一种音叉型结构的压电致动器及其工作方法与流程

1.本发明属于超声电机制造技术领域，具体涉及一种音叉型结构的压电致动器及其工作方法，其可以实现精密驱动以及定位功能。


背景技术：

2.随着科技的进步与发展，特别是航空航天、生物医学、精密电子仪器等技术领域的快速发展，世界对于新型微特致动器提出了更高层次的要求，诸如小型化、轻量化、无电磁干扰等。传统马达以及气体阀因受结构的限制，使得此类装置难以缩小体积，且传统马达及气体阀在动作时也会产生噪音，导致使用上的不便利及不舒适。因此，压电致动器由于响应速度快、输出力大、结构紧凑、抗干扰能力强等优势在各种新型微特致动器中脱颖而出。在这其中，传统的压电致动器采用压电叠堆式和夹心式的结构设计，因其厚度较大，限制了其应用场景。而贴片式压电致动器定子结构，相较于传统压电致动器，装配更加简单，纵向尺寸小，信号激励简便，更加适合压电致动器的微型化发展。
3.传统的贴片式压电致动器的工作机理是利用压电陶瓷的逆压电效应，激励出金属弹性体定子的高频微幅运动，实现定子头部的椭圆运动轨迹，并通过定子、动子之间的粘滑摩擦作用将该振动转变成动子的位移输出，驱动负载。但现有压电致动器存在精度低、噪音高、结构大且复杂的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种音叉型结构的压电致动器及其工作方法。本发明在现有贴片型压电致动器的机械结构、性能输出的基础上，设计研制了一种基于粘滑驱动的音叉型结构的压电致动器。经过在其模型上开展动力学理论建模、仿真优化以及实验研究，得到了优秀的实验参数，从而保证了该压电致动器良好的输出性能。
5.为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
6.一种音叉型结构的压电致动器，包括基板、定子、动子，所述的定子包括金属弹性体，金属弹性体安装于所述的基板，金属弹性体设有对称的悬臂梁，悬臂梁呈弧形，朝向对侧；金属弹性体的两表面以及悬臂梁的两表面各粘接有压电陶瓷片；所述的动子直线滑动式地装配于所述的基板，所述的动子包括滑动片；所述定子的两悬臂梁能夹持所述的滑动片并促使滑动片作步进运动。
7.优选的，设一预紧基座，预紧基座安装所述的基板。
8.优选的，预紧基座安装有直线导轨，直线导轨滑动配合所述的动子。
9.优选的，动子包括滑块，滑块与所述的直线导轨滑动配合，滑块与所述的滑动片贴合并固定连接。
10.优选的，滑动片呈凸形，滑动片的凸部与定子的两侧悬臂梁相适配，所述定子的两悬臂梁能夹持滑动片的凸部。
11.优选的，预紧基座截面呈凹形，两侧壁各旋接一预紧螺栓。
12.优选的，基板呈一级台阶状，高台阶面安装所述的定子，低台阶面安装所述的动子。
13.优选的，金属弹性体和压电陶瓷片采用环氧树脂粘接。
14.优选的，金属弹性片选用铍青铜制成。
15.一种上述音叉型结构的压电致动器的工作方法，按如下步骤：
16.步骤一，对粘贴于金属弹性片以及悬臂梁正反两面的压电陶瓷片进行相反方向的极化处理；
17.步骤二，对粘贴于金属弹性片本体部的压电陶瓷片施加稳定额定频率的交流电压sin(ωt)，激发金属弹性片本体部的弯曲振动模态，带动悬臂梁作夹紧动作，使得定子的悬臂梁与动子之间有足够的摩擦力；
18.步骤三，对粘贴于悬臂梁的压电陶瓷片施加的电场激励信号，激励悬臂梁的纵向振动，带动动子向前直线运动。
19.本发明音叉型结构的压电致动器，定子驱动动子的原理为粘滑效应的应用，而基于粘滑效应的驱动方式是一种动静摩擦交替的周期运动方式，同时由于压电层合板的弯曲振动，定子的运动轨迹是椭圆形，改变电压的相位差可改变定子运动轨迹，从而实现压电致动器在设计负载下的最大运行速度。另外，在椭圆运动轨迹下定子步进周期接近
‑
远离动子，实现粘
‑
滑交替运动，从而带动滑台动子快速步进运动，完成从电能到机械能的转换。
20.本发明在传统的贴片式压电致动器结构设计的基础上，研发了一种高精度、低噪音、结构小巧的压电致动器。本发明的压电致动器可以适用于增加手机摄像头在特殊极端场景下的稳定性，有助于降低手机能耗，增加手机续航时间。
附图说明
21.图1是本发明压电致动器的总体装配图；
22.图2是本发明压电致动器的俯视图；
23.图3是本发明压电致动器的右视图；
24.图4是音叉型结构压电致动器的定子结构图；
25.图5是电激励下压电致动器的定子弯曲模态图；
26.图6是压电复合梁等效电路图。
27.图中，1为直线导轨；2为滑块；3为滑动片；4为预紧基座；5为预紧螺栓；6为压电陶瓷片；7为固定螺栓；8为金属弹性片；9为基板；10为预紧螺栓；11为动子；12为定子。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
29.如图1
‑
3所示，本实例压电致动器包括预紧基座4、定子12、基板9、动子11和直线导轨1，预紧基座4截面呈凹形，其两侧壁各旋接预紧螺栓5、10，预紧螺栓固定在音叉两侧，给音叉施加大小方向对称的预紧力；预警螺栓通过预警基座的限位孔插入，可自由旋紧，可压紧定子两侧。预紧基座4的凹部安装基板9，基板9呈一级台阶状。
