CN102148325B - 大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法。所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器包括弹性膜片(2)、上压板(3)、M组1号压电组件(4)、1号下底板(6)与定位套(7)。定位套(7)的下端装入1号下底板(6)的中心通孔内成动配合，M组1号压电组件(4)以定位套(7)为中心均布在1号下底板(6)上，上压板(3)套装在定位套(7)的上端，上压板(3)和M组1号压电组件(4)上端面相接触，1号下底板(6)和上压板(3)之间用细长的紧固螺钉连接，弹性膜片(2)通过螺钉和上压板(3)与定位套(7)的上端面紧固连接。本发明还提供了另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的技术方案及两种微位移驱动器的制作方法。

Description

大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种应用于需要精密微小位移输出的压电陶瓷微位移驱动器，更具体地说，本发明涉及一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法。

背景技术

精密位移输出与控制在机械、仪表等许多技术领域和装置中应用极其广泛。压电陶瓷微位移驱动器作为一种具有优异性能的微位移驱动器得到了广泛重视，发展和应用迅速。但是迄今为止，压电陶瓷微位移驱动器基本上局限于较小负荷要求的应用场合，一般负荷最大能力在数百N范围。其结构形式为多片晶片叠置，或者制作成独石结构，以多片叠置式结构居多。负荷能力大的压电陶瓷微位移驱动器可以应用在诸如叠加式力标准机、火箭喷气发动机推力测量原位校准等方面，有利于提高精度、简化结构、降低成本、提高工作效率。这些装置一般需要的负荷能力都在kN以上，由于还没有承受大负荷的压电陶瓷微位移驱动器的结构设计与制作方法，应用受到了制约。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了大负荷压电陶瓷微位移驱动器。同时还提供了制造大负荷压电陶瓷微位移驱动器的方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器包括弹性膜片、上压板、M组结构相同的1号压电组件、1号下底板与定位套。

定位套的下端装入1号下底板的中心通孔内成动配合，采用螺钉将两者紧固连接。M组结构相同的1号压电组件以定位套为中心沿圆周方向均布在1号下底板上成接触连接，上压板套装在定位套的上端成动配合，上压板和M组结构相同的1号压电组件的上端面成接触连接，1号下底板和上压板之间用细长的紧固螺钉连接。联接1号下底板和上压板的细长的紧固螺钉之间及其它构件距离1号压电组件的最小距离为大于等于5mm，1号压电组件之间的距离为大于等于5mm。弹性膜片通过螺钉和上压板与定位套的上端面紧固连接，M取大于等于3的自然数。

技术方案中所述的1号压电组件包括球面垫圈副、n×2片压电陶瓷晶片、n片铜箔负电极与n片铜箔正电极，n取大于1的自然数。n×2片压电陶瓷晶片沿压电陶瓷晶片的回转轴线方向叠置。每两片压电陶瓷晶片之间设置有紫铜箔负电极和紫铜箔正电极，紫铜箔负电极与紫铜箔正电极相间设置。分别将紫铜箔负电极与紫铜箔正电极电线连接为1号压电组件的负电极与正电极。在最上端的压电陶瓷晶片上放置一个球面垫圈副。在压电陶瓷晶片的周边涂抹绝缘和防电晕硅胶；所述的压电陶瓷晶片是直径尺寸为φ20～φ55mm、厚度为3～6mm的圆盘形结构件。所述的球面垫圈副是直径与压电陶瓷晶片直径相同的圆盘形结构件。球面垫圈副由两个结构件组成，两个结构件之间为球面接触配合，即一个结构件做成向里凹的球面，另一个结构件做成向外凸的球面。所述的紫铜箔负电极与紫铜箔正电极是厚度为0.03～0.06mm的厚度均匀的直径和压电陶瓷晶片直径相同的圆形结构件；

所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法包括如下步骤：

1.制作弹性膜片、上压板、M组结构相同的1号压电组件、1号下底板与定位套，M取大于等于3的自然数。

2.将M组结构相同的1号压电组件，以圆周方向均布的方式放置在1号下底板的上平面上，保证1号压电组件之间及1号压电组件与外部其它构件的最小距离为大于等于5mm。

3.将定位套与1号下底板安装固定，保证定位套的几何中心与放置在1号下底板上的1号压电组件分布圆中心重合。

4.将上压板套装在定位套的上端，采用细长的紧固螺钉紧固1号下底板和上压板，使M组结构相同的1号压电组件的上端面与下端面分别和上压板的下端平面与1号下底板的上端平面均匀地紧密接触。

