压电致动器及移动装置

技术领域

本发明涉及微驱动技术领域，特别是涉及一种压电致动器及移动装置。

背景技术

压电致动器的工作原理是：当给压电陶瓷叠堆施加一定的电压之后，由于压电材料的逆压电效应，压电陶瓷叠堆会沿轴向产生一定形变，以此形成位移的输出。

但受装配精度的限制，压电致动器在使用过程中不可避免地会受到一定的切向力，刚度低的长叠堆更容易在径向上产生较大应变而导致断裂，如图1所示；同时，刚度减小会导致叠堆压杆稳定性减弱，如图2所示，由于压电陶瓷材料的脆性和粘接强度不足，陶瓷叠堆会直接断裂；而且，刚度减小也会降低陶瓷叠堆的谐振频率，使陶瓷叠堆更容易受外界激振（如运输过程中的振动、冲击等）而引起断裂，如图3所示。

对于更长行程的工况则需要更长的压电陶瓷叠堆，而压电陶瓷叠堆的加长会使陶瓷叠堆整体刚度减小，导致陶瓷叠堆更容易断裂。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压电致动器及移动装置，用于解决现有压电致动器存在的陶瓷叠堆容易断裂的问题，有利于实现压电致动器的长行程工况。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种压电致动器，包括：

外壳组件，其内具有一端开口的容置腔室；

压电组件，设于所述容置腔室内，包括若干个压电件，各所述压电件在轴向上依次堆叠设置；

至少一个保护组件，设于所述容置腔室内，且至少部分设于所述外壳组件的内壁和所述压电组件的外壁之间；在所述保护组件的数量大于等于2个时，多个所述保护组件上下间隔排列。

可选地，所述保护组件包括：限位件，至多一侧相对于所述外壳组件的内壁或所述压电组件的外壁固定，非固定侧紧贴所述外壳组件的内壁和/或所述压电组件的外壁；其中，所述限位件具有至少一个润滑面，所述润滑面至少设于所述限位件的非固定侧。

可选地，所述限位件的外侧固定连接于所述外壳组件的内壁，内侧紧贴所述压电组件的外壁；其中，所述润滑面至少设于所述限位件的内侧。

可选地，所述限位件的外侧紧贴所述外壳组件的内壁，内侧固定连接于所述压电组件的外壁；其中，所述润滑面至少设于所述限位件的外侧。

可选地，所述限位件的外侧紧贴所述外壳组件的内壁，内侧紧贴所述压电组件的外壁；其中，所述润滑面至少设于所述限位件的外侧和内侧。

可选地，在所述限位件设于相邻两压电件的连接处时，所述保护组件还包括：转接件，固定连接于相邻两压电件之间；其中，所述限位件的内侧固定连接于所述转接件上，外侧紧贴所述外壳组件的内壁；此时，所述润滑面至少设于所述限位件的外侧。

可选地，所述外壳组件的内壁与所述限位件相对处设有滑动凹槽，所述限位件设于所述滑动凹槽内。

可选地，所述限位件的等效摩擦系数满足公式

可选地，所述压电致动器还包括：

盖板，设于所述开口处，且与所述外壳组件连接；其中，所述盖板具有一截面形状呈阶梯状的贯通口；

输出组件，包括底座和贯穿件，所述底座与所述压电组件连接，所述贯穿件设于所述底座上并向上延伸以穿过所述贯通口；其中，所述输出组件的截面形状呈阶梯状，所述输出组件与所述盖板在所述贯通口的宽区域处围成一运动空间。

