專利名稱：層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及壓電陶瓷促動(dòng)器，特別是一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器及其 驅(qū)動(dòng)方式。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷促動(dòng)器是一種機(jī)電耦合元件，因其體積小(幾立方毫米 幾十立方毫 米)、位移分辨率高(納米級(jí))、響應(yīng)速度快(幾十微秒)、輸出力大、換能效率高等優(yōu)點(diǎn)， 是目前微位移技術(shù)中比較理想的驅(qū)動(dòng)元件，廣泛應(yīng)用在光學(xué)精密工程、微機(jī)電系統(tǒng)、 納米制造技術(shù)、微電子技術(shù)、納米生物工程等領(lǐng)域中。
壓電陶瓷促動(dòng)器利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，施加一定的電場，實(shí)現(xiàn)形變位移 的輸出。在大部分應(yīng)用中，通常利用壓電陶瓷縱向逆壓電效應(yīng)和橫向逆壓電效應(yīng)， 但一般單片壓電陶瓷的變形量都很小，因此應(yīng)用范圍受到一定限制，為了得到大的 變形量往往利用幾片或者多片壓電陶瓷基片采用機(jī)械上串連、電路上并連，然后膠 結(jié)或燒結(jié)方式制成層疊狀促動(dòng)器。
在壓電材料中，剪切模式壓電系數(shù)(d15)比縱向模式壓電系數(shù)(d33)和橫向模 式(d31)壓電系數(shù)大的多，在相同的電場作用下，可產(chǎn)生更大的應(yīng)變；并且剪切模 式可以施加雙極性電壓，輸出位移形變量具有對稱性。
如圖1所示，c/為壓電陶瓷形變位移量，丄為壓電陶瓷高度，￡為所施加電場， 尸為壓電陶瓷極化方向；t/為所施加電壓；當(dāng)施加電場方向與壓電陶瓷的極化方向
垂直時(shí)，壓電陶瓷產(chǎn)生剪切應(yīng)變。形變位移量6/ =《5五￡，其中￡ = | ，則有 "c/15 *丄"15f/ 。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，以獲得較大的形變 位移量和足夠小的位移分辨率。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下
一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體、上端層、下端層、外部輸入 正電極端口和外部輸入負(fù)電極端口構(gòu)成
所述的促動(dòng)器主體的構(gòu)成是多塊板狀壓電陶瓷薄片按極化方向相反交替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片的每兩塊板狀壓電陶瓷薄片之間交替地嵌設(shè) 有板狀的內(nèi)部正電極及內(nèi)部負(fù)電極而結(jié)合在一起，所述的的內(nèi)部負(fù)電極引出到所述 的多塊板狀壓電陶瓷薄片的一個(gè)端面并全部連接到所述的外部輸入負(fù)電極端口，所 述的內(nèi)部正電極引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片的另一個(gè)端面形成若干個(gè)外部 輸入正電極，該若干個(gè)外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端 口相連，所述的促動(dòng)器主體的上端面和下端面分別與所述的上端層和下端層固接。
所述的內(nèi)部正電極構(gòu)成若干個(gè)外部輸入正電極是根據(jù)自然數(shù)或二進(jìn)制遞增方式 配置的。
所述的上端層和下端層是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構(gòu)成，以膠結(jié)或燒結(jié)方式分 別固接在促動(dòng)器主體上下兩端面上。所述的上端層和下端層用于電氣隔離和耦合外 部機(jī)械固定件。
我們知道為了得到大的形變量，同時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電壓。將多片壓電陶瓷薄片采 用機(jī)械上串連，則總的形變位移量《,。,=^^15[/， 7V為壓電陶瓷薄片的層數(shù)，從上
述公式可以看出，只要改變壓電陶瓷薄片的層數(shù)和外加電壓，就可以控制壓電陶瓷 促動(dòng)器的形變量。
從而最大變形量為^^ =i\^15t/
最小分辨率為《。^-^U
在改變外加電場的同時(shí)，選擇相應(yīng)的外部輸入正電極，可以改變施加電壓的壓 電陶瓷薄片層數(shù)，從而可以靈活的控制壓電陶瓷促動(dòng)器產(chǎn)生形變位移量。 本實(shí)用新型的技術(shù)效果
本實(shí)用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器在保證足夠大形變位移總量的同時(shí)，降 低了對壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的要求，并保證了足夠小的位移分辨率；并且各個(gè)方向都 具有非常好的剛性，因此具有更好的設(shè)計(jì)靈活性、更高的諧振頻率和更低的功耗。
本實(shí)用新型在光學(xué)工程、精密機(jī)械、國防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖1是壓電陶瓷剪切逆壓電效應(yīng)示意圖
