CN100426547C - 铝基叠层高过载压电驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种铝基叠层高过载压电驱动器，属于压电陶瓷技术领域。本发明解决现有压电驱动器抗剪切、抗拉伸特别是抗过载能力差，不能应用于高过载环境的问题。该铝基叠层高过载压电驱动器包含两个机械串联、电学并联的压电陶瓷叠层，在两压电陶瓷叠层中间粘接有一个铝箔基底，铝箔基底与压电陶瓷叠层的接触面局部采用导电环氧粘接，两压电陶瓷叠层的外表面相连作为电极的一极，铝箔基底为电极的另一极。本发明创新性引入铝箔基底并采用横向伸缩d31模式，保证其具有较高的抗拉伸、抗剪切和抗过载能力；具有很小的等效电容和很快的响应时间(μs级)；在军事国防、航空航天等高过载恶劣环境领域具有重要的实用价值。

Description

铝基叠层高过载压电驱动器
技术领域
本发明涉及压电驱动器，属于压电陶瓷技术领域，具体为一种铝基叠层高过载压电驱动器。
背景技术
压电驱动器是利用电介质在电场中的逆压电效应直接将电能转换为机械能，产生微位移的换能元件，它具有体积小、分辨率高、响应快、低功耗、无电磁干扰等优点，在微米纳米驱动和控制技术中占有越来越重要的地位，其应用涉及航空航天、精密光学、微型机械、激光通讯、机器人等重要高新技术领域。
人们已认识到，在给压电陶瓷施加电场的瞬间，材料将产生可控的应变，且应变遵循基本的逆压电方程：Sj＝dijEi，其中S为应变，E为电场强度，dij为压电应变常数，i和j分别为电场和应变方向(i和j为1、2、3，分别代表X、Y、Z三个方向)。压电驱动器就是基于此逆压电效应制成的。现有的压电驱动器主要有叠堆型、薄板型、管型和双晶片型等几种结构形式。在微动控制中应用最多的是压电叠堆型，它采用机械串联、电学并联的结构形式，利用多片压电陶瓷片粘结或烧结而成，采用纵向伸缩d33模式，当加电场时，沿叠层方向伸缩，其位移ΔL＝nd33U，其中n为压电陶瓷片个数，d33为压电应变系数(m/V)，U为驱动电压(V)。这种压电叠堆驱动器的特点是位移大，可以承受很大的压力，但是存在如下问题：(1)压电叠堆驱动器抗剪切、抗拉伸特别是抗过载能力特别差；(2)压电叠堆驱动器的等效电容较大(μF)，响应时间较慢(ms级)。目前国内还未对传统驱动器的抗过载能力进行过精确标定。也未见抗高过载压电驱动器的设计及其应用的相关文献报道。
发明内容
本发明解决现有压电驱动器抗剪切、抗拉伸特别是抗过载能力差，不能应用于高过载环境的问题，提供一种铝基叠层高过载压电驱动器。
本发明是采用如下技术方案实现的：铝基叠层高过载压电驱动器，包含两个机械串联、电学并联的压电陶瓷叠层，在两压电陶瓷叠层中间粘接有一个铝箔基底，铝箔基底与压电陶瓷叠层的接触面(在现有粘接的同时)局部采用导电环氧粘接，两压电陶瓷叠层的外表面(背向铝箔基底为外)相连作为电极的一极，铝箔基底为电极的另一极。本发明采用叠层夹铝基的复合结构形式，即在横向压电陶瓷叠层内创新性引入铝基。通过这种结构设计的压电驱动器具有较高的抗拉伸、抗剪切和抗过载能力，适宜应用于高过载环境。该驱动器成薄片长条形，为横向伸缩d31模式，两压电陶瓷叠层的极化方向背离或指向铝基，输出位移方向和极化方向垂直，当驱动器外加电场时，驱动器沿长度方向伸缩，其位移ΔL＝d31LU/d，其中d31为压电应变常数(m/V)，L为压电片的长度(m)，U为驱动电压(V)，d为压电片的厚度(m)。
本发明与现有驱动器技术相比较：(1)该驱动器提供了一种新的压电叠层夹铝基的复合设计结构，为驱动器的抗高过载设计提供了基础；(2)该驱动器创新性引入铝箔基底，保证其具有较高的抗拉伸、抗剪切和抗过载能力；(3)该驱动器的压电叠层数很少(几片)，具有很小的等效电容(几十个nF)，从而驱动器具有很快的响应时间(μs级)；(4)该驱动器的工作电压低、等效电容小，从而对与之匹配的驱动电源的输出电压和容性负载能力要求较低，很容易实现；(5)该驱动器采用横向伸缩d31模式，其叠层方向与受力方向垂直，在负载情况下各压电陶瓷片和铝基只受较小的分力，从而保证驱动器的高负载能力和抗冲击能力，在军事国防、航空航天等高过载恶劣环境领域具有重要的实用价值。
附图说明
图1为本发明所述铝基叠层高过载压电驱动器外观结构示意图；
图2为图1的局部结构放大图；
图3为本发明所述铝基叠层高过载压电驱动器的结构分解图；
具体实施方式
铝基叠层高过载压电驱动器，包含两个机械串联、电学并联的压电陶瓷叠层，在两压电陶瓷叠层中间粘接有一个铝箔基底2，铝箔基底2与压电陶瓷叠层的接触面(在现有粘接的同时)局部采用导电环氧粘接，两压电陶瓷叠层的外表面(背向铝箔基底为外)相连作为电极的一极，铝箔基底2为电极的另一极。驱动器两端头卡入并通过环氧树脂粘接在玻璃纤维质量块1、7内，玻璃纤维质量块1一方面起进一步夹固压电陶瓷叠层和铝箔基底的作用，另一方面起保护端头的作用，便于驱动器与其它部件连接。压电陶瓷叠层由两片压电陶瓷片5、6，10、11构成；该压电驱动器的结构决定了压电陶瓷叠层可以层数很少，具有很小的等效电容(几十个nF)，从而驱动器具有很快的响应时间(μs级)；当然压电陶瓷叠层的层数可以多于两片，这样能进一步增加抗过载能力，但等效电容要相应增大。构成压电陶瓷叠层的压电陶瓷片选择PZT-5A材料，铝箔基底选择硬铝1100-H19，通过材料属性的优选以进一步增加抗过载能力。
具体制作时，首先对铝箔基底和压电陶瓷进行切片、研磨和清洁处理，几何特征成长薄片形，铝箔2和压电陶瓷片5、6、10、11的厚度分别为几十和几百个微米级；然后对压电陶瓷片5和6、10和11按照传统压电叠堆驱动器的机械串联、电学并联方式烧结或粘结成压电叠层；其次在铝箔基底2的两表面贴上中间开孔的环氧树脂3和8，并在小孔处灌入导电环氧4和9(导电环氧为市场上公开出售的现有材料)，把两压电叠层和铝基粘接在一起；再其次把两压电叠层的外表面相连作为电极的一极，两压电叠层内表面通过导电环氧和铝基相连作为另一极；最后将粘接好的铝基和压电叠层两端卡入并粘接在玻璃纤维质量块1和7内。粘接好后，用夹具将驱动器固定好并放入热处理炉中，快速升温至150℃～200℃(包括160℃、170℃、180℃、190℃)并保持30～60分钟(包括40分钟、50分钟)，然后缓慢降温至室温，以消除残余应力，由于铝基具有较高的热膨胀系数，经过温度处理回到室温后压电叠层具有预负载；使铝基被预拉伸而压电叠层被预压缩，从而进一步增强驱动器的抗过载能力。