5.分别用导线连接M组结构相同的1号压电组件的负电极和正电极，封装晶片外露部分，同时将铜箔正电极裸露导体涂硅胶封闭。

6.弹性膜片通过螺钉紧固连接在上压板和定位套的上端面上，用平面磨床将上压板的上表面与1号下底板底平面磨平，保证平面度精度等级为六级以上，磨削时不得浇注冷却液。

技术方案中所述的1号压电组件的制作方法包括如下步骤：

1.将n×2片尺寸相同的已进行极化处理的圆盘形的压电陶瓷晶片按正极与负极相间和同极性接触原则，沿压电陶瓷晶片的回转轴线方向叠置，每两片压电陶瓷晶片之间放置铜箔负电极和铜箔正电极。

2.在上述步骤所构成压电组件的最上端的压电陶瓷晶片上叠置球面垫圈副，对所构成的压电组件施加大小为额定载荷10％的轴向预紧力。

3.将铜箔负电极和铜箔正电极分别用导线连接为压电组件的负电极和正电极。

4.将压电陶瓷晶片的周边以及铜箔正电极裸露导体涂抹绝缘和防电晕硅胶。

5.硅胶固化后撤销预紧力即制成所述的1号压电组件(4)。

另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器还包括上底板、2号环形上压板、1号环形上压板、N组结构相同的2号压电组件、1号环形下压板、2号环形下压板与2号下底板。

大负荷压电陶瓷微位移驱动器放置在2号下底板的中心处，1号环形下压板与2号环形下压板由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中1号下底板的周围成间隙配合。沿圆周方向分别在1号环形下压板与2号环形下压板的上表面均布N组结构相同的2号压电组件，1号环形上压板与2号环形上压板由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中上压板的周围成间隙配合，1号环形上压板与2号环形上压板的下端平面分别和1号环形下压板与2号环形下压板上的N组结构相同的2号压电组件的上端面相接触。上底板放置在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中上压板、1号环形上压板与2号环形上压板的上端面上，2号下底板和1号环形下压板与2号环形下压板的下端面采用螺钉紧固，上底板和1号环形上压板与2号环形上压板的上端面采用螺钉紧固，N取大于等于3的自然数。

所述的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法包括如下步骤：

1.制作大负荷压电陶瓷微位移驱动器、上底板、1号环形上压板、2号环形上压板、1号环形下压板、2号环形下压板、N组结构相同的2号压电组件与2号下底板。

2.将制作好的大负荷压电陶瓷微位移驱动器和1号环形上压板、2号环形上压板、1号环形下压板、2号环形下压板与N组结构相同的2号压电组件进行组装，大负荷压电陶瓷微位移驱动器置于2号下底板的中心部位，1号环形下压板与2号环形下压板由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中1号下底板的周围成间隙配合。沿圆周方向分别在1号环形下压板与2号环形下压板的上表面均布N组结构相同的2号压电组件，1号环形上压板与2号环形上压板由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中上压板的周围成间隙配合。1号环形上压板与2号环形上压板的下端平面分别和1号环形下压板与2号环形下压板上的N组结构相同的2号压电组件的上端面相接触，上底板放置在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中上压板、1号环形上压板与2号环形上压板的上端面上。2号下底板和1号环形下压板与2号环形下压板的下端面采用螺钉紧固，上底板和1号环形上压板与2号环形上压板的上端面采用螺钉紧固。

3.将上述安装好的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器进行电极连接，外露晶片和铜箔正电极裸露导体涂抹硅胶。

4.硅胶固化后进行封装，用平面磨床将上底板上表面与下底板的底面磨平，保证平面度精度等级为六级以上，磨削时不得浇注冷却液。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器可以在承受10kN以上、10MN以下载荷的条件下，运用逆压电效应原理输出可控微小位移，极大突破了目前已知的压电微位移驱动器的承载能力。

2.本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法解决了以较小尺寸晶片制作承受大负荷压电陶瓷微位移驱动器的难题。运用目前技术可以做到的尺寸的晶片，通过合理设计和工艺方法，即可以制作出承受巨大负荷的微位移驱动器。