可选地，所述压电致动器还包括：弹性组件，设于所述运动空间内，且环设于所述贯穿件的外侧。

可选地，所述弹性组件包括碟簧和/或弹簧。

可选地，所述贯穿件的外壁与所述贯通口的内壁之间具有第一间隙和第二间隙， 且所述第二间隙大于所述第一间隙；其中，所述第一间隙满足公式

可选地，所述压电件包括压电陶瓷单片或压电陶瓷叠堆；其中，所述压电陶瓷叠堆包括至少两个上下叠置的压电陶瓷单片。

本发明还提供一种移动装置，所述移动装置包括：如上任一项所述的压电致动器。

如上所述，本发明的一种压电致动器及移动装置，通过增设保护组件，使压电组件在径向上增加一个或多个限位，从而减小压电组件的挠性形变，防止其断裂；同时，保护组件还能起导向作用，提供一定的轴向运动空间，使压电组件的伸缩运动顺畅无阻碍，防止运动卡死、叠堆拉断现象；而且，保护组件有利于增加压电组件的长度，以此增大压电致动器的行程。本发明的压电致动器，不仅具有高稳定性和高可靠性，更具有更大的行程。

附图说明

图1显示为传统压电致动器的长叠堆受力偏心断裂的示意图。

图2显示为传统压电致动器的长叠堆受正压力失稳断裂的示意图。

图3显示为传统压电致动器的长叠堆受外界激振断裂的示意图。

图4显示为本发明压电致动器的结构示意图。

图5显示为本发明保护组件的一种结构示意图。

图6显示为本发明保护组件的另一种结构示意图。

图7显示为本发明盖板、输出组件和弹性组件的结构示意图。

图8显示为本发明压电组件等效为一端固定的悬臂梁结构的示意图。

图9显示为本发明压电组件等效为两端固定的细长杆结构的示意图。

图10显示为本发明压电组件等效为筒支梁的振动系统模型的示意图。

元件标号说明：10外壳组件，11容置腔室，12滑动凹槽，20压电组件，21压电件，30保护组件，31限位件，32转接件，40盖板，41贯通口，50输出组件，51底座，52贯穿件，60弹性组件。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图4-图7所示，本实施例提供一种压电致动器，该压电致动器包括：外壳组件10、压电组件20及至少一个保护组件30。进一步的，该压电致动器还包括：盖板40和输出组件50。更进一步的，该压电致动器还包括：弹性组件60。

外壳组件10内具有一端开口的容置腔室11，其中，该容置腔室11用于安装和固定压电组件20，盖板40安装并固定至该容置腔室11的开口处，同时容置腔室11的开口也是该压电致动器对外的安装定位接口和位移输出接口。实际应用中，外壳组件10通常为金属加工件或陶瓷加工件，起到保护其内部压电组件20的作用。

压电组件20设于容置腔室11内，包括若干个压电件21，各压电件21在轴向上依次堆叠设置。

具体的，压电组件20是位移发生结构，其一端固定于容置腔室11远离其开口的底端，另一端与输出组件50固定连接；当给压电组件20施加一定的电压后，由于压电材料的逆压电效应，压电组件20会沿轴向产生一定形变，该形变传递到输出组件50，形成位移的输出。

更具体的，压电件21包括压电陶瓷单片或压电陶瓷叠堆；其中，压电陶瓷叠堆包括至少两个上下叠置的压电陶瓷单片。也就是说，压电组件20由至少两个压电陶瓷单片构成，且各压电陶瓷单片在轴向上依次叠堆设置；而通过这种叠堆设置，可增大压电组件20整体在轴向上的长度，进而提高压电致动器的位移输出量。

保护组件30设于容置腔室11内，且至少部分设于外壳组件10的内壁和压电组件20的外壁之间；在保护组件30的数量大于等于2个时，多个保护组件30上下间隔排列。

具体的，该保护组件30包括：限位件31，该限位件31至多一侧相对于外壳组件10的内壁或压电组件20的外壁固定，限位件31的非固定侧紧贴外壳组件10的内壁和/或压电组件20的外壁；其中，限位件31具有至少一个润滑面，该润滑面至少设于限位件31的非固定侧。

