CN101572504B - 类肌压电纤维复合材料驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种类肌压电纤维复合材料驱动器，属于智能结构主动控制器件或新型驱动器技术领域。其特征在于由以下结构组成：若干单根压电纤维通过导电胶及绝缘胶粘合构成纤维束；上述单根压电纤维由内到外依次由导电芯(1)、压电陶瓷(3)、外表电极(2)构成，其中在所有单根压电纤维相同的某一端具有导电芯裸露段；相邻的单根压电纤维的外表电极中间段通过导电胶(5)粘合；相邻的单根压电纤维的导电芯裸露段通过导电胶粘合；相邻的单根压电纤维的外表电极头尾两段通过绝缘胶(4)形成外表电极和导电芯之间的绝缘保护层。本发明能够在较小激励电压下产生较大位移和输出力。
Description
技术领域
本发明涉及一种类肌压电纤维复合材料驱动器，属于智能结构主动控制器件或新型驱动器技术领域。
背景技术
基于压电材料逆压电效应的压电驱动器在光学精密加工工程、微电子制造技术、航空航天技术、超精密机械制造、超精密微机器人操作、地震测量、生物工程、医学及遗传工程等高技术领域正逐步得到很好的应用。国内对压电驱动及控制技术的研究也得到了较快的发展。压电驱动器有尺寸小、线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、能耗低、无噪声等优点。但是，目前压电驱动器从理论研究到产品形成、应用和推广仍有很多问题需要解决。怎样提高压电驱动器的输出位移和驱动力，而使用的激励电压又较小，是目前压电驱动器领域研究的主要方向之一。要保证这一点，主要可以从以下三方面考虑：一是改进已有压电材料的制作工艺或寻找新型成分的压电材料，从压电材料本身提高其应用价值；二是通过改进基于压电材料的驱动器的外部结构，提高驱动器的性能；三是利用压电叠堆作为驱动元件。
交叉指形压电复合材料是1-3型压电复合材料的最新发展形式，其结构为：在压电复合材料上下表面蚀刻铜电极，在一个平面内，边缘为主电极，中间正负电极交叉排列，上下表面对应位置电极同性，压电纤维极化方向和外电场均平行于纤维方向，由于逆压电效应(利用d33压电系数)压电复合材料就能够产生沿纤维方向的较大应变。但该结构产生的平行于纤维方向的电极分布不均匀，并且压电陶瓷在长度方向上没有达到充分的利用。所加的电压也要求比较大。而且，这种结构是一种片状结构。
中国发明专利申请(专利号为200810019459.0)公开了一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，该纤维包括：金属芯、包覆金属芯的压电材料以及外表的涂布电极，其中的金属芯可以作为电极使用。当给金属芯和外表电极分别加上不同极性的电压时由于逆压电效应在压电陶瓷纤维的长度方向将会产生变形，有驱动力输出。但是，单根压电陶瓷纤维本身比较细，输出的驱动力有限，不能满足实际应用的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在较小激励电压下产生较大位移和输出力的类肌压电纤维复合材料驱动器。
含金属芯或碳纤维芯的压电纤维是一种改进的压电复合材料。它共具有里、中、外三层结构：最里面一层为一根金属芯或碳纤维芯，可作为其一个电极。其外面的中间层是包裹它的压电材料；最外层为压电材料表面喷镀的导电层，作为压电纤维的另一个电极。这样里面的芯层与表层的金属构成了两个电极。若给这两个电极分别加上不同极性的电压，在中间层的压电材料上便加上了径向电压，由于逆压电效应(d31常数作用)，压电材料在轴向将会产生机械变形，有位移和力输出。本发明利用这种压电纤维设计了一种激励电压小、驱动力和驱动位移大的类肌形复合材料驱动器
一种类肌压电纤维复合材料驱动器，属于智能结构主动控制器件或新型驱动器技术领域。其特征在于由以下结构组成：若干单根压电纤维平行排列，并通过沿其长度方向交替分布的导电胶及绝缘胶将其粘合成整体，形成像肌肉组织一样的压电纤维复合材料结构。上述单根压电纤维由内到外依次由导电芯、压电陶瓷涂层、外表电极构成。其中，所有单根压电纤维的同一端具有导电芯裸露段；所有压电纤维的外表电极中间段通过导电胶粘合；所有压电纤维的导电芯裸露段也通过导电胶粘合，该导电胶层与压电纤维外电极在长度方向上还应存在一定绝缘距离；这两层导电胶的中间留空的部分以及剩下的首尾两段留空部分都通过绝缘胶粘合，使外表电极和导电芯之间以及它们与外界环境之间形成绝缘保护层。从纤维束的金属芯和外表电极分别引出一根电极作为驱动器的电极。在其两端加上电压时，在纤维束的长度方向将有驱动力输出。由于单根压电纤维的压电层很薄，故所需的驱动电压较小。又由于该驱动力为所有单根压电纤维输出力之和，故有较大的驱动力输出。
