本發(fā)明涉及一種壓電微電機(jī)，尤其涉及一種多軸壓電微電機(jī)。

背景技術(shù)：

壓電微電機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為定子的振動能，定子再通過摩擦驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動部件做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)其工作在超聲頻段時，也稱為超聲電機(jī)。

與傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動器相比，壓電電機(jī)具有許多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，比如：

1、結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度(轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量)大，易于微型化；

2、低速大力矩，無需齒輪減速機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動；

3、電機(jī)響應(yīng)速度快，并且能實(shí)現(xiàn)斷電自鎖；

4、位置和速度控制性好，位移分辨率高；

5、超聲波電機(jī)是通過振動摩擦進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的，在轉(zhuǎn)換過程中不產(chǎn)生磁場，亦不受外界磁場干擾，抗電磁干擾能力強(qiáng)；

6、安靜無噪聲，超聲波電機(jī)工作在超聲頻段，由于不需要齒輪等減速機(jī)構(gòu)，所以可以安靜無噪聲的運(yùn)行；

7、設(shè)計靈活，結(jié)構(gòu)形式多樣化。

由于壓電電機(jī)具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動電壓低等特點(diǎn)，使其特別適合用于設(shè)備和機(jī)構(gòu)的直接驅(qū)動，而不需要減速機(jī)構(gòu)。

多軸驅(qū)動、多軸輸出的電機(jī)具有更大的輸出力矩，但目前偶爾出現(xiàn)的多軸驅(qū)動的壓電微電機(jī)都是多個電機(jī)同時工作實(shí)現(xiàn)的，如何讓單個壓電微電機(jī)的定子能夠同時支持多運(yùn)動輸出(多軸輸出)是一個需要解決的問題。這樣將可能在更微小的體積范圍實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動，并獲得更大的輸出力矩。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種多軸壓電微電機(jī)，以使單個壓電微電機(jī)的定子能夠?qū)崿F(xiàn)多軸輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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)問題是提供一種多軸壓電微電機(jī)，通過設(shè)計一個定子、多個轉(zhuǎn)子和多個輸出軸的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)具有更大的輸出力矩的多軸壓電微電機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種多軸壓電微電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和與輸出軸，所述定子包括由壓電材料制作的部分，其特征在于，用于驅(qū)動所述多軸壓電微電機(jī)的激勵信號在所述定子上激勵出縱向振動和彎曲振動的復(fù)合振動以使所述定子驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動；所述轉(zhuǎn)子的個數(shù)不小于兩個，所述輸出軸的個數(shù)不小于兩個；至少兩個所述輸出軸與至少兩個所述轉(zhuǎn)子分別地相連以同時地輸出所述至少兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩。

進(jìn)一步地，對于每個所述轉(zhuǎn)子，所述定子上具有一個驅(qū)動孔，所述轉(zhuǎn)子至少部分地嵌入所述驅(qū)動孔內(nèi)以被所述驅(qū)動孔的側(cè)壁通過摩擦力驅(qū)動。

進(jìn)一步地，所述定子上布置有多個用于加載所述激勵信號的電極，所述激勵信號包括彼此間相位相差π/2的第一激勵信號和第二激勵信號，所述多個電極中任意兩個相鄰的電極上加載的激勵信號不同。

進(jìn)一步地，各個所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速度相同或不同，各個所述轉(zhuǎn)子分別地帶動與其相連的所述輸出軸，各個所述輸出軸的轉(zhuǎn)速相同或不同。

進(jìn)一步地，還包括至少一個輪系，所述輪系布置在兩個所述輸出軸之間，所述輪系的傳動比等于所述兩個輸出軸的轉(zhuǎn)速比。

進(jìn)一步地，所述輪系由齒輪構(gòu)成。

可選地，所述定子包括壓電片，所述壓電片具有彼此平行的第一表面和第二表面，所述壓電片的極化方向平行于所述第一表面和所述第二表面的法線；所述壓電片上具有至少兩個通孔，各個所述通孔從所述第一表面延伸到所述第二表面；對于每個所述通孔，所述壓電片的所述第一表面上至少具有兩個所述電極，所述至少兩個電極皆鄰接于所述通孔；所述壓電片的所述第二表面接地。

進(jìn)一步地，所述壓電片為矩形板狀，具有三個彼此垂直的中心對稱面，其中第一中心對稱面平行于所述的第一表面和第二表面，各個所述通孔的中心對稱軸分布在第二中心對稱面上。

可選地，所述通孔作為所述驅(qū)動孔，所述通孔的側(cè)壁與其中的所述轉(zhuǎn)子的表面相接觸。

可選地，所述通孔內(nèi)穿設(shè)有金屬筒狀件，所述金屬筒狀件與所述通孔緊固連接，所述金屬筒狀件作為所述驅(qū)動孔，所述金屬筒狀件的側(cè)壁與其中的所述轉(zhuǎn)子的表面相接觸；所述金屬筒狀件與各個所述電極之間具有間隙。