3.本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器应用于需要承受巨大负荷条件下产生和改变输出位移的场合，实现微小位移的精密控制。例如，应用于叠加式力标准机中作为力发生装置，通过精密控制微小位移达到精确控制力值的目的，控制力值灵敏度为指示仪表的一个分度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器结构组成主视图上的全剖视图；

图2是图1中A-A处的剖视图；

图3是图1中I处的局部放大视图；

图4是本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器中的1号压电组件结构组成的主视图；

图5是本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器中的1号压电组件结构组成的俯视图；

图6是另一种本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器结构组成主视图上的全剖视图；

图7是图6中B-B处的剖视图；

图8是运用本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的叠加式力标准机工作原理图；

图9是表示本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器中的压电陶瓷微位移结构原理的主视图；

图中：1.螺钉，2.弹性膜片，3.上压板，4.1号压电组件，5.紧固螺钉，6.1号下底板，7.定位套，8.球面垫圈副，9.压电陶瓷晶片，10.铜箔负电极，11.铜箔正电极，12.上底板，13.2号环形上压板，14.1号环形上压板，15.2号压电组件，16.1号环形下压板，17.2号环形下压板，18.2号下底板，19.大负荷压电陶瓷微位移驱动器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法提供了可以在10kN至5MN范围的大负荷条件下工作的压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法。

1.关于压电陶瓷微位移驱动器

参阅图9，压电式微位移驱动器是由压电材料按一定规则和方法构成的装置，根据逆压电效应原理工作。当对它施加电场时它将沿极化方向产生微小位移。改变电场强度大小可以改变位移的大小，改变电场方向可以改变位移方向。

建立在逆压电效应基础上的压电陶瓷微位移驱动器，在作用于压电陶瓷微位移驱动器上的作用力均匀分布在压电陶瓷微位移驱动器表面上时，它的输出位移可用下式表示：

$\mathrm{\δ}=(-S_{33}\·P^{\′}\·\frac{l}{S}+d_{33}\·U_3)\·n---\left(1\right)$

式中：

δ-压电陶瓷微位移驱动器的输出位移；

P′-压电陶瓷微位移驱动器受到的作用力；

l-每片压电陶瓷晶片的厚度；

d₃₃-压电应变常数；

U₃-受力方向上施加的电压；

S-压电陶瓷晶片的面积；

n-压电陶瓷晶片层数

S₃₃-压电陶瓷晶片极化方向上的弹性柔顺常数；

可见压电陶瓷微位移驱动器的输出位移与压电陶瓷晶片的材料、性质、体积、外加电压及作用力有关。

为了增大输出位移，可以选用d₃₃较大的材料，增加压电陶瓷晶片层数n，提高输入电压U₃，增大压电陶瓷微位移驱动器的受力面积(压电陶瓷晶片的面积S)。由于外部作用力的原因，压电陶瓷微位移驱动器的输出位移可能是负值，即压电陶瓷微位移驱动器的尺寸小于自由状态的尺寸，这是由于压电陶瓷微位移驱动器本身的变形所致。压电陶瓷微位移驱动器的输出位移抛除受外力作用下压电陶瓷微位移驱动器本身的变形后，才可能会有输出位移与输入电压成正比的关系。

在非均布载荷状态下，假设压电陶瓷晶片材质是均匀的，外加电压也是均匀的，根据积分学原理，压电陶瓷微位移驱动器上任意点处的位移输出可以根据式(1)表示为

δ_D＝(-S₃₃·σ_D·l+d₃₃·U₃)·n                (2)

δ_D-任意点处的位移；

σ_D-变形点处的应力

由式(2)可得

${\mathrm{\σ}}_D=\frac{d_{33}}{l\·S_{33}}{U}_3-\frac{{\mathrm{\δ}}_D}{n\·l\·S_{33}}$

任何情况下σ_D均不应大于许用值，许用应力由材料本身性质决定。

压电式微位移驱动器具有输出位移小、实现精密位移控制比较容易等特点，广泛应用于各种需要微小位移输出与控制的场合。其位移输出可以达到纳米级的微小位移。压电材料一般多用压电系数大、价格较低的压电陶瓷。但是迄今为止，压电陶瓷微位移驱动器所能承受的载荷一般较小，通常最大值在数百N量级。

