TWI489765B - Composite piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本發明係關於一種複合式壓電致動器，尤其是一種具多個極化區的複合式壓電致動器。
壓電效應是利用材料型變將機械能轉換成電能，或者將電能轉換成機械能。自從1942年發現鈦酸鋇(BaTiO3)的壓電特性之後，各式各樣壓電材料的研究就不斷地發展。1950年左右發明的鋯鈦酸鉛(簡稱：PZT)則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷。一般而言，壓電陶瓷材料具有體積小、反應快速、位移消耗功率低等特色。
當在壓電材料表面施加電場(電壓)，因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長。這種通過電場作用而產生機械形變的過程稱為「逆壓電效應」。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。如果外界電場較強，那麼壓電晶體還會出現電致伸縮效應(electrostriction effect)，即材料應變與外加電場強度的平方成正比的現象。
有鑑於上述的特性，壓電材料被廣泛的應用在馬達，也就是當施加電壓之後，壓電材料產生形變藉此提供馬達所需的運動。通常壓電材料會以被極化成不同極化區的各壓電材料彼此貼合的方式，來產生複合式壓電致動器。由於此種傳統的壓電致動器還必須要以貼合的方式加工，因此會增加工時且製程費用也隨之增加。
本發明之主要目的係在提供一種無須加工貼合的複合式壓電致動器，其具有多個不同極化方向的陶瓷元件。
為達成上述之目的，本發明提供一種複合式壓電致動器，其包括具有一第一極化區與一第二極化區的一陶瓷元件，其中該第一極化區的極化方向不同於該第二極化區。依據本發明的結構，在施加電壓之後，該陶瓷元件之一端面產生形變。
在一實施例中，該第一極化區的極化方向為X軸向，且該第二極化區的極化方向為Z軸向，且該陶瓷元件是先極化出Z軸向的該第二極化區，然後再極化出X軸向的該第一極化區的。然而，該第一極化區的極化方向亦可以是其他不同於第二極化區的極化方向，例如Y軸方向。
當所施加的電壓為脈波電壓時，該陶瓷元件之該端面產生橢圓運動。
在較佳實施例中，該陶瓷元件更包括一第三極化區，且該第三極化區的極化方向為X軸向、Y軸向或Z軸向。
為了方便製作，陶瓷元件可以是長薄型的陶瓷元件。然為了得到較佳的運動軌跡，陶瓷元件可以被設計成環形。在本實施例中，該第一極化區與該第二極化區也都是環形。
為了增加陶瓷元件的運動位移量，還可利用兩個(以上)的陶瓷元件彼此相疊，並透過含銀粉的結構膠使彼此貼合。
本發明的複合式壓電致動器還可應用在馬達，因此其
可更包括一摩擦層，利用該摩擦層驅動其他外部元件。
為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉具體實施例說明如下。
請先參考圖1與圖2，本發明的複合式壓電致動器可以是長薄型的複合式壓電致動器1，亦可以是環形的複合式壓電致動器2。較佳者，複合式壓電致動器1包括一陶瓷元件10與一摩擦層11。相類似地，複合式壓電致動器2包括一陶瓷元件20與一摩擦層21。
請參考圖3A，陶瓷元件10a包括一第一極化區100A與一第二極化區100B。在本實施例中，第一極化區100A的極化方向為+X軸向，第二極化區100B的極化方向為+Z軸向。在製程上，需先極化出極化方向為+Z軸向的第二極化區100B，然後再極化出極化方向為+X軸向的第一極化區100A。
如圖3B所示，對陶瓷元件10a的上下端面(X-Y平面)施加電壓，例如0~150V。請參考圖3C，當施加固定的電壓時，正視的X-Z平面會因逆壓電效應，產生形變，同時產生縱向與斜橫向的形變。請參考圖3D，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在0~150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件10a的上端面12a產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖3D箭號方向所示順時針橢圓運動)。
請參考圖4A，圖4A的實施例與圖3A的實施例差別
在於，圖4A的陶瓷元件10b的第二極化區101B的極化方向為-Z軸向，其他結構都與圖3A的實施例相同。