進(jìn)一步地，所述金屬筒狀件的所述側(cè)壁至少部分地為圓錐面，所述圓錐面與所述轉(zhuǎn)子的表面相接觸。

進(jìn)一步地，所述圓錐面朝向所述壓電片的所述第一表面展開。

進(jìn)一步地，所述通孔的個數(shù)為兩個，所述電極的個數(shù)為四個，所述通孔關(guān)于所述壓電片的第三中心對稱面對稱，所述電極關(guān)于所述壓電片的第三中心對稱面對稱；所述四個電極中兩個不相鄰的電極構(gòu)成第一組電極，另外兩個不相鄰的電極構(gòu)成第二組電極；所述第一組電極上加載正弦激勵信號，所述第二組電極上加載余弦激勵信號。

進(jìn)一步地，所述通孔的中心對稱軸位于所述彎曲振動的振動節(jié)點(diǎn)處。

進(jìn)一步地，所述定子還包括其上具有通孔的矩形板狀的金屬板，所述金屬板貼合于所述壓電片的第二表面，所述金屬板接地；所述金屬板上的通孔與所述壓電片上的通孔連通，共同作為所述驅(qū)動孔。

進(jìn)一步地，所述金屬板的平行于所述壓電片的第二表面的橫截面具有與所述壓電片的第二表面相同的形狀。

可選地，所述定子由矩形板狀的第一壓電片、矩形板狀的金屬板和矩形板狀的第二壓電片依次貼合而成，所述第一壓電片的第二表面與所述金屬板的第一表面貼合，所述第二壓電片的第一表面與所述金屬板的第二表面貼合；所述第一壓電片和所述第二壓電片的極化方向皆平行于所述金屬板的所述第一表面和所述第二表面的法線；所述定子上具有至少兩個通孔，各個所述通孔從所述第一壓電片的所述第一表面延伸到所述第一壓電片的所述第二表面；對于每個所述通孔，所述第一壓電片的所述第一表面上至少具有兩個所述電極且所述至少兩個電極皆鄰接于所述通孔，所述第二壓電片的所述第二表面上至少具有兩個所述電極且所述至少兩個電極皆鄰接于所述通孔；所述金屬板接地。

進(jìn)一步地，所述定子具有三個彼此垂直的中心對稱面，其中第一中心對稱面平行于所述金屬板的所述的第一表面和第二表面，各個所述通孔的中心對稱軸分布在第二中心對稱面上。

進(jìn)一步地，在所述金屬板上的所述通孔部分作為所述驅(qū)動孔；對于每個所述驅(qū)動孔，兩個所述轉(zhuǎn)子至少部分地嵌入所述驅(qū)動孔中，其中一個所述轉(zhuǎn)子鄰近所述第一壓電片，另一個所述轉(zhuǎn)子鄰近所述第二壓電片；所述驅(qū)動孔的側(cè)壁包括兩個圓錐面，所述兩個圓錐面分別與所述兩個轉(zhuǎn)子的表面相接觸。

進(jìn)一步地，所述兩個圓錐面分別朝向所述金屬板的所述第一表面和所述第二表面展開。

進(jìn)一步地，所述通孔的個數(shù)為兩個，所述第一壓電片上的所述電極的個數(shù)為四個，所述第二壓電片上的所述電極的個數(shù)為四個；所述通孔關(guān)于所述定子的第三中心對稱面對稱，所述電極關(guān)于所述定子的第三中心對稱面對稱，所述第一壓電片上的所述四個電極和所述第二壓電片上的所述四個電極關(guān)于所述定子的所述第一中心對稱面對稱；所述第一壓電片上的所述四個電極中兩個不相鄰的電極構(gòu)成第一組電極，另外兩個不相鄰的電極構(gòu)成第二組電極；所述第二壓電片上的所述四個電極 中兩個不相鄰的電極構(gòu)成第三組電極，另外兩個不相鄰的電極構(gòu)成第四組電極，所述第一組電極和所述第三組電極關(guān)于所述定子的所述第一中心對稱面對稱，所述第二組電極和所述第四組電極關(guān)于所述定子的所述第一中心對稱面對稱。

進(jìn)一步地，所述第一壓電片的極化方向和所述第二壓電片的極化方向相反，所述第一組電極和所述第三組電極上加載正弦激勵信號，所述第二組電極和所述第四組電極上加載余弦激勵信號。

進(jìn)一步地，所述通孔的中心對稱軸位于所述彎曲振動的振動節(jié)點(diǎn)處。

可選地，所述定子包括矩形板狀的金屬板、多個第一壓電片和多個第二壓電片；所述多個第一壓電片的第一表面為所述電極，所述第一壓電片的第二表面貼合在所述金屬板的第一表面上；所述多個第二壓電片的第二表面為所述電極，所述第二壓電片的第一表面貼合在所述金屬板的第二表面上；各個所述第一壓電片和各個所述第二壓電片的極化方向皆平行于所述金屬板的所述第一表面和所述第二表面的法線；所述金屬板上具有至少兩個通孔，各個所述通孔從所述金屬板的所述第一表面延伸到所述金屬板的所述第二表面；對于每個所述通孔，所述金屬板的所述第一表面上至少具有兩個所述第一壓電片且所述至少兩個第一壓電片皆鄰接于所述通孔，所述金屬板的所述第二表面上至少具有兩個所述第二壓電片且所述至少兩個第二壓電片皆鄰接于所述通孔；所述金屬板接地。