2.大负荷压电陶瓷微位移驱动器的承载单元体--1号压电组件4与制作方法

参阅图4与图5，1号压电组件4是由n×2(n＞1)片尺寸相同的圆盘形的压电陶瓷晶片9沿压电陶瓷晶片的回转轴线方向叠置组成的圆柱形构件，且压电陶瓷晶片9轴向激化，按同极性接触原则叠放，每两片尺寸相同的压电陶瓷晶片(9)之间夹有厚度为0.03～0.06mm的紫铜箔负电极10(共n片结构相同的负电极)和紫铜箔正电极11(共n片结构相同的正电极)，紫铜箔负电极10与紫铜箔正电极11相间设置，紫铜箔的厚度均匀的圆形结构件。圆柱形构件的上端放置一个直径与压电陶瓷晶片9直径相同的圆盘形的球面垫圈副8。球面垫圈副8由两个结构件组成，两个结构件之间为球面接触配合，即一个结构件做成向里凹的球面，另一个结构件做成向外凸的球面，两个结构件的和(凹、凸)球面相背的面为圆平面。由压电陶瓷晶片9、铜箔负电极10、铜箔正电极11、球面垫圈副8组成1号压电组件4的核心部分，并在施加额定载荷10％的预紧力压实的条件下，在露出压电陶瓷晶片9的周边涂抹绝缘和防电晕硅胶。硅胶固化后可撤销预紧力，如此制成的1号压电组件4作为大负荷压电陶瓷微位移驱动器的承载单元体。

圆盘形的压电陶瓷晶片9的直径尺寸为φ20～φ55mm，厚度为3～6mm。

1号压电组件4的制作方法与步骤：

1)将n×2(n＞1)片尺寸相同的已进行极化处理的圆盘形的压电陶瓷晶片9，按正负相间、同极性接触原则，沿压电陶瓷晶片9回转轴线方向叠置，每两片之间放置铜箔负电极10和铜箔正电极11。用作铜箔负电极10和铜箔正电极11的紫铜箔圆片直径尺寸与压电陶瓷晶片9的直径相同，边缘处留有连接导线的部分。

2)在上述步骤所构成压电组件的最上端的压电陶瓷晶片9上叠置球面垫圈副8，对本步骤所构成的压电组件施加轴向预紧力，大小为额定载荷的10％左右。

3)将铜箔负电极10和铜箔正电极11分别用导线连接成为压电组件的负电极和正电极。

4)将压电陶瓷晶片9的周边以及铜箔正电极11裸露导体涂抹绝缘和防电晕硅胶。

5)硅胶固化后撤销预紧力，制成所述的1号压电组件4。

3.大负荷压电陶瓷微位移驱动器的结构组成与制作方法

大负荷压电陶瓷微位移驱动器19的结构组成

参阅图1至图3，所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器19包括螺钉1、弹性膜片2、上压板3、M组结构相同的1号压电组件4、紧固螺钉5、1号下底板6与定位套7。

1号下底板6是一个圆形板类结构件，在1号下底板6的中心处沿回转轴线加工一个中心通孔，在1号下底板6的周边和中心通孔的附近均布有两圈安装紧固螺钉5的阶梯通孔和一圈螺纹盲孔。

上压板3是一个圆形板类结构件，在上压板3的中心处沿回转轴线加工一个中心通孔，该中心通孔的直径大于1号下底板6上中心通孔的直径，在上压板3下端平面的周边和中心通孔的附近均布有两圈安装紧固螺钉5的螺纹盲孔，该两圈均布的螺纹盲孔和1号下底板6上的两圈阶梯通孔相对应，在上压板3上端平面和中心通孔附近均布有一圈螺纹盲孔。

定位套7是一空心阶梯式圆柱形结构件，定位套7下端空心圆柱的直径和1号下底板6上的中心通孔的直径相等，定位套7上端空心圆柱的直径和上压板3上的中心通孔的直径相等，定位套7上端平面的周边附近均布有一圈螺纹盲孔和一圈安装紧固螺钉的阶梯通孔，该圈均布的阶梯通孔和1号下底板6上的一圈螺纹盲孔相对应。