圖2是本實(shí)用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是本實(shí)用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明。
先請參閱圖2，圖2是本實(shí)用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。由 圖可見，本實(shí)用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體l、上端層7-l、下端層7-2、外部輸入正電極端口 5和外部輸入負(fù)電極端口 6構(gòu)成
所述的促動(dòng)器主體1的構(gòu)成是多塊板狀壓電陶瓷薄片3按極化方向P相反交 替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片3的每兩塊板狀壓電陶瓷薄片之間交 替地嵌設(shè)有板狀的內(nèi)部正電極2及內(nèi)部負(fù)電極4而以膠結(jié)或燒結(jié)方式結(jié)合在一起， 所述的的內(nèi)部負(fù)電極4引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片3的一個(gè)端面并全部連 接到所述的外部輸入負(fù)電極端口 6，所述的內(nèi)部正電極2引出到所述的多塊板狀壓
電陶瓷薄片3的另一個(gè)端面形成若干個(gè)外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2........ 5-n，
該若干個(gè)外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口 5相連，所 述的促動(dòng)器主體1的上端面和下端面分別與所述的上端層7-1和下端層7-2固接。
所述的內(nèi)部正電極2構(gòu)成n個(gè)外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2.......、 5-n是根
據(jù)自然數(shù)或二進(jìn)制遞增方式配置的。
所述的上端層7-1和下端層7-2是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構(gòu)成。
所述的內(nèi)部正電極2和負(fù)電極4最好是由銀鉑合金(AgPd)構(gòu)成，并且交替地 伸出到相對的面上，直到到達(dá)各個(gè)表面。
本實(shí)施例根據(jù)二進(jìn)制方式配置對應(yīng)壓電陶瓷的層數(shù)，2°=1， 2^2， 22=4，……， 將所對應(yīng)壓電陶瓷薄片層數(shù)所連接的內(nèi)部正電極2引出，構(gòu)成外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2至5-n;上述外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2至5-n之間相互絕緣，并構(gòu)成 外部輸入正電極端口 5。
這樣可以選通任意的多個(gè)外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2或5-n，以得到施加電 壓的多層的壓電陶瓷薄片。
所述的上端層7-1和下端層7-2， 一方面使外加電壓與外界絕緣，另一方面形成 了力耦合面，用于容納不同的機(jī)械固定件。
再請參閱圖3，圖3是本實(shí)用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器結(jié)構(gòu)一個(gè)具體實(shí) 施例，如上所述，圖3與圖2相同的編號(hào)具有相同的結(jié)構(gòu)及功能。在圖3中，本實(shí) 施例中n=3，本實(shí)施例的層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體1、上端層7-1、 下端層7-2、外部輸入正電極端口 5和外部輸入負(fù)電極端口 6構(gòu)成
所述的促動(dòng)器主體1的構(gòu)成是多塊板狀壓電陶瓷薄片3按極化方向P相反交 替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片3的每兩塊板狀壓電陶瓷薄片3之間 交替地嵌設(shè)有板狀的內(nèi)部正電極2及內(nèi)部負(fù)電極4而以膠結(jié)或燒結(jié)方式結(jié)合在一起， 所述的的內(nèi)部負(fù)電極4引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片3的一個(gè)端面并全部連 接到所述的外部輸入負(fù)電極端口 6，所述的內(nèi)部正電極2引出到所述的多塊板狀壓 電陶瓷薄片3的另一個(gè)端面形成若干個(gè)外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2、 5-3，該若干 個(gè)外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口 5相連，所述的促動(dòng)器主體1的上端面和下端面分別與所述的上端層7-1和下端層7-2固接。