進(jìn)一步地，所述定子具有三個彼此垂直的中心對稱面，其中第一中心對稱面平行于所述金屬板的所述的第一表面和第二表面，各個所述通孔的中心對稱軸分布在第二中心對稱面上。

進(jìn)一步地，在所述通孔作為所述驅(qū)動孔；對于每個所述通孔，兩個所述轉(zhuǎn)子至少部分地嵌入所述通孔中，其中一個所述轉(zhuǎn)子鄰近所述第一壓電片，另一個所述轉(zhuǎn)子鄰近所述第二壓電片；所述通孔的側(cè)壁包括兩個圓錐面，所述兩個圓錐面分別與所述兩個轉(zhuǎn)子的表面相接觸。

進(jìn)一步地，所述兩個圓錐面分別朝向所述金屬板的所述第一表面和所述第二表面展開。

進(jìn)一步地，所述通孔的個數(shù)為兩個，所述第一壓電片的個數(shù)為四個，所述第二壓電片的個數(shù)為四個；所述通孔關(guān)于所述定子的第三中心對稱面對稱，所述第一壓電片關(guān)于所述定子的第三中心對稱面對稱，所述第二壓電片關(guān)于所述定子的第三中心對稱面對稱，所述第一壓電片和所述第二壓電片關(guān)于所述定子的所述第一中心對稱面對稱；所述四個第一壓電片中兩個不相鄰的所述第一壓電片上的電極構(gòu)成第一組電極，另外兩個不相鄰的所述第一壓電片上的電極構(gòu)成第二組電極；所述四個第二壓電片中兩個不相鄰的所述第二壓電片上的電極構(gòu)成第三組電極，另外兩個不相鄰的所述第二壓電片上的電極構(gòu)成第四組電極，所述第一組電極和所述第三組電極關(guān)于所述定子的所述第一中心對稱面對稱，所述第二組電極和所述第四組電極關(guān)于 所述定子的所述第一中心對稱面對稱。

進(jìn)一步地，各個所述第一壓電片的極化方向和各個所述第二壓電片的極化方向相反，所述第一組電極和所述第三組電極上加載正弦激勵信號，所述第二組電極和所述第四組電極上加載余弦激勵信號。

進(jìn)一步地，所述通孔的中心對稱軸位于所述彎曲振動的振動節(jié)點(diǎn)處。

在超聲電機(jī)領(lǐng)域，多轉(zhuǎn)軸(輸出軸)并不是一個常用概念。為了增大扭矩，行波型、搖頭型、縱扭型壓電電機(jī)也曾出現(xiàn)了雙轉(zhuǎn)子的案例，但是還沒有出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)軸的例子。超聲電機(jī)是一類振動電機(jī)，需要利用定子上的振動摩擦驅(qū)動動子運(yùn)動，由于模態(tài)振型中，各點(diǎn)的振動速度并不相同，因此并不能保證定子的每個點(diǎn)都能成為驅(qū)動點(diǎn)，也就是說轉(zhuǎn)軸的個數(shù)、位置和形狀是不能隨意設(shè)置的。本發(fā)明多軸壓電微電機(jī)利用壓電陶瓷(和金屬)構(gòu)成的其上具有多個孔的矩形板定子，多個轉(zhuǎn)子分別嵌入這些孔中，通過利用定子的面內(nèi)縱振和彎振的合成模態(tài)作為工作模態(tài)，同時地驅(qū)動多個轉(zhuǎn)子，從而帶動輸出軸。開孔的安裝位置的不同，可以得到輸出軸的不同的轉(zhuǎn)速，通過利用安裝在不同軸上的相互嚙合的齒輪系可以固定所需的多軸聯(lián)動轉(zhuǎn)速比例和在軸間傳遞扭矩，由此充分利用電機(jī)的振動能量。本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力矩大、斷電自鎖、成本低、精度高、制作簡單等優(yōu)點(diǎn)，利于微型化、產(chǎn)業(yè)化和安裝集成，其在生物、醫(yī)療、微機(jī)械、自動控制、光學(xué)鏡頭等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

以下將結(jié)合附圖對本發(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

圖1顯示了本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的定子的一種結(jié)構(gòu)。

圖2顯示了本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的定子的第二種結(jié)構(gòu)。

圖3顯示了本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的定子的第三種結(jié)構(gòu)。

圖4顯示了本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的定子的一階縱振的振型和二階彎振的振型。

圖5顯示了本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的定子的一階縱振的振型和三階彎振的振型。

圖6顯示了本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的定子的驅(qū)動面的復(fù)合振動及表面行波。