定位套7下端空心圆柱装入1号下底板6上的中心通孔内成动配合，并采用紧固螺钉将两者固定连接。将M组(M≥3)结构和性能相同的1号压电组件4以定位套7中心线为中心放置在1号下底板6的上平面上，沿1号下底板6上平面的圆周方向均匀分布。上压板3上的中心通孔套装在定位套7上端空心圆柱上，上压板3上均布的两圈螺纹盲孔和1号下底板6上均布的两圈阶梯通孔对正。1号压电组件4的上、下端面分别和上压板3的下端平面与1号下底板6的上端平面接触，1号下底板6和上压板3之间用细长的紧固螺钉5紧固。1号下底板6和上压板3由定位套7定心，上压板3与定位套7通过采用螺钉1紧固的弹性膜片2在两者上端面连接，使上压板3与定位套7之间留有微量间隙，保证1号压电组件4变形时上压板3与定位套7不发生接触。紧固联接1号下底板6和上压板3的细长螺钉及其它构件距离1号压电组件4的最小距离为不小5mm，1号压电组件4之间的距离为不小5mm。细长螺钉的规格为M5或者M6。

1号下底板6和上压板3之间用细长的紧固螺钉5紧固的预紧力大小根据供电电源和1号压电组件4使用时的放置方向确定。一般1号压电组件4使用时，预紧力为额定载荷的2％～5％即可。1号压电组件4使用时其轴线与铅直线构成一大于30°角的角度放置时，供电电源为负电压，预紧力为额定载荷的10％以上，20％以下。

所述的1号压电组件4包括球面垫圈副8、n×2片压电陶瓷晶片9、n片铜箔负电极10与n片铜箔正电极11，n取大于1的自然数。

n×2片压电陶瓷晶片9沿压电陶瓷晶片9的回转轴线方向叠置。每两片压电陶瓷晶片9之间设置有紫铜箔负电极10和紫铜箔正电极11，紫铜箔负电极10与紫铜箔正电极11相间设置，分别将紫铜箔负电极10与紫铜箔正电极11电线连接成为1号压电组件4的负电极与正电极。在最上端的压电陶瓷晶片9上放置一个直径与压电陶瓷晶片9直径相同的球面垫圈副8，在压电陶瓷晶片9的周边涂抹绝缘和防电晕硅胶。

大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法与步骤：

1.制作弹性膜片2、上压板3、M组结构相同的1号压电组件4、1号下底板6与定位套7，M取大于等于3的自然数；

2.将M组(M≥3)结构和性能相同的1号压电组件4，以圆周方向均布方式排列定位，放置在1号下底板6的上平面上，调整位置，保证电源引线易于可靠连接，并保证1号压电组件4之间及1号压电组件4与外部其它构件的间距符合上述要求；

3.将定位套7与1号下底板6安装固定，保证定位套7的几何中心与放置在1号下底板6上的1号压电组件4分布圆中心重合；

4.安装上压板3，使定位套7上端空心圆柱装入上压板3上的中心通孔内。将1号下底板6和上压板3采用细长的紧固螺钉5紧固，紧固的同时检查M组1号压电组件4的上、下端面分别和上压板3的下端平面与1号下底板6的上端平面接触紧密程度。检查接触紧密程度的条件是施加额定载荷的3％左右的载荷，上压板3与1号下底板6的接触紧密程度应该一致。保证紧密的方法可以是保证1号压电组件4的轴向尺寸偏差不大于1号压电组件4轴向尺寸的0.02％的条件下直接用紧固螺钉5紧固上压板3与1号下底板6。

5.连接导线，封装晶片外露部分，同时将铜箔正电极11裸露导体涂硅胶封闭。

6.将用紧固螺钉5紧固上压板3与1号下底板6后，再把上压板3与定位套7之间通过弹性膜片2与螺钉1紧固连接，然后，用平面磨床将上压板3的上表面与1号下底板6底平面磨平，保证平面度精度等级为六级以上。磨削时，不得浇注冷却液。

4.另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的结构组成与制作方法

另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的结构组成

参阅图6至图7，所述的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器包括大负荷压电陶瓷微位移驱动器19、上底板12、2号环形上压板13、1号环形上压板14、N组结构相同的2号压电组件15、1号环形下压板16、2号环形下压板17与2号下底板18。