上述方案中的一个有利于内部导电芯与外表电极绝缘的预加工的优选方案是，在其端部(假设统一为右端)去掉其外层电极，剩下绝缘的压电材料，将这一部分压电材料的最右端再去掉压电材料，露出一小段芯材。
附图说明
图1是经过预处理的含导电芯层的压电纤维结构示意图。
图2是类肌压电纤维复合材料驱动器的结构示意图。
附图中的标号：1.导电芯，2.外表电极，3.压电陶瓷，4.绝缘胶，5.导电胶，6.压电纤维内电极的公共引出端，7.压电纤维外电极的公共引出端，8.第一绝缘区，9.第一导电区，10.第二绝缘区，11.第二导电区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明是将若干导电芯(碳芯或金属芯)压电纤维平行排列，就像动物肌肉纤维在肌肉中的排列一样。每根压电纤维进行预加工，即在其端部(假设统一为右端)去掉其外表电极，剩下绝缘的压电材料，将这一部分压电材料的最右端再去掉压电材料，露出一小段芯材，将这种经过预加工的压电纤维平行排列，采用两种胶将它们粘连在一起，组成一个整体结构，如图2所示。一种为导电胶，一种为绝缘胶，其沿纤维长度方向自左至右分布有4个区分别是第一绝缘区、第一导电区、第二绝缘区、第二导电区4。其中，第一导电区将所有压电纤维的外表电极相连，并由此引出公共电极；第二导电区将所有压电纤维裸露的芯材(图中的最右端)相连，并由此引出另一个公共电极；第一绝缘区、第二绝缘区、则在两个公共电极之间起到绝缘的作用。当在两个公共电极施加电压时，所有压电纤维将产生同相的变形，如有K条压电纤维构成复合式驱动器，则驱动器的输出力是单根纤维的K倍，其位移还是单根纤维的位移。从以上描述可以看出：由于压电纤维本身比较细长，因而其位移可以比较大；由于驱动器输出力是所有单根纤维输出力之和，所以，其输出力大大增加；又由于压电纤维中的压电层可以做得很薄，因而，较之压电片或压电堆式驱动器，施加的电压可以比较小。此外，这种驱动器较之压电堆式驱动器具有的明显优势是：可以承受双向力的作用，而压电堆在拉伸方向可承受的力很小。这种驱动器较之交叉指形电极驱动器的优点是不需要加很高的激励电压，也没有压电效应的非充分利用和不均匀电场问题，且结构和制作工艺都要简单一些。
整个制作过程如下：首先按照图1及上述方法对每根压电纤维进行预处理：将其右端的外表电极去掉，只剩下绝缘的压电材料3，并将这部分压电材料最右端的一部分压电材料也去掉，露出里面的芯材1，并对压电纤维进行清洁处理，以便于进行粘贴。将处理过后的压电纤维平行排列，然后按照需要的外形这里以长方体为例，对其进行粘贴。如图2所示，沿压电纤维的长度方向，把压电纤维分为四个区：图2中8所示的为第一绝缘区，将压电纤维的左端一部分用绝缘胶4粘在一起。第一绝缘区处理好以后再对图2中9所示的第一导电区：用导线从压电纤维的外表电极2引出一根公共电极，再用导电胶5将这部分粘贴在一起，并将公共电极露在胶体外部作为外层电极7；图2中10所示的第二绝缘区，用绝缘胶4将压电纤维没有外表电极的压电材料这部分粘贴在一起；最后，如图2中11所示的部分为第二导电区，用导电胶5将压电纤维的芯材1部分粘贴在一起，并将引出一根公共电极露在胶体外部作为里层电极6。
这样，当在两外部的公共电极两端加上不同极性的电压时，在驱动器内部各压电纤维的轴向都通上了电压，由于逆压电效应(d13压电常数作用)，在压电纤维的轴向便有位移和驱动力输出。并且可以在制作过程中根据所需驱动力的要求，来调整驱动器内部压电纤维的数目。
Claims (2)
1.一种类肌压电纤维复合材料驱动器，其特征在于由以下结构组成：
若干单根压电纤维通过导电胶及绝缘胶粘合构成纤维束；
上述单根压电纤维由内到外依次由导电芯(1)、压电陶瓷(3)、外表电极(2)构成，其中在所有单根压电纤维相同的某一端具有导电芯裸露段；
相邻的单根压电纤维的外表电极中间段通过导电胶(5)粘合；相邻的单根压电纤维的导电芯裸露段通过导电胶粘合；相邻的单根压电纤维的外表电极头尾两段通过绝缘胶(4)形成外表电极和导电芯之间的绝缘保护层。
2.根据权利要求1所述类肌压电纤维复合材料驱动器，其特征在于：上述单根压电纤维其中一端的外表电极具有被剥离外表电极后形成的压电陶瓷裸露段、该压电陶瓷裸露段的外端具有压电陶瓷被剥离后形成的内部导电芯裸露段。
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