圖7是在一個實(shí)施例中，本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)的剖面圖。

圖8是顯示了在另一個實(shí)施例中，本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)的定子的一階縱振的振型和三階彎振的振型。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)，包括一個定子、至少兩個轉(zhuǎn)子和與至少兩個輸出軸，該定子驅(qū)動至少兩個轉(zhuǎn)子同時發(fā)生轉(zhuǎn)動，至少兩個輸出軸與至少兩個轉(zhuǎn)子分別地相連以同時地輸出至少兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩。

如圖1所示，在一個較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中能夠驅(qū)動多個轉(zhuǎn)子以相應(yīng)地帶動多個輸出軸轉(zhuǎn)動的定子包括壓電片110。本實(shí)施例中壓電片110由壓電材料制作，例如壓電陶瓷。本實(shí)施例中壓電片110為矩形板狀，在其他實(shí)施例中其也可以是其他形狀的板結(jié)構(gòu)，例如圓形、橢圓形、菱形等，較佳地，其具有三個彼此垂直的中心對稱面。矩形板狀的壓電片110具有兩個表面(由于在其厚度方向延伸的四個表面的寬度，即壓電片110的厚度，較小，四個表面在此不予以考慮)，一個為圖1中可見的朝向紙面的第一表面，另一個為圖1中不可見的背向紙面的第二表面。壓電片110的極化方向為沿其厚度方向，即平行于上述的第一表面和第二表面的法線方向。壓電片110的第一中心對稱面平行于上述的第一表面和第二表面并在兩者之間。壓電片110具有通孔121和122，它們從壓電片110的第一表面延伸到第二表面，它們的中心對稱軸分布在壓電片110的第二中心對稱面上，較佳地，它們關(guān)于壓電片110的第三中心對稱面對稱。

通孔121和122在近壓電片110的第一表面處具有倒角，由此通孔121和122的側(cè)壁部分地為朝向壓電片110的第一表面展開的圓錐面，該圓錐面可用于與至少部分地嵌入通孔121和122的轉(zhuǎn)子的表面接觸以通過摩擦力驅(qū)動該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，即通孔121和122可以作為驅(qū)動孔，這里一個驅(qū)動孔用于驅(qū)動一個轉(zhuǎn)子。

圖1所示的通孔121和122中分別地穿設(shè)有中空的金屬筒狀件141、142，作為驅(qū)動孔。金屬筒狀件141、142與壓電片110緊固地連接，金屬筒狀件141、142的側(cè)壁部分地為朝向壓電片110的第一表面展開的圓錐面，該圓錐面用于與至少部分地嵌入金屬筒狀件141、142的轉(zhuǎn)子的表面接觸以通過摩擦力驅(qū)動該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。本說明書中所述的圓錐面向某一表面展開是指，該圓錐面母線逐漸偏離其旋轉(zhuǎn)軸地向該表面延伸。金屬筒狀件141、142上具有向其中軸線(即其所在的通孔的中心對稱軸)凸出的部分，該部分用于抵觸至少部分地嵌入于金屬筒狀件141、142的轉(zhuǎn)子，以便于使用諸如緊固件510、520和預(yù)緊機(jī)構(gòu)410、420這樣的部件將轉(zhuǎn)子壓迫在金屬筒狀件的側(cè)壁上。

壓電片110的第一表面上分布有四個電極131、132、133和134，用于加載用于驅(qū)動本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)的激勵信號，其為沉積在壓電片110的第一表面的金屬層，例如Au。其中電極131和132依次排布環(huán)繞通孔121，其皆鄰接于通孔121且與金屬筒狀件141之間具有間隙；電極133和134依次排布環(huán)繞通孔122，其皆鄰接于通孔122且與金屬筒狀件142之間具有間隙；四個電極131、132、133和134彼此間也具有間隙。如圖1所示，本實(shí)施例中，電極131、132、133和134 關(guān)于壓電片110的第二中心對稱面對稱，也關(guān)于壓電片110的第三中心對稱面對稱。壓電片110的第二表面接地，較佳地，壓電片110的第二表面沉積金屬，例如Au，然后該金屬層接地。

用于驅(qū)動本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)的激勵信號包括相位相差π/2的第一激勵信號和第二激勵信號，例如第一激勵信號為正弦激勵信號，第二激勵信號為余弦激勵信號，或者反之。在四個電極131、132、133和134上加載激勵信號時，相鄰的電極上加載的激勵信號不同。具體地為，電極131和134構(gòu)成第一組電極，加載第一激勵信號；電極132和133構(gòu)成第二組電極，加載第二激勵信號。