如圖4B所示，對陶瓷元件10b的上下端面(X-Y平面)施加電壓，例如0~150V。請參考圖4C，當施加固定的電壓時，正視的X-Z平面會因逆壓電效應，產生形變，同時產生斜橫向與縱向的形變。請參考圖4D，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在0~150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件10b的上端面12b產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖4D箭號方向所示順時針橢圓運動)。
請參考圖5A，圖5A的實施例與圖3A的實施例差別在於，圖5A的陶瓷元件10c的第一極化區102A的極化方向為+Z軸向且第二極化區102B的極化方向為+Y軸向，其他結構都與圖3A的實施例相同。
此外，圖5B施加電壓的平面亦不同於圖3B，如圖5B所示，驅動電極面改為陶瓷元件10c的前後端面(X-Z平面)，所施電壓為例如0~150V。請參考圖5C，當施加固定的電壓時，正視的X-Z平面會因逆壓電效應，產生形變，同時產生類似於圖3C的縱向與斜橫向的形變。請參考圖5D，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在0~150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件10c的上端面12c產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖5D箭號方向所示順時針橢圓運動)。
請參考圖6A。圖6A的實施例與圖5A的實施例差別在於，圖6A的陶瓷元件10d的第一極化區103A的極化方
向為+Y軸向且第二極化區103B的極化方向為+Z軸向，其他結構都與圖5A的實施例相同。
如圖6B所示，驅動電極面為陶瓷元件10d的前後端面(X-Z平面)，所施電壓為例如0~150V。請參考圖6C，當施加固定的電壓時，正視的X-Z平面會因逆壓電效應，產生形變，同時產生類似於圖4C的斜橫向與縱向的形變。請參考圖6D，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在0~150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件10d的上端面12d產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖6D箭號方向所示順時針橢圓運動)。
為了增加陶瓷元件的運動位移量，本發明還透過含銀粉的結構膠使兩個(以上)的陶瓷元件彼此相疊貼合。請參考圖7A，其顯示將兩個圖3A的陶瓷元件彼此相疊，並於接合處14a以含銀粉的結構膠使彼此貼合。
對陶瓷元件10a的上下端面(X-Y平面)施加電壓，例如0~150V。請參考圖7B，當施加固定的電壓時，正視的X-Z平面會因逆壓電效應產生形變，同時產生縱向與斜橫向的形變，而且更因為兩個陶瓷元件的加成作用，位移量更大。請參考圖7C，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在0~150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件10a的上端面12a產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖7C箭號方向所示順時針橢圓運動)。
除了上述的各種實施例之外，本發明的陶瓷元件不只包括兩個不同的極化區，還可包括第三極化區。第三極化
區可以相同於第一或第二極化區，亦可以是不同於第一或第二極化區。
請參考圖8A，陶瓷元件10e包括一第一極化區104A、一第二極化區104B及第三極化區104C。在本實施例中，第一極化區104A的極化方向為+X軸向，第二極化區104B的極化方向為+Z軸向，以及第三極化區104C的極化方向亦為+X軸向。在製程上，需先極化出極化方向為+Z軸向的第二極化區104B，然後再極化出極化方向為+X軸向的第一極化區104A及第三極化區104C。
如圖8B所示，對陶瓷元件10e的上下端面(X-Y平面)施加電壓，例如0~150V。請參考圖8C，當施加固定的電壓時，正視的X-Z平面會因逆壓電效應，產生形變，同時產生縱向與斜橫向的形變。在本實施例的形變位移量也大於圖3A。請參考圖8D，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在+-150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件10e的上端面12e產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖8D箭號方向所示順時針橢圓運動)。