另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器是以第3项所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器19为核心，在其(具体说在1号下底板6与上压板3的)周围设置m圈(m≥1)环形下压板与环形上压板，即以定位套7为中心由里至外成对出现的1号、2号......m号环形下压板与环形上压板。在1号、2号......或/和m号环形下压板的上平面上放置N组(N≥3)结构和性能相同的所述的2号压电组件15(和1号压电组件4结构完全相同)，在2号压电组件15的上端面上以定位套7为中心由里至外套装1号、2号......或/和m号环形上压板，1号、2号......或/和m号环形上压板的下端面与各2号压电组件15的上端面相接触，构成一个或m个环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的部件。1号环形上压板14、N组(N≥3)2号压电组件15与1号环形下压板16构成环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件；2号环形上压板13、N组(N≥3)2号压电组件15与2号环形下压板17构成环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的2号部件；共计构成两个环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器部件。根据需要还可以设置更多(m)个环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器部件，m个环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的部件以大环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的部件套装小环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的部件的方式安装，大负荷压电陶瓷微位移驱动器19与另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件之间和相邻两个环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的部件(即1号部件与2号部件、2号部件与3号部件、......、m-1号部件与m号部件)之间采用间隙配合。本发明实施例中环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件套装在第3项所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器19上(或者说周围)，环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的2号部件套装在环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件上。它们之间采用间隙配合。全部环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器部件的下端面放置在2号下底板18的上平面上，全部环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器部件的上端面放置上底板12成接触连接，2号下底板18与上底板12分别和全部环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的部件的下端面与上端面采用螺钉紧固。

另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法与步骤：

1)按照与第3项“大负荷压电陶瓷微位移驱动器的结构组成与制作方法”相同的制作方法与步骤制作大负荷压电陶瓷微位移驱动器19，制作各环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1～m号部件，即制作1号环形上压板14、2号环形上压板13、1号环形下压板16、2号环形下压板17与N组结构相同的2号压电组件15。各环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器部件的2号环形上压板13与2号环形下压板17或者1号环形上压板14与1号环形下压板16的中心定位可通过特制工装进行。

2)参阅图6至图7，将制作好的大负荷压电陶瓷微位移驱动器19和各环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1～m号部件进行组装。组装过程为大负荷压电陶瓷微位移驱动器19置于中心部位，再依次以小环形部件至大环形部件即小号部件至大号部件套装的方式进行。更具体地说，环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器19上，环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的2号部件套装在环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件上，如还有3、......m号部件，就依次进行下去，相邻两个环形的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的部件之间采用间隙配合。构成另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的各环形的部件的下端面放置在下底板18的上平面上并用螺钉紧固，构成另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的各环形的部件的上端面放置上底板12并用螺钉紧固。

3)将上述安装好的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器进行电极连接，外露晶片和铜箔正电极裸露导体涂抹硅胶。

4)硅胶固化后进行封装，最后，用平面磨床将上底板12的上表面与下底板18的底面磨平，保证平面度精度等级为六级以上。磨削时不得浇注冷却液。

实施例1：

参阅图6至图7，一种5MN规格的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器，采用压电陶瓷晶片尺寸规格为直径55mm、厚度为4mm与叠置层数为2×n＝12构成1号压电组件4。

大负荷压电陶瓷微位移驱动器19由10组1号压电组件4组成，并在大负荷压电陶瓷微位移驱动器19的圆周方向均布；另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件由17组2号压电组件15组成，它套在大负荷压电陶瓷微位移驱动器19上，两者之间采用间隙配合；另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的2号部件由24组2号压电组件15组成，它套在另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件上，两者之间采用间隙配合。大负荷压电陶瓷微位移驱动器19、另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件与另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的2号部件的下端面放置在下底板18的上平面上，并用螺钉紧固，大负荷压电陶瓷微位移驱动器19、另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的1号部件与另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的2号部件的上端面放置有上底板12并和上底板12的底面接触，并用螺钉紧固。

额定承载能力：P_N＝5MN，计算值P＝9.693MN，可见P_N＜P，满足设计要求。

另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的2号部件中的2号压电组件15分布圆的直径D＝468mm，上底板12的底面到下底板18的顶面的尺寸H为120mm。