圖1所示的定子還可以包括一個矩形板狀的金屬板，其具有兩個表面(由于在其厚度方向延伸的四個表面的寬度較小，那四個表面在此不予以考慮)，其上具有兩個通孔。該金屬板的一個表面通過貼合于壓電片110的第二表面，例如可以通過粘合、鍵合等方式。金屬板上具有兩個通孔，它們分別與壓電片110上的通孔121和122連通，并可以共同作為驅(qū)動孔。金屬筒狀件141、142分別地穿設(shè)在通孔121、122和與通孔121、122連通的金屬板上的通孔中，并緊固地連接在壓電片110和該金屬板上，作為驅(qū)動孔。驅(qū)動孔的形貌與前面描述的相同，壓電片110、其上的電極以及激勵信號的加載也與前面描述的相同，金屬板接地。

圖2示出了本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的定子的另一種結(jié)構(gòu)，其包括第一壓電片1111、金屬板1100和第二壓電片1112。本實(shí)施例中第一壓電片1111和第二壓電片1112皆由壓電材料制作，例如壓電陶瓷。本實(shí)施例中的第一壓電片1111、金屬板1100和第二壓電片1112皆為矩形板狀，在其他實(shí)施例中其也可以是其他形狀的板結(jié)構(gòu)，例如圓形、橢圓形、菱形等。矩形板狀的第一壓電片1111、金屬板1100和第二壓電片1112皆具有兩個表面(由于在其厚度較小，它們的其他四個表面在此不予以考慮)，它們的兩個表面中的一個為圖2中可見的朝向紙面的第一表面，另一個為圖2中不可見的背向紙面的第二表面。第一壓電片1111和第二壓電片1112的極化方向皆沿其厚度方向，即平行于它們的第一表面和第二表面的法線方向，且兩者的極化方向相反。

第一壓電片1111、金屬板1100和第二壓電片1112依次貼合形成定子，具體地為第一壓電片1111的第二表面與金屬板1100的第一表面貼合，金屬板1100的第二表面與第二壓電片1112的第一表面貼合。例如可以通過粘合、鍵合等方式進(jìn)行貼合。較佳地，形成的定子具有三個彼此垂直的中心對稱面，其中第一中心對稱面平行于金屬板1100的第一表面和第二表面并在兩者之間。金屬板1100上具有通孔1121和1122，它們從金屬板1100的第一表面延伸到第二表面，它們的中心對稱軸分布在該定子的第二中心對稱面上，較佳地，它們關(guān)于該定子的第三中心對稱面對稱。相應(yīng)地，第一壓電片1111和第二壓電片1112也分別具有兩個通孔，第一壓電片1111和第二壓電片1112上的通孔分別地從第一壓電片1111和第二壓電片1112 的第一表面延伸到第二表面，且分別地與通孔1121和1122連通以形成定子的兩個驅(qū)動孔。

通孔1121和1122在近金屬板1100的第一表面和第二表面處皆具有倒角，由此通孔1121和1122的側(cè)壁部分地為朝向金屬板1100的第一表面展開的圓錐面和朝向金屬板1100的第二表面展開的圓錐面，該圓錐面可用于與至少部分地嵌入通孔1121和1122的轉(zhuǎn)子的表面接觸以通過摩擦力驅(qū)動該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動?？梢?，與圖1所示的定子不同地，圖2所示的定子的一個驅(qū)動孔可以同時驅(qū)動兩個轉(zhuǎn)子，這兩個轉(zhuǎn)子中的一個接近金屬板1100的第一表面，另一個接近金屬板1100的第二表面。第一壓電片1111和第二壓電片1112上的與通孔1121和1122連通的通孔的開口應(yīng)該不小于通孔1121和1122在金屬板1100的第一表面和第二表面處的開口，由此不影響轉(zhuǎn)子的運(yùn)動。

另外，可以與圖1類似地，在通孔1121和1122中分別地穿設(shè)有中空的金屬筒狀件作為驅(qū)動孔。該金屬筒狀件應(yīng)該與第一壓電片1111、金屬板1100和第二壓電片1112緊固地連接，其側(cè)壁部分應(yīng)該具有兩個圓錐面，較佳地，一個圓錐面朝向第一壓電片1111的第一表面展開，另一個圓錐面朝向第二壓電片1112的第二表面展開。

第一壓電片1111的第一表面上分布有四個電極1131、1132、1133和1134，用于加載用于驅(qū)動本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)的激勵信號，其為沉積在第一壓電片1111的第一表面的金屬層，例如Au。其中電極1131和1132依次排布環(huán)繞包括通孔1121的驅(qū)動孔，其皆鄰接于該驅(qū)動孔；電極1133和1134依次排布環(huán)繞通孔1122，其皆鄰接于包括通孔1122的驅(qū)動孔，其皆鄰接于該驅(qū)動孔；四個電極1131、1132、1133和1134彼此間也具有間隙。如圖2所示，本實(shí)施例中，電極1131、1132、1133和1134關(guān)于定子的第二中心對稱面對稱，也關(guān)于定子的第三中心對稱面對稱。第二壓電片1112的第二表面上分布有四個電極，這四個電極與電極1131、1132、1133和1134關(guān)于定子的第一中心對稱面對稱。金屬板1100接地。