更具体的，为了保证压电致动器的平稳运行，限位件31的等效摩擦系数满足公式

需要说明的是，在限位件31相对于外壳组件10的内壁固定时，即，限位件31的外侧为固定侧、内侧为非固定侧时，限位件31的等效摩擦系数为限位件31与压电组件20的外壁之间的摩擦系数；在限位件31相对于压电组件20的外壁固定时，即，限位件31的外侧为非固定侧、内侧为固定侧时，限位件31的等效摩擦系数为限位件31与外壳组件10的内壁之间的摩擦系数；在限位件31既不相对于外壳组件10的内壁固定，又不相对于压电组件20的外壁固定时，即，限位件31的外侧和内侧均为非固定侧时，限位件31的等效摩擦系数为限位件31与外壳组件10的内壁和压电组件20的外壁之间存在的总摩擦系数。

实际应用中，限位件31可采用自润滑材料（如聚四氟乙烯、聚醚醚酮等）制成，以减小限位件31与外壳组件10之间和/或限位件31与压电组件20之间的摩擦力，并对压电组件20起导向作用，使压电组件20的伸缩运动顺畅无阻碍，防止运动卡死、叠堆拉断现象；同时，自润滑材料还具有一定的弹性，对于压电组件20在径向上的位移和振动起到缓冲作用，防止其受振动或冲击后引起断裂。

实际应用中，容置腔室11和压电组件20的横截面形状通常为圆形，限位件31则可以是一个由自润滑材料制成的环形工件；当然，限位件31也可以是多个由自润滑材料制成的矩形工件等，这对本实施例没有影响。

第一示例中，限位件31的外侧紧贴外壳组件10的内壁，内侧紧贴压电组件20的外壁；其中，润滑面至少设于限位件31的外侧和内侧。本示例中，限位件31采用过盈配合方式设于外壳组件10的内壁和压电组件20的外壁之间，限位件31的内侧和外侧均为非固定侧；而通过将内侧表面和外侧表面设为润滑面，可以减小运动过程中压电组件20与限位件31之间及限位件31与外壳组件10之间的摩擦力，防止限位件31在压电组件20运动过程中导致压电组件20断裂，并可对压电组件20的运动起导向作用。

第二示例中，限位件31的外侧固定连接于外壳组件10的内壁，内侧紧贴压电组件20的外壁；其中，润滑面至少设于限位件31的内侧。本示例中，限位件31的外侧为固定侧，内侧为非固定侧；而通过将内侧表面设为润滑面，可以减小运动过程中压电组件20与限位件31之间的摩擦力，防止限位件31在压电组件20运动过程中导致压电组件20断裂，并可对压电组件20的运动起导向作用。

第三示例中，限位件31的外侧紧贴外壳组件10的内壁，内侧固定连接于压电组件20的外壁；其中，润滑面至少设于限位件31的外侧。本示例中，限位件31的内侧为固定侧，外侧为非固定侧；而通过将外侧表面设为润滑面，可以减小运动过程中限位件31与外壳组件10之间的摩擦力，防止限位件31在压电组件20运动过程中导致压电组件20断裂，并可对压电组件20的运动起导向作用。

第四示例中，在限位件31设于相邻两压电件21的连接处时，保护组件30还包括：转接件32，转接件32固定连接于相邻两压电件21之间；其中，限位件31的内侧固定连接于转接件32上，外侧紧贴外壳组件10的内壁；此时，润滑面至少设于限位件31的外侧。本示例中，限位件31的内侧为固定侧，外侧为非固定侧；而通过将外侧表面设为润滑面，可以减小运动过程中限位件31与外壳组件10之间的摩擦力，防止限位件31在压电组件20运动过程中导致压电组件20断裂，并可对压电组件20的运动起导向作用。

需要说明的是，相对于第四示例，第一至第三示例涉及的保护组件30，由于仅包括限位件31，因此，具有结构简单、成本低、适用于负载力不高和中等位移行程的压电致动器的特点；而第四示例涉及的保护组件30，除包括限位件31外，还包括转接件32，正是因为转接件32的设计，使得第四示例所示保护组件30适用于更高位移行程的压电致动器。

对于上述示例，在限位件31的外侧为非固定侧时，外壳组件10的内壁与限位件31相对处设有滑动凹槽12，限位件31设于滑动凹槽12内，以此对限位件31进行运动限位。

盖板40设于容置腔室11的开口处，且与外壳组件10连接；其中，盖板40具有一截面形状呈阶梯状的贯通口41。实际应用中，盖板40可与外壳组件10一起制作，甚至一体成型。