圖9A的實施例與圖8A的實施例差別在於，圖9A的陶瓷元件10e的第一極化區105A及第三極化區105C的極化方向為-X軸向，其他結構都與圖9A的實施例相同。
如圖9B所示，對陶瓷元件10f的上下端面(X-Y平面)施加電壓，例如0~150V。請參考圖9C，當施加固定的電壓時，正視的X-Z平面會因逆壓電效應產生形變，同時產生斜橫向與縱向的形變。在本實施例的形變位移量也大於
雙極化區的情形。請參考圖9D，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在0~150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件10f的上端面12f產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖9D箭號方向所示逆時針橢圓運動)。
請參考圖10A，如圖2所示的陶瓷元件20a包括一第一極化區200A與一第二極化區200B。在本實施例中，該第一極化區200A與該第二極化區200B也都是環形。第一極化區100A的極化方向為逆時針方向，第二極化區100B的極化方向為+Z軸向。在製程上，需先極化出極化方向為+Z軸向的第二極化區200B，然後再極化出極化方向為逆時針方向的第一極化區200A。
為了更清楚的看出陶瓷元件20a的運動情形，僅顯示部分的陶瓷元件20a。如圖10B所示，對陶瓷元件20a的上下端面(X-Y平面)施加電壓，例如0~150V。請參考圖10C，當施加固定的電壓時，因逆壓電效應，陶瓷元件20a產生形變，同時產生縱向與逆時針扭轉的形變。請參考圖10D，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在0~150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件20a的上端面22a產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖10D箭號方向所示逆時針橢圓運動)。
類似於圖9A，環形的陶瓷元件亦可設計為具有三個極化區。請參考圖11A，環形陶瓷元件20b包括一第一極化區201A、一第二極化區201B及第三極化區201C。在本實施例中，第一極化區201A的極化方向為逆時針方向，第
二極化區201B的極化方向為+Z軸向，以及第三極化區201C的極化方向亦為逆時針方向。
為了更清楚的看出陶瓷元件20b的運動情形，僅顯示部分的陶瓷元件20b。如圖11B所示，對陶瓷元件20b的上下端面(X-Y平面)施加電壓，例如0~150V。請參考圖11C，當施加固定的電壓時，因逆壓電效應，陶瓷元件20b產生形變，同時產生縱向與逆時針扭轉的形變。在本實施例的形變位移量明顯大於圖10C的雙極化區的陶瓷元件20a。請參考圖11D，當施加脈波形電壓時，也就是所施加的電壓隨時間漸漸增加後又漸漸減少，持續地在0~150V之間增加後又減少電壓，陶瓷元件20b的上端面22b產生來回運動，而形成橢圓運動(如圖11D箭號方向所示逆時針橢圓運動)。在本實施例的形變位移量亦明顯大於圖10D的雙極化區的陶瓷元件20a。
本發明在製程上，先極化出極化方向為Z軸向的極化區，然後再極化出極化方向為X軸向或Y軸向或順逆時針方向的極化區。使用者可依所欲獲得的不同運動型態，設計出不同的多個極化區的陶瓷元件。因此本發明的圖示僅為示意，並非用以限制本發明。
本發明的複合式壓電致動器還可應用在馬達，因此其可更包括一摩擦層，利用該摩擦層驅動其他外部元件，達成來回運動之效果。
綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，懇請 貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的是，
上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
1、2‧‧‧複合式壓電致動器
11、21‧‧‧摩擦層
10、20、10a、10b、10c、10d、10e、10f、20a、20b‧‧‧陶瓷元件
100A、100B、101A、101B、102A、102B、103A、103B、104A、104B、104C、105A、105B、105C、200A、200B、201A、201B、201C‧‧‧極化區
12a、12b、12c、12d、12e、22a、22b‧‧‧端面
圖1為本發明的複合式壓電致動器。
圖2為本發明的複合式壓電致動器之另一實施例。
圖3A顯示圖1的具有兩個極化方向的陶瓷元件。
圖3B顯示圖3A的陶瓷元件尚未施加電壓的示意圖。