在這八個電極上加載激勵信號時，相鄰的電極上加載的激勵信號不同，關(guān)于定子的第一中心對稱面對稱的兩個電極上加載的激勵信號相同。具體地為，電極1131和1134構(gòu)成第一組電極，加載第一激勵信號；電極1132和1133構(gòu)成第二組電極，加載第二激勵信號；第二壓電片1112上與電極1131和1134關(guān)于定子的第一中心對稱面對稱的兩個電極構(gòu)成第三組電極，加載第一激勵信號；第二壓電片1112上與電極1132和1133關(guān)于定子的第一中心對稱面對稱的兩個電極構(gòu)成第四組電極，加載第二激勵信號。

圖3示出了本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的定子的又一種結(jié)構(gòu)，其包括四個第一壓電片2121-2124、金屬板2100和四個第二壓電片2125-2128。本實(shí)施例中第一、二壓電片2121-2128皆由壓電材料制作，例如壓電陶瓷。本實(shí)施例中的金屬板2100 為矩形板狀，在其他實(shí)施例中其也可以是其他形狀的板結(jié)構(gòu)，例如圓形、橢圓形、菱形等。第一、二壓電片2121-2128和金屬板2100皆具有兩個表面(由于在其厚度較小，它們的其他表面在此不予以考慮)，它們的兩個表面中的一個為圖3中可見的朝向紙面的第一表面，另一個為圖3中不可見的背向紙面的第二表面。第一、二壓電片2121-2128的極化方向皆沿其厚度方向，即平行于它們的第一表面和第二表面的法線方向，各個第一壓電片的極化方向相同，各個第二壓電片的極化方向相同，第一壓電片和第二壓電片的極化方向相反。

金屬板2100具有三個彼此垂直的中心對稱面，其中第一中心對稱面平行于金屬板2100的第一表面和第二表面并在兩者之間。金屬板2100上具有通孔2121和2122，它們從金屬板2100的第一表面延伸到第二表面，它們的中心對稱軸分布在金屬板2100的第二中心對稱面上，較佳地，它們關(guān)于金屬板2100的第三中心對稱面對稱。通孔2121和2122在近金屬板2100的第一表面和第二表面處皆具有倒角，由此通孔2121和2122的側(cè)壁部分地為朝向金屬板2100的第一表面展開的圓錐面和朝向金屬板2100的第二表面展開的圓錐面，該圓錐面可用于與至少部分地嵌入通孔2121和2122的轉(zhuǎn)子的表面接觸以通過摩擦力驅(qū)動該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

可見，與圖2所示的定子相同地，圖3所示的定子的一個通孔(作為驅(qū)動孔)可以同時驅(qū)動兩個轉(zhuǎn)子，這兩個轉(zhuǎn)子中的一個接近金屬板2100的第一表面，另一個接近金屬板2100的第二表面。另外，可以與圖1類似地，在通孔2121和2122中分別地穿設(shè)有中空的金屬筒狀件作為驅(qū)動孔。該金屬筒狀件應(yīng)該與金屬板1100緊固地連接，其側(cè)壁部分應(yīng)該具有兩個圓錐面，較佳地，一個圓錐面朝向金屬板2100的第一表面展開，另一個圓錐面朝向金屬板2100的第二表面展開。

第一壓電片2121-2124、金屬板2100和第二壓電片2125-2128依次貼合形成定子，具體地為第一壓電片2121-2124的第二表面皆與金屬板2100的第一表面貼合，第二壓電片2125-2128的第一表面皆與金屬板2100的第二表面貼合。例如可以通過粘合、鍵合等方式進(jìn)行貼合。第一壓電片2121-2124的第一表面皆具有金屬層，例如Au，作為四個電極；第二壓電片2125-2128的第二表面皆具有金屬層，例如Au，作為四個電極；這八個電極用于加載用于驅(qū)動本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)的激勵信號。在貼合第一壓電片2121-2124和第二壓電片2125-2128時，使第一壓電片2121和2122依次排布環(huán)繞通孔2121在金屬板2100的第一表面上的開口，使第二壓電片2125和2126依次排布環(huán)繞通孔2121在金屬板2100的第二表面上的開口，它們皆鄰接于該通孔；使第一壓電片2123和2124依次排布環(huán)繞通孔2122在金屬板2100的第二表面上的開口，使第二壓電片2127和2128依次排布環(huán)繞通孔2122在金屬板2100的第二表面上的開口，它們皆鄰接于該通孔。第一壓電片2121-2124彼此間具有間隙，第二壓電片2125-2128彼此間也具有間隙。如圖3所示，本實(shí)施例中，第一壓電片2121-2124彼此間關(guān)于金屬板2100的第二中心對稱面對稱，也 關(guān)于金屬板2100的第三中心對稱面對稱。第二壓電片2125-2128彼此間關(guān)于金屬板2100的第二中心對稱面對稱，也關(guān)于金屬板2100的第三中心對稱面對稱。第一壓電片和第二壓電片關(guān)于金屬板2100的第一中心對稱面對稱。金屬板2100接地。