输出组件50包括底座51和贯穿件52，底座51与压电组件20连接，贯穿件52设于底座51上并向上延伸以穿过贯通口41；其中，输出组件50的截面形状呈阶梯状，输出组件50与盖板40在贯通口41的宽区域处围成一运动空间。

具体的，输出组件50为刚性结构件，其与压电组件20直接固定连接，用于将压电组件20的位置直接输出至压电致动器外端。

具体的，贯穿件52的外壁与贯通口41的内壁之间具有第一间隙δ1和第二间隙δ2， 且第二间隙δ2大于第一间隙δ1；其中，第一间隙δ1满足公式

弹性组件60设于上述的运动空间内，且环设于贯穿件52的外侧。具体的，弹性组件60位于盖板40和底座51之间，其发生压缩形变后的弹力反作用于压电组件20，给压电组件20施加一个预紧力，以此加快压电组件20的回缩。实际应用中，弹性组件60包括碟簧和/或弹簧。

正如前文（背景技术）所述，根据长叠堆断裂的原因，可以将断裂分为三种：①受力偏心断裂，②压杆失稳断裂，③振动断裂；下面，基于三种断裂情况，对本实施例的压电致动器的性能进行简要分析；其中，本实施例的压电致动器的保护组件30采用第四示例所示结构。

①受力偏心断裂

对于本实施例的压电致动器结构，受力偏心的工况实际是轴向力与切向力耦合的状态，将两种受力情况分解来看；

对于受切向力的情况，可将压电组件20简化为一端固定的悬臂梁结构，如图8所 示；悬臂梁的挠曲线形变满足公式

可见，当压电组件20在轴向上的长度增加时，其整体刚度（

对于受轴向力的情况，如上文所述，当控制盖板40与输出组件50之间的第一间隙 在一个很小范围内之后，压电组件20可简化为两端固定的细长杆结构，如图9所示，其压杆 临界压力的欧拉公式为

可见，当压电组件20的长度增大后，其压杆临界压力会大大降低，更容易在受压状态下断裂。对于既定材料和截面的压电组件，只有通过增加定位点的方式，将细长杆分解为多段短杆的组合，才能提高其压杆临界压力，防止受压断裂。

也即，利用转接件32将压电组件20分为多个粗短的压杆，此时，压电组件20可等效 为多个两端固定的细长杆，如利用n个转接件32将压电组件20分为（n+1）个细长杆，其压杆 临界压力满足公式

②压杆失稳断裂

压杆失稳断裂的情况如上文轴向力断裂情况，此处不再赘述。

③振动断裂

如上文所述，当控制盖板40与输出组件50之间的第一间隙δ1在一个很小范围内之 后，可将压电组件20简化成一个简支梁的振动系统模型，如图10所示，以静变形法分析压电 组件自由振动的特点，满足公式

可见，对于既定材料和截面的压电组件，也可通过增加定位点的方式，将细长杆分解为多段短杆的组合，从而提高整体系统的固有频率，防止压电致动器受外界冲击或振动影响产生共振引发断裂。

也即，利用转接件32将压电组件20分为多个粗短的压杆，如利用n个转接件32将压 电组件20分为（n+1）个压杆，此时，压电组件20的固有频率变为

相应的，本实施例还提供一种移动装置，该移动装置包括：如上所述的压电致动器。其中，该移动装置可以是现有任何一种应用于压电致动器的装置，本实施例对此不做限制。

综上所述，本发明的一种压电致动器及移动装置，通过增设保护组件，使压电组件在径向上增加一个或多个限位，从而减小压电组件的挠性形变，防止其断裂；同时，保护组件还能起导向作用，提供一定的轴向运动空间，使压电组件的伸缩运动顺畅无阻碍，防止运动卡死、叠堆拉断现象；而且，保护组件有利于增加压电组件的长度，以此增大压电致动器的行程。本发明的压电致动器，不仅具有高稳定性和高可靠性，更具有更大的行程。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。