动部件在工作时作“呼啦圈”式的运动。该电机有一个圆管状压电定子，并利用两对压电元件激励定子振动，在其两端部产生“呼啦圈”运动，然后通过螺纹机构驱动一个插入其内的螺杆产生直线运动。这种电机可以做成很小尺寸的紧凑结构。但是该种电机对螺纹的加工精度和表面处理要求很高，这是它的不足之处。

另外一种典型的微型直线压电电机是一个矩形压电L1-B2双振动模式系统，工作在第一阶纵振动模式(L1)和第二阶弯曲振动模式(B2)。为了降低驱动电压，SamsungElectro-Mechanics Co.，Ltd.发明了基于多层压电陶瓷结构的L1-B2模式直线压电电机(USPatent 7501745B2)。该种电机在工作时，多层压电陶瓷在2路电压(Vsinωt，Vcosωt)的驱动下做椭圆轨迹的运动，并通过摩擦驱动与其接触的直线滑动块(或微型镜头模块)。该种电机的缺点是需要复杂的多层压电陶瓷工艺，另外，两种工作模式的谐振频率可能会因外界因素(电机定子的固定，预压力等)导致不同步变化，从而导致性能的变化，并使电机不能正常工作。

另外一种典型的微型压电驱动器是一个压电振动棒系统，由Minolta Co.，Ltd.公司发明(US Patent 6836057)。该振动系统由一个多层压电致动器，一个细棒和套在细棒上的镜头构成。附在细棒上的压电致动器依靠快-慢交替的振动，使作用在镜头上的惯性力沿长棒某一方向更大，从而实现镜头的驱动。这种压电驱动系统的优点是相对比较简单的结构，和低的工作电压，缺点是该振动系统依靠惯性力驱动方式的效率低，振动系统本身也对外界振动敏感。

因此，为了满足消费电子、生物医疗等产品对微型驱动器的需要，有必要发明一种新的微型压电电机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑的微型压电单晶直线电机。

本发明压电单晶驱动器由一个方柱状压电单晶材料制成，在电场激励下可产生特定方向的一阶弯曲振动或椭圆弯曲振动；所述的方柱状压电单晶下表面中心处粘接有摩擦块；滑动块被导轨限定在某一方向上沿直线滑动；压电单晶驱动器通过一个弹簧产生的预压力来实现摩擦块同滑动块之间的摩擦接触，再通过压电单晶驱动器的振动来驱动滑动块作直线运动。

在本发明涉及的技术方案中：所述的压电单晶为方柱状，其厚度和宽度相等，且晶体沿厚度和宽度方向具有同等的晶体取向；所述的压电单晶侧表面分布4个沿轴向排布的电极，对称分布于4个棱边附近，单晶的极化方向是从其中一对对角的电极指向另外两个电极。