在這八個壓電片的電極上加載激勵信號時，相鄰的壓電片的電極上加載的激勵信號不同，關(guān)于金屬板2100的第一中心對稱面對稱的兩個壓電片的電極上加載的激勵信號相同。具體地為，第一壓電片2121和2124上的兩個電極構(gòu)成第一組電極，加載第一激勵信號；第一壓電片2122和2123上的兩個電極構(gòu)成第二組電極，加載第二激勵信號；第二壓電片2125和2128上的兩個電極構(gòu)成第三組電極，加載第一激勵信號；第二壓電片2126和2127上的兩個電極構(gòu)成第四組電極，加載第二激勵信號。

以上各種結(jié)構(gòu)的定子被加載了激勵信號后發(fā)生振動，該振動是縱向振動和彎曲振動的復(fù)合振動，例如縱向振動為一階縱振，彎曲振動為二階彎振或三階彎振。圖4和5示出了定子的兩種復(fù)合振動的振型曲線，其中曲線L1為一階縱振的振型曲線，L2為二階彎振的振型曲線，L3為三階彎振的振型曲線。從圖4可以看出，定子上的兩個通孔被布置在彎曲振動的兩個振動節(jié)點(diǎn)處。在此振動節(jié)點(diǎn)處，通孔的側(cè)壁(或穿設(shè)于通孔內(nèi)的金屬筒狀件的側(cè)壁)，即驅(qū)動面，上的質(zhì)點(diǎn)的扭振幅最大且縱振幅適中，此時驅(qū)動面對轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力較佳。隨著通孔往中間(定子的中心)移動，驅(qū)動面上質(zhì)點(diǎn)的扭振幅、縱振幅都將減小，由此驅(qū)動面對定子的驅(qū)動速度和力矩就會減小。圖5的情況是類似的，通孔布置在縱向振動大于零的彎曲振動的兩個振動節(jié)點(diǎn)處，此時驅(qū)動面對轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力較佳。隨著通孔往中間移動，驅(qū)動面上質(zhì)點(diǎn)的扭振幅先減小后增大、縱振幅持續(xù)減小。

圖6給出了發(fā)生復(fù)合振動的定子上的通孔的側(cè)壁(或穿設(shè)于通孔內(nèi)的金屬筒狀件的側(cè)壁)上的復(fù)合振動及表面行波，其中虛線部分為未發(fā)生振動時的驅(qū)動面。由于轉(zhuǎn)子被壓迫在驅(qū)動面上，定子發(fā)生振動時，驅(qū)動面部分地接觸轉(zhuǎn)子并通過其與轉(zhuǎn)子表面之間的摩擦力帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

圖7示出了采用圖2或3所示的定子構(gòu)造的本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)的結(jié)構(gòu)，其中的定子包括兩個通孔作為驅(qū)動孔，每一個驅(qū)動孔同時驅(qū)動兩個轉(zhuǎn)子。具體地，其包括定子100、第一轉(zhuǎn)子211、第二轉(zhuǎn)子212、第三轉(zhuǎn)子221、第四轉(zhuǎn)子222、第一輸出軸310、第二輸出軸320和中間軸330。

其中，定子100上具有兩個通孔，第一轉(zhuǎn)子211和第二轉(zhuǎn)子212至少部分地嵌入一個通孔中，第三轉(zhuǎn)子221和第四轉(zhuǎn)子222至少部分地嵌入另一個通孔中。第一轉(zhuǎn)子211、第二轉(zhuǎn)子212、第三轉(zhuǎn)子221和第四轉(zhuǎn)子222嵌入定子100上的通孔的部分為圓臺體狀，相應(yīng)地，定子100的兩個通孔與這四個轉(zhuǎn)子接觸的側(cè)壁的部分皆為圓錐面。

緊固件510通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)410將第二轉(zhuǎn)子212壓迫在通孔內(nèi)，使第二轉(zhuǎn)子212 的表面緊密地壓迫在該通孔的側(cè)壁上，本實(shí)施例中，緊固件510為螺母，預(yù)緊機(jī)構(gòu)410為彈簧。類似地，緊固件520通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)420將第四轉(zhuǎn)子222壓迫在通孔內(nèi)，使第四轉(zhuǎn)子222的表面緊密地壓迫在該通孔的側(cè)壁上，本實(shí)施例中，緊固件520為螺母，預(yù)緊機(jī)構(gòu)420為彈簧。第一轉(zhuǎn)子211與第二轉(zhuǎn)子212相連，兩者共用預(yù)緊機(jī)構(gòu)410和緊固件510，即緊固件510也通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)410將第一轉(zhuǎn)子211壓迫在通孔內(nèi)，使第一轉(zhuǎn)子211的表面緊密地壓迫在該通孔的側(cè)壁上。同樣，第三轉(zhuǎn)子221與第四轉(zhuǎn)子222相連，兩者共用預(yù)緊機(jī)構(gòu)420和緊固件520，即緊固件520也通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)420將第三轉(zhuǎn)子221壓迫在通孔內(nèi)，使第三轉(zhuǎn)子221的表面緊密地壓迫在該通孔的側(cè)壁上。

