疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器的製作方法

2024-03-04 19:03:15 1

本發明涉及壓電陶瓷驅動器，屬於壓電驅動技術領域。

背景技術：

壓電驅動作為一種新型的精密驅動與微定位技術手段，其主要是利用壓電材料的逆壓電效應實現電能向機械能的轉換，由於其自身特有的結構設計靈活、無電磁幹擾且不受電磁幹擾、毫秒級快速響應、可斷電自鎖等特點，近年來受到了普遍關注，並已在精密光學儀器、生物醫療器械、航空航天等技術領域獲得了成功應用。

壓電陶瓷是壓電驅動器中至關重要的元件之一，在實現電能輸入轉化為機械能輸出的過程中發揮著關鍵的作用。為了在相同激勵電壓下獲得相對較大的機械變形，壓電陶瓷一般採用薄片狀結構，即長度和寬度方向的尺寸遠大於其厚度方向尺寸，但在實際應用中，單層壓電陶瓷的機械變形量依然很小，一般較難達到自身厚度的0.1％。為了獲得更大的機械變形，目前主要使用壓電雙晶片和多層壓電陶瓷驅動器。其中壓電雙晶片主要由極化方向相反的兩個薄片壓電陶瓷粘接於金屬薄板的兩側構成，一般採用d31工作模式，施加激勵電信號時，一側壓電陶瓷伸長而另一側壓電陶瓷縮短，整體表現為壓電雙晶片的彎曲變形。但實際使用時壓電雙晶片產生的推力較小，對頻率的響應較慢。而多層壓電陶瓷驅動器主要由採用d33模式的壓電陶瓷和電極片組成，電極片被交替的連接到驅動器兩端外電極上，這樣多層壓電陶瓷組成了多個位移輸出單元，施加電信號激勵時，多層壓電陶瓷驅動器的總位移為各層壓電陶瓷的位移之和。多層壓電陶瓷驅動器具有位移大、輸出力大等特點，是壓電驅動領域中廣泛使用的壓電元件。

當前多層壓電陶瓷驅動器多數為縱向伸縮變形的驅動器，即施加激勵電信號時，驅動器整體會產生沿壓電陶瓷片厚度方向的伸縮變形，而關於整體能夠產生彎曲變形的多層壓電陶瓷驅動器，目前還沒有機構或公司進行設計與研發，而彎曲變形又是壓電驅動器設計中經常使用的一種致動方式，因此設計一種彎曲式多層壓電陶瓷驅動器作為壓電驅動器的基礎元件，將會對擴展壓電元件的應用範圍和促進壓電驅動技術領域的發展產生深遠的影響。

技術實現要素：

本發明的目的是為了豐富當前壓電元件的種類，擴展壓電元件的應用範圍，從而提供疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器。

本發明所述的疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器，包括n層壓電陶瓷片、接地電極和激勵電極，其中n為大於等於2的偶數；

所述壓電陶瓷片均分四個獨立的極化區，具體包括第一極化區、第二極化區、第三極化區、第四極化區和未極化區，其中未極化區為四個極化區的中間沒有極化的區域，用於將四個極化區分隔開，第一極化區和第三極化區對角設置，第二極化區和第四極化區對角設置，壓電陶瓷片的四個極化區均沿厚度方向極化，其中第一極化區和第三極化區的極化方向相反，第二極化區和第四極化區的極化方向相反，第一極化區和第二極化區的極化方向相同，且相鄰兩層壓電陶瓷片之間相對的兩個極化區的極化方向相反；

所述接地電極包括n/2-1個接地電極片和接地引出電極；

所述激勵電極包括n/2個激勵電極片和激勵引出電極，激勵電極中的激勵電極片設置於相鄰兩層壓電陶瓷片相對的極化區之間；

所述接地電極和激勵電極的側面均為梳齒狀結構；

所述n層壓電陶瓷片中從一端數第i層壓電陶瓷片的極化區與第i+1層壓電陶瓷片的極化區之間設置激勵電極片，第i+1層壓電陶瓷片與第i+2層壓電陶瓷片之間設置接地電極片，其中i為奇數。