大负荷压电陶瓷微位移驱动器19在叠加式力标准机上的应用

参阅图8与图9，将大负荷压电陶瓷微位移驱动器19与标准传感器和被检测传感器同轴叠置安装，通过一个由电动机驱动的机械装置对这三个装置的串联体施加压力。当施加的作用力接近目标值时，机械装置停止工作，并保持状态基本不变或者处于自锁状态，然后对大负荷压电陶瓷微位移驱动器19施加电场，根据标准传感器和指示仪表的指示，由微机经控制器和功率放大后输出控制信号，增加或者减小作用于压电陶瓷压电微位移驱动器上的电场强度，达到改变其输出位移(图中表示为δ_X)的目的。根据传感器测力原理，改变δ_X可以改变作用力大小，从而实现对力值的精确控制。

根据静力学原理，当机械装置停止工作，并保持状态基本不变或者处于自锁状态的条件下，设由压电陶瓷微位移驱动器与标准传感器和被检测传感器同轴叠置安装构成的串联体均为线弹性体，设它们的支撑机架为刚体，则由图8的力学模型可得：

P＝k·Δx

式中P-串联体所受的作用力，Δx-串联体的弹性变形，k-串联体的刚度。设由于对压电陶瓷微位移驱动器作用场强的控制使其产生的变形输出为δ_X，则有下式成立

P+δP＝k·(Δx+δx)

即为δ_X引起的力值变化为

δP＝k·δx

可见当k为常数时，力值变化正比于变形输出δ_X。因此只要精确控制变形输出δ_X大小即可以实现对力值的精确控制。由于变形输出δ_X可以很小，可达纳米级，是迄今为止其他任何手段都无法做到的，因此可以实现很高精度的力值控制。例如，对于额定灵敏度为2mV/V的传感器，当指示仪表的分度达到2.000000mV/V时，可以控制至0.000001，即指示仪表的一个分度。

Claims (7)

1.一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器，其特征在于，所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器包括弹性膜片(2)、上压板(3)、M组结构相同的1号压电组件(4)、1号下底板(6)与定位套(7)；

定位套(7)的下端装入1号下底板(6)的中心通孔内成动配合，采用螺钉将两者紧固连接，M组结构相同的1号压电组件(4)以定位套(7)为中心沿圆周方向均布在1号下底板(6)上成接触连接，上压板(3)套装在定位套(7)的上端成动配合，上压板(3)和M组结构相同的1号压电组件(4)的上端面成接触连接，1号下底板(6)和上压板(3)之间用细长的紧固螺钉连接，联接1号下底板(6)和上压板(3)的细长的紧固螺钉之间及其它构件距离1号压电组件(4)的最小距离为大于等于5mm，1号压电组件(4)之间的距离为大于等于5mm，弹性膜片(2)通过螺钉和上压板(3)与定位套(7)的上端面紧固连接，M取大于等于3的自然数。

2.按照权利要求1所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器，其特征在于，所述的1号压电组件(4)包括球面垫圈副(8)、n×2片压电陶瓷晶片(9)、n片铜箔负电极(10)与n片铜箔正电极(11)，n取大于1的自然数；

n×2片压电陶瓷晶片(9)沿压电陶瓷晶片(9)的回转轴线方向叠置，每两片压电陶瓷晶片(9)之间设置有紫铜箔负电极(10)和紫铜箔正电极(11)，紫铜箔负电极(10)与紫铜箔正电极(11)相间设置，分别将紫铜箔负电极(10)与紫铜箔正电极(11)电线连接为1号压电组件(4)的负电极与正电极，在最上端的压电陶瓷晶片(9)上放置一个球面垫圈副(8)，在压电陶瓷晶片(9)的周边涂抹绝缘和防电晕硅胶。

3.按照权利要求2所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器，其特征在于，所述的压电陶瓷晶片(9)是直径尺寸为φ20～φ55mm、厚度为3～6mm的圆盘形结构件；

所述的球面垫圈副(8)是直径与压电陶瓷晶片(9)直径相同的圆盘形结构件，球面垫圈副(8)由两个结构件组成，两个结构件之间为球面接触配合，即一个结构件做成向里凹的球面，另一个结构件做成向外凸的球面；

所述的紫铜箔负电极(10)与紫铜箔正电极(11)是厚度为0.03～0.06mm的厚度均匀的直径和压电陶瓷晶片(9)直径相同的圆形结构件。

4.按照权利要求1所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器，其特征在于，所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器还包括上底板(12)、2号环形上压板(13)、1号环形上压板(14)、N组结构相同的2号压电组件(15)、1号环形下压板(16)、2号环形下压板(17)与2号下底板(18)；