第一輸出軸310與第一轉(zhuǎn)子211和第二轉(zhuǎn)子212相連且穿過它們所在的通孔，第二輸出軸320與第三轉(zhuǎn)子221和第四轉(zhuǎn)子222相連且穿過它們所在的通孔。第一輸出軸310和第二輸出軸320的一端支撐在支架710上，另一端支撐在支架720上，它們的兩個端部為圓錐體狀，分別嵌入于支架710、720上的四個凹槽內(nèi)，這四個凹槽用于限制兩個輸出軸310、320在其軸向上的移動以及限制兩個輸出軸310、320的橫向(即垂直于其軸向的方向)移動，但不限制其轉(zhuǎn)動。支架710、720是用于固定本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)中的各個前述的部件，其也可以是用于容納固定上述各個部件的機(jī)體外殼。

第一輸出軸310和第二輸出軸320之間布置有輪系，輪系的傳動比等于第一輸出軸310和第二輸出軸320的轉(zhuǎn)速比。本實(shí)施例中，輪系為由齒輪構(gòu)成的齒輪系，其包括齒輪610、齒輪620和齒輪630。齒輪610固定地套設(shè)在第一輸出軸310上，齒輪620固定地套設(shè)在第二輸出軸320上，齒輪630固定地套設(shè)在中間軸330上，齒輪610、齒輪620和齒輪630依次地嚙合。其中，中間軸330的一端支撐在支架710上，另一端支撐在定子100的非壓電片的部分上，例如前述的金屬板1100或金屬板2100上。類似地，其兩個端部為圓錐體狀，分別嵌入于支架710和金屬板上的兩個凹槽內(nèi)，這兩個凹槽用于限制中間軸330的平移，但不限制其轉(zhuǎn)動。

通過第一輸出軸310和第二輸出軸320的轉(zhuǎn)速比，相應(yīng)地選擇齒輪610、齒輪620和齒輪630的齒數(shù)，由此能夠確定該輪系的傳動比以使其等于第一輸出軸310和第二輸出軸320的轉(zhuǎn)速比。本實(shí)施例中，在第一輸出軸310和第二輸出軸320之間布置中間軸330和齒輪630的作用是同步兩個輸出軸310、320。這是考慮到如果沒有中間軸330和齒輪630，在外力矩不同時，兩個輸出軸310、320有可能不同步。本發(fā)明的多軸壓電微電機(jī)工作時，定子100通過上述兩個通孔的內(nèi)壁驅(qū)動第一轉(zhuǎn)子211、第二轉(zhuǎn)子212、第三轉(zhuǎn)子221和第四轉(zhuǎn)子222轉(zhuǎn)動，由此帶動第一輸出軸310和第二輸出軸320轉(zhuǎn)動。

另外，定子上可以布置多于兩個的驅(qū)動孔，如圖8所示，在本發(fā)明的第二個較佳的實(shí)施例中，矩形板狀的定子上布置了四個驅(qū)動孔。驅(qū)動孔在定子上的位置可以 這樣選擇：確定定子的三個彼此垂直的中心對稱面，將所有的驅(qū)動孔的中心對稱軸皆分布在定子的一個中心對稱面上，且關(guān)于定子的其他兩個中心對稱面皆對稱，確定定子發(fā)生復(fù)合振動的振型曲線，使各個驅(qū)動孔的中心對稱軸通過或接近其中的彎曲振動的節(jié)點(diǎn)并且不通過縱向振動為零的位置。圖8中示出的定子的振動為一階縱振和三階彎振的復(fù)合振動，曲線L11為一階縱振的振型曲線，L33為三階彎振的振型曲線。在確定定子的電極時，與前述的相同地，對于每個驅(qū)動孔至少有兩個電極(或兩個單面為電極的壓電片)鄰接于它，相鄰兩個電極上加載的激勵信號不同。如圖8所示，在本實(shí)施例中，圖中的線段A、B和C將定子的表面分割成了6個區(qū)域，每個區(qū)域分布一個電極(或單面為電極的壓電片)，即本實(shí)施例中驅(qū)動孔的個數(shù)為四個，電極(或單面為電極的壓電片)的個數(shù)為6個，相應(yīng)地，其可以同時驅(qū)動四個或八個轉(zhuǎn)子，由此同時帶動四個驅(qū)動軸。定子的其他結(jié)構(gòu)及其與多軸壓電微電機(jī)中的其他部件的連接關(guān)系與第一個實(shí)施例中的相同，在此不贅述；具有本實(shí)施例所述的定子的多軸壓電微電機(jī)的激勵信號的加載及其工作與第一個實(shí)施例中的相同，在此不贅述。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。