優選的是，所述接地電極中的接地電極片的形狀與壓電陶瓷片的形狀一致。

優選的是，所述電陶瓷片的形狀為圓形或正m邊形，其中m為大於等於4的偶數。

優選的是，所述激勵電極中的激勵電極片的形狀與壓電陶瓷片的極化區的形狀一致。

優選的是，所述壓電陶瓷片設置中心孔，該中心孔的截面形狀為圓形或正p邊形，其中p為大於等於4的偶數。

本發明的有益效果：本發明利用壓電陶瓷的d33工作模式，並通過採用壓電陶瓷片四分區極化的結構形式進行分區激勵，提出了一種整體能夠產生彎曲變形的疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器。在實際應用時，根據不同的應用需求採用不同的組合激勵方法，可激勵本發明產生沿一個方向或沿兩個空間正交方向的彎曲變形。本發明通過採用類似梳齒結構的接地電極和激勵電極，可有效保證多層壓電陶瓷片在機械上串聯和在電學上並聯，整體結構性較強。本發明使用薄片式壓電陶瓷片，是為減小每層壓電陶瓷片的厚度、增加壓電陶瓷片的層數，以使驅動器在較低的激勵電壓下能夠獲得較大的位移輸出。由於本發明可以同時承受正電壓和負電壓激勵，與當前一般只允許工作在正電壓激勵下的縱向伸縮式多層壓電陶瓷驅動器相比，有效的增大了機械位移輸出。此外，彎曲振動模態是常用機械結構件自身固有的一種振動模態，而彎曲變形又是壓電驅動器設計中經常使用的一種致動方式，因此本發明疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器的提出是對當前已有壓電元件的一種補充，將會擴展壓電元件的應用範圍，促進壓電驅動技術領域的發展。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器的結構示意圖；

圖2為圖1中壓電陶瓷片的四分區極化方式示意圖；

圖3為圖1中接地電極的結構示意圖；

圖4為圖2中第一極化區對應的激勵電極的結構示意圖；

圖5為圖2中第二極化區對應的激勵電極的結構示意圖；

圖6為圖2中第三極化區對應的激勵電極的結構示意圖；

圖7為圖2中第四極化區對應的激勵電極的結構示意圖；

圖8為具體實施方式二中的一個方向彎曲變形的激勵方式示意圖；

圖9為具體實施方式三中的兩個空間正交彎曲變形的激勵方式示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1至圖7具體說明本實施方式，本實施方式所述的疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器，包括n層壓電陶瓷片1、接地電極2和激勵電極3，其中n為大於等於2的偶數；在本具體實施方式中n設置為16。

所述壓電陶瓷片1採用薄片結構，以使其可以在較低激勵電壓下獲得較大的位移輸出；壓電陶瓷片1的外形可為圓形或正m邊形，其中m為大於等於4的偶數，其中在本具體實施方式中壓電陶瓷片1的外形具體設置為正方形；壓電陶瓷片1的中心位置可設置中心孔1-6，該中心孔1-6的截面形狀可設置為圓形或正p邊形，其中p為大於等於4的偶數，其中在本具體實施方式中壓電陶瓷片1設置有截面形狀為圓形的中心孔1-6；所述壓電陶瓷片1分成四個形狀相同的獨立的極化區，具體包括第一極化區1-1、第二極化區1-2、第三極化區1-3、第四極化區1-4和未極化區1-5，其中未極化區1-5為四個極化區的中間沒有極化的區域，用於將四個極化區分隔開，第一極化區1-1和第三極化區1-3對角設置，第二極化區1-2和第四極化區1-4對角設置，壓電陶瓷片1的四個極化區均沿厚度方向極化採用d33工作模式，其中第一極化區1-1和第三極化區1-3的極化方向相反，第二極化區1-2和第四極化區1-4的極化方向相反，第一極化區1-1和第二極化區1-2的極化方向相同，且相鄰兩層壓電陶瓷片1之間相對的兩個極化區的極化方向相反。