Claims (6)

1、一种铝基叠层高过载压电驱动器，包含两个机械串联、电学并联的压电陶瓷叠层，其特征为：在两压电陶瓷叠层中间粘接有一个铝箔基底(2)，铝箔基底(2)与压电陶瓷叠层的接触面局部采用导电环氧树脂粘接，两压电陶瓷叠层的外表面相连作为电极的一极，铝箔基底(2)为电极的另一极。
2、如权利要求1所述的铝基叠层高过载压电驱动器，其特征为：两端头卡入并通过环氧树脂粘接在玻璃纤维质量块(1、7)内。
3、如权利要求1或2所述的铝基叠层高过载压电驱动器，其特征为：压电陶瓷叠层由两片压电陶瓷片(5、6)构成。
4、如权利要求2所述的铝基叠层高过载压电驱动器，其特征为：粘接好后，用夹具将驱动器固定好并放入热处理炉中，快速升温至150℃～200℃并保持30～60分钟，然后缓慢降温至室温。
5、如权利要求1或2或4所述的铝基叠层高过载压电驱动器，其特征为：构成压电陶瓷叠层的压电陶瓷片选择PZT-5A材料，铝箔基底选择硬铝1100-H19。
6、如权利要求3所述的铝基叠层高过载压电驱动器，其特征为：构成压电陶瓷叠层的压电陶瓷片选择PZT-5A材料，铝箔基底选择硬铝1100-H19。
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