圖3C顯示圖3A的陶瓷元件施加固定電壓後，正視的X-Z平面的運動示意圖。
圖3D顯示圖3A的陶瓷元件施加脈波電壓後，正視的X-Z平面與上端面的運動示意圖。
圖4A顯示圖1的具有兩個極化方向的陶瓷元件。
圖4B顯示圖4A的陶瓷元件尚未施加電壓的示意圖。
圖4C顯示圖4A的陶瓷元件施加固定電壓後，正視的X-Z平面的運動示意圖。
圖4D顯示圖4A的陶瓷元件施加脈波電壓後，正視的X-Z平面與上端面的運動示意圖。
圖5A顯示圖1的具有兩個極化方向的陶瓷元件。
圖5B顯示圖5A的陶瓷元件尚未施加電壓的示意圖。
圖5C顯示圖5A的陶瓷元件施加固定電壓後，正視的X-Z平面的運動示意圖。
圖5D顯示圖5A的陶瓷元件施加脈波電壓後，正視的X-Z平面與上端面的運動示意圖。
圖6A顯示圖1的具有兩個極化方向的陶瓷元件。
圖6B顯示圖6A的陶瓷元件尚未施加電壓的示意圖。
圖6C顯示圖6A的陶瓷元件施加固定電壓後，正視的X-Z平面的運動示意圖。
圖6D顯示圖6A的陶瓷元件施加脈波電壓後，正視的X-Z平面與上端面的運動示意圖。
圖7A顯示兩個圖1的具有兩個極化方向的陶瓷元件。
圖7B顯示圖7A的陶瓷元件施加固定電壓後，正視的X-Z平面的運動示意圖。
圖7C顯示圖7A的陶瓷元件施加脈波電壓後，正視的X-Z平面與上端面的運動示意圖。
圖8A顯示具有三個極化方向的陶瓷元件。
圖8B顯示圖8A的陶瓷元件尚未施加電壓的示意圖。
圖8C顯示圖8A的陶瓷元件施加固定電壓後，正視的X-Z平面的運動示意圖。
圖8D顯示圖8A的陶瓷元件施加脈波電壓後，正視的X-Z平面與上端面的運動示意圖。
圖9A顯示具有三個極化方向的陶瓷元件。
圖9B顯示圖9A的陶瓷元件尚未施加電壓的示意圖。
圖9C顯示圖9A的陶瓷元件施加固定電壓後，正視的X-Z平面的運動示意圖。
圖9D顯示圖9A的陶瓷元件施加脈波電壓後，正視的X-Z平面與上端面的運動示意圖。
圖10A顯示圖2的具有兩個極化方向的陶瓷元件。
圖10B顯示局部圖10A的陶瓷元件尚未施加電壓的示意圖。
圖10C顯示局部圖10A的陶瓷元件施加固定電壓後，局部的運動示意圖。
圖10D顯示局部圖10A的陶瓷元件施加脈波電壓後，上端面的運動示意圖。
圖11A顯示具有三個極化方向的環形陶瓷元件。
圖11B顯示局部圖11A的陶瓷元件尚未施加電壓的示意圖。
圖11C顯示局部圖11A的陶瓷元件施加固定電壓後，局部的運動示意圖。
圖11D顯示局部圖11A的陶瓷元件施加脈波電壓後，上端面的運動示意圖。
10a‧‧‧陶瓷元件
Claims (10)
- 一種複合式壓電致動器，其包括：一陶瓷元件，其包括一第一極化區與一第二極化區，其中該第一極化區的極化方向的軸向不同於該第二極化區的極化方向的軸向；藉此，在施加電壓之後，該陶瓷元件之一端面產生形變。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式壓電致動器，其中該第一極化區的極化方向為X軸向，且該第二極化區的極化方向為Z軸向。
- 如申請專利範圍第2項所述之複合式壓電致動器，其中該陶瓷元件是先極化出Z軸向的該第二極化區，然後再極化出X軸向的該第一極化區的。
- 如申請專利範圍第2項所述之複合式壓電致動器，其中所施加的電壓為脈波電壓時，該陶瓷元件之該端面產生橢圓運動。
- 如申請專利範圍第4項所述之複合式壓電致動器，更包括一摩擦層位於該陶瓷元件之該端面之上，當該端面產生橢圓運動，可利用該摩擦層驅動其他外部元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式壓電致動器，其中該陶瓷元件更包括一第三極化區，且該第三極化區的極化方向為X軸向、Y軸向或Z軸向。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式壓電致動器，其中該陶瓷元件為環形，且該第一極化區與該第二極化區也都是環形。
- 如申請專利範圍第7項所述之複合式壓電致動器，其中所施加的電壓為脈波電壓時，該陶瓷元件之該端面產生順時針或逆時針的扭轉運動。
- 如申請專利範圍第8項所述之複合式壓電致動器，更包括一摩擦層位於該陶瓷元件之該端面之上，當該端面產生順時針或逆時針的扭轉運動，可利用該摩擦層驅動其他外部元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合式壓電致動器，更包括一第二陶瓷元件，且該第二陶瓷元件包括一第三極化區與一第四極化區，其中該第三極化區的極化方向不同於該第四極化區；其中，該第二陶瓷元件是疊在該第一陶瓷元件之上，且該第二陶瓷元件與該第一陶瓷元件之間是透過含銀粉的結構膠使彼此貼合。
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