所述接地電極2和激勵電極3的從側面來看均呈梳齒狀結構。所述接地電極2包括接地電極片2-1和接地引出電極2-2，接地電極片2-1的形狀與壓電陶瓷片1的形狀相同，其中接地電極2的接地電極片2-1通過接地引出電極2-2與外部電源的公共端連接實現壓電陶瓷片1接地設置。所述激勵電極3包括激勵電極片3-1和激勵引出電極3-2，其中激勵電極片3-1的形狀與壓電陶瓷片1均分的四個極化區的形狀一致，且該激勵電極片3-1設置於相鄰的兩層壓電陶瓷片1相對的兩個極化區之間，通過激勵引出電極3-2通過外部電源的驅動端相連接實現對壓電陶瓷片1的四個極化區的激勵。

所述多層布置的壓電陶瓷片1中從一端數，第i層壓電陶瓷片1的極化區與第i+1層壓電陶瓷片1的極化區之間設置有激勵電極片3-1，第i+1層壓電陶瓷片1與第i+2層壓電陶瓷片1之間設置有接地電極片2-1，其中i為奇數。

具體實施方式二：結合圖8具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器作進一步說明，本實施方式中，將多層設置的壓電陶瓷片1的第一極化區1-1、第二極化區1-2、第三極化區1-3和第四極化區1-4所對應的激勵引出電極3-2連接起來作為一個激勵組a，對其施加激勵電信號，接地電極2的接地電極片2-1通過接地引出電極2-2與激勵電信號公共端連接實現壓電陶瓷片1接地，由於極化方向不同，第一極化區1-1和第二極化區1-2所對應的部分壓電陶瓷片會產生變厚(或變薄)變形，第三極化區1-3和第四極化區1-4所對應的部分壓電陶瓷片會產生相對應的變薄(或變厚)變形，進而引起多層布置的壓電陶瓷片1產生沿一個方向的彎曲變形。

具體實施方式三：結合圖9具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的疊層式彎曲型壓電陶瓷驅動器作進一步說明，本實施方式中，將多層設置的壓電陶瓷片1的第一極化區1-1所對應的激勵引出電極3-2和第三極化區1-3所對應的激勵引出電極3-2連接起來作為激勵組a，將第二極化區1-2所對應的激勵引出電極3-2和第四極化區1-4所對應的激勵引出電極3-2連接起來作為激勵組b，對激勵組a施加激勵電信號，接地電極2的接地電極片2-1通過接地引出電極2-2與激勵電信號公共端連接實現壓電陶瓷片1接地，由於第一極化區1-1和第三極化區1-3的極化方向不同，第一極化區1-1所對應的部分壓電陶瓷片會產生變厚(或變薄)變形，第三極化區1-3所對應的壓電陶瓷片會產生相對應的變薄(或變厚)變形，進而在激勵組a的作用下會引起沿第一極化區1-1和第三極化區1-3所在對角線方向上的彎曲變形。同理，對激勵組b施加激勵電信號，接地電極2的接地電極片2-1通過接地引出電極2-2與激勵電信號公共端連接實現壓電陶瓷片1接地，由於第二極化區1-2和第四極化區1-4的極化方向不同，第二極化區1-2所對應的部分壓電陶瓷片會產生變厚(或變薄)變形，第四極化區1-4所對應的壓電陶瓷片會產生相對應的變薄(或變厚)變形，進而在激勵組b的作用下會引起沿第二極化區1-2和第四極化區1-4所在對角線方向上的彎曲變形。由於上述第一極化區1-1和第三極化區1-3所在的對角線與第二極化區1-2和第四極化區1-4所在的對角線垂直，因此由激勵組a和激勵組b激勵產生的兩個彎曲變形存在空間相互正交的位置關係。

對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發明，但是應該理解的是，這些實施例僅僅是本發明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，並且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍。應該理解的是，可以通過不同於原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特徵。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特徵可以使用在其他所述實施例中。