30.定子12包括金属弹性片8、压电陶瓷片6，压电陶瓷片呈长方形结构，为锆钛酸铅材料，其边长不大于金属弹性片8的边长，用以施加电压以驱动金属弹性片的弯曲振动。金属
弹性片8可以选用铍青铜制成，其通过两个固定螺栓7安装于基板9的高台阶面。金属弹性片8的上下两面各贴有一压电陶瓷片6。金属弹性体和压电陶瓷片采用环氧树脂粘接。
31.金属弹性片8的两侧前部形成对称的悬臂梁，悬臂梁呈弧形，朝向对侧。两侧悬臂梁的上下面也各贴有压电陶瓷片，此处的压电陶瓷片未与前面的压电陶瓷片相连。图4为本发明的音叉型定子12的结构示意图，其中，定子上下两面区域为压电陶瓷片6的贴片位置；d为定子厚度；b0为定子后端部宽度，b1为悬臂梁固定端宽度，可知音叉外侧间的夹角α为2(π
‑
θ)，设定夹角θ的范围为150
°‑
180
°
，则夹角α的取值范围为0
°‑
60
°
。
32.基板9的低台阶面沿中部长度方向安装有直线导轨1，其上装配动子11，动子11包括滑块2、滑动片3。直线导轨1滑动配合滑块2，滑块2的上表面贴合并通过四个固定螺栓安装滑动片3，滑动片3呈凸形，滑动片凸部与金属弹性体两侧定位大致相同，其凸部与定子12的两侧悬臂梁相适配动作，两侧悬臂梁能夹持滑动片3的凸部。设有压电陶瓷6的定子12被施加激励电压而产生压电陶瓷特性，从而带动由滑块2和滑动片3组成的动子11快速步进运动。
33.音叉型压电致动器定子可看作是以一个双电层合结构，施加激励电压于压电陶瓷表面激发压电陶瓷的逆压电效应，利用d
31
效应(d
31
效应属于压电效应的一种，即压电陶瓷产生的力的方向与它本身的极化方向垂直)带动金属弹性体伸缩完成一个椭圆形运动轨迹，从而带动滑台动子快速步进运动，完成从电能到机械能的转换。图5显示了电激励方式下音叉体部的弯曲振动模态。体部的两个压电陶瓷片表面施加sin(ωt)电场激励信号，主要激发出体部的弯曲振动模态，带动音叉作夹紧运动，使得定子的音叉头部与动子之间产生足够的摩擦力。同时，音叉端部的四个压电陶瓷片表面施加电场激励信号，主要激励前端定子音叉部分的纵向振动，在夹紧定子的状态下，带动定子向前直线运动。为两相电压的相位差，金属弹性体接地线。施加在压电陶瓷上的交变电压的频率在1～50hz之间，并设定施加在压电陶瓷上的交变电压的幅值在10～50v之间。在相位差和激励信号合理的情况下，就能激发出定子在驱动足(驱动足是音叉顶部与动子接触的地方)处的椭圆运动(也可以称之为形变，即这个形变使得定子会产生一个椭圆形的运动轨迹)。
34.图6所示压电复合梁等效电路图，在此将压电陶瓷等效为电容，而压电复合梁可等效为两个电容c0、c1并联后与金属弹性体等效电阻r的串联，由于其压电片自身存在电阻r1，压电陶瓷可理想等效为电容、电阻并联的元件。根据电容充放原理，压电梁两端实际电压u1如下式
[0035][0036]
其中，u0为压电致动器驱动电源的输出电压，u1为压电陶瓷两端的实际电压，c0为压电陶瓷片的等效电容值，r为金属弹性体的等效电阻。由于压电陶瓷片自身电阻r1≥r，将上式和δl＝u(t)
·
d
31
联立，经laplace变换后，得到压电片长度方向伸长量δl与驱动电源的输出电压u0的关系函数为：
[0037][0038]
如图5所示，本发明还公开了一种音叉型结构的压电致动器的工作方法，包含如下步骤：
[0039]
步骤一，对粘贴在音叉型压电致动器定子12上的压电陶瓷片6进行极化处理，由于定子12的正反两面均粘贴由压电陶瓷片6，因此，正反两面的压电陶瓷片6进行相反方向的极化处理；
[0040]
步骤二，对粘贴在定子12本体部的压电陶瓷片6施加稳定额定频率的交流电压sin(ωt)激发出定子12本体部的弯曲振动模态，带动音叉夹紧动作，使得定子12的音叉头部与动子11之间有足够的摩擦力；
[0041]
步骤三，对音叉端部的压电陶瓷片6表面施加的电场激励信号，主要激励前端定子音叉部分的纵向振动，在夹紧动子11的状态下，带动定子12向前直线运动，为两相电压的相位差，金属弹性体接地线。在相位差和激励信号合理的情况下，就能激发出定子在驱动足处的椭圆运动，从而使动子11滑动。
[0042]
本发明音叉型结构的压电致动器包括定子、基板、直线导轨、预紧螺栓和滑块等，其中定子由压电陶瓷粘贴在金属弹性体表面两侧构成，定子通过固定螺栓夹持于基板一侧；直线导轨固定于基板上，滑块与滑动片共同组成滑台动子，其由定子驱动；在夹持上，致动器采用在定子端部两侧使用螺栓固定，在定子音叉端部采用自由的悬臂梁结构；在预压力的施加方式上，致动器采用在音叉两侧同时旋转预紧螺栓，使得预压力大小方向对称，从而有利于提高小型直线致动器的定位精度。
[0043]
本发明压电致动器可用于手机摄像头中用于镜头对焦，由于传统的镜头对焦用的是步进马达，其耗电大，而采用本发明压电致动器驱动后，其耗电大大减小，并且压电致动器的性能在极端温度下变化幅度较小。
[0044]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0045]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。