在本實(shí)施例中，通過數(shù)字方法控制多路模擬開關(guān)8來實(shí)現(xiàn)外部輸入正電極的選 擇。內(nèi)部負(fù)電極4全部連接到外部輸入負(fù)電極端口 6并接地；本實(shí)施例中11=3，則 內(nèi)部正電極2引出所構(gòu)成的外部輸入正電極5-0, —端連接有l(wèi) (2G=1)層壓電陶瓷 片，另一端連接到多路模擬開關(guān)8;所述外部輸入正電極5-l， 一端連接有2(2'-2) 層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關(guān)8;所述外部輸入正電極5-2， 一端連接 有4(22=4)層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關(guān)8;所述外部輸入正電極5-3， 一端連接有8 (23=8)層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關(guān)8;上述多路模擬 開關(guān)8另一輸入端連接電壓U。則可以控制多路模擬開關(guān)8，有選擇性的選通若干 外部輸入正電極到外加電壓U，即以數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式改變壓電陶瓷薄片層數(shù)。 則層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器形變位移為
c^("2。+"2、"22 + ff^23Xt/，式中/， _/， A:，附分別等于0或1，取 決于對應(yīng)外部輸入正電極是否與外加電壓U選通。 則最大形變位移為
層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器形變位移分辨率為 《w" = "15"，取決于外加電壓U的最小分辨率。
從上所述，在控制施加電壓的同時(shí)，可以以數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式改變壓電陶瓷薄片層 數(shù)，可以更靈活的改變壓電陶瓷促動(dòng)器形變量。
權(quán)利要求1、一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，其特征在于由促動(dòng)器主體(1)、上端層(7-1)、下端層(7-2)、外部輸入正電極端口(5)和外部輸入負(fù)電極端口(6)構(gòu)成所述的促動(dòng)器主體(1)的構(gòu)成是多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)按極化方向(P)相反交替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的每兩塊板狀壓電陶瓷薄片(3)之間交替地嵌設(shè)有板狀的內(nèi)部正電極(2)及內(nèi)部負(fù)電極(4)而以膠結(jié)或燒結(jié)方式結(jié)合在一起，所述的的內(nèi)部負(fù)電極(4)引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的一個(gè)端面并全部連接到所述的外部輸入負(fù)電極端口(6)，所述的內(nèi)部正電極(2)引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的另一個(gè)端面形成若干個(gè)外部輸入正電極(5-0、5-1、5-2、......、5-n)，該若干個(gè)外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口(5)相連，所述的促動(dòng)器主體(1)的上端面和下端面分別與所述的上端層(7-1)和下端層(7-2)固接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，其特征在于所述的內(nèi)部正電極(2)構(gòu)成若干個(gè)外部輸入正電極(5-0、 5-1、 5-2........ 5-n)是根據(jù)自然數(shù)或二進(jìn)制遞增方式配置的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，其特征在于所述的上 端層(7-1)和下端層(7-2)是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構(gòu)成。
專利摘要一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體、上端層、下端層、外部輸入正電極端口和外部輸入負(fù)電極端口構(gòu)成，其特點(diǎn)是根據(jù)壓電陶瓷剪切逆壓電效應(yīng)原理，將具有相反極化方向的壓電陶瓷薄片相互交錯(cuò)的膠結(jié)或燒結(jié)在一起；以二進(jìn)制方式配置對應(yīng)壓電陶瓷薄片層數(shù)，構(gòu)成外部輸入電氣端口，在改變外加電場的同時(shí)，還可以以數(shù)字方式驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)的形變。本實(shí)用新型在光學(xué)工程、精密機(jī)械、國防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H03H9/15GK201323208SQ200820155608
公開日2009年10月7日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者朱健強(qiáng), 勇 王, 斌 王 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所