大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)放置在2号下底板(18)的中心处，1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中1号下底板(6)的周围成间隙配合，沿圆周方向分别在1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)的上表面均布N组结构相同的2号压电组件(15)，1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中上压板(3)的周围成间隙配合，1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)的下端平面分别和1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)上的N组结构相同的2号压电组件(15)的上端面相接触，上底板(12)放置在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中上压板(3)、1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)的上端面上，2号下底板(18)和1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)的下端面采用螺钉紧固，上底板(12)和1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)的上端面采用螺钉紧固，N取大于等于3的自然数。

5.一种权利要求1所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法，其特征在于，所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法包括如下步骤：

1)制作弹性膜片(2)、上压板(3)、M组结构相同的1号压电组件(4)、1号下底板(6)与定位套(7)，M取大于等于3的自然数；

2)将M组结构相同的1号压电组件(4)，以圆周方向均布的方式放置在1号下底板(6)的上平面上，保证1号压电组件(4)之间及1号压电组件(4)与外部其它构件的最小距离为大于等于5mm；

3)将定位套(7)与1号下底板(6)安装固定，保证定位套(7)的几何中心与放置在1号下底板(6)上的1号压电组件(4)分布圆中心重合；

4)将上压板(3)套装在定位套(7)的上端，采用细长的紧固螺钉(5)紧固1号下底板(6)和上压板(3)，使M组结构相同的1号压电组件(4)的上端面与下端面分别和上压板(3)的下端平面与1号下底板(6)的上端平面均匀地紧密接触；

5)分别用导线连接M组结构相同的1号压电组件(4)的负电极和正电极，封装晶片外露部分，同时将铜箔正电极11裸露导体涂硅胶封闭；

6)弹性膜片(2)通过螺钉(1)紧固连接在上压板(3)和定位套(7)的上端面上，用平面磨床将上压板(3)的上表面与1号下底板(6)底平面磨平，保证平面度精度等级为六级以上，磨削时不得浇注冷却液。

6.按照权利要求4所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法，其特征在于，所述的1号压电组件(4)的制作方法包括如下步骤：

1)将n×2片尺寸相同的已进行极化处理的圆盘形的压电陶瓷晶片(9)按正极与负极相间和同极性接触原则，沿压电陶瓷晶片(9)的回转轴线方向叠置，每两片压电陶瓷晶片(9)之间放置铜箔负电极(10)和铜箔正电极(11)；

2)在上述步骤所构成压电组件的最上端的压电陶瓷晶片(9)上叠置球面垫圈副(8)，对所构成的压电组件施加大小为额定载荷10％的轴向预紧力；

3)将铜箔负电极(10)和铜箔正电极(11)分别用导线连接为压电组件的负电极和正电极；

4)将压电陶瓷晶片(9)的周边以及铜箔正电极(11)裸露导体涂抹绝缘和防电晕硅胶；

5)硅胶固化后撤销预紧力即制成所述的1号压电组件(4)。

7.一种权利要求4所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法，其特征在于，所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法包括如下步骤：

1)制作大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)、上底板(12)、1号环形上压板(14)、2号环形上压板(13)、1号环形下压板(16)、2号环形下压板(17)、N组结构相同的2号压电组件(15)与2号下底板(18)；

2)将制作好的大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)和1号环形上压板(14)、2号环形上压板(13)、1号环形下压板(16)、2号环形下压板(17)与N组结构相同的2号压电组件(15)进行组装，大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)置于2号下底板(18)的中心部位，1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中1号下底板(6)的周围成间隙配合，沿圆周方向分别在1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)的上表面均布N组结构相同的2号压电组件(15)，1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中上压板(3)的周围成间隙配合，1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)的下端平面分别和1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)上的N组结构相同的2号压电组件(15)的上端面相接触，上底板(12)放置在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中上压板(3)、1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)的上端面上，2号下底板(18)和1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)的下端面采用螺钉紧固，上底板(12)和1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)的上端面采用螺钉紧固；

3)将上述安装好的大负荷压电陶瓷微位移驱动器进行电极连接，外露晶片和铜箔正电极裸露导体涂抹硅胶；

4)硅胶固化后进行封装，用平面磨床将上底板(12)上表面与下底板(18)的底面磨平，保证平面度精度等级为六级以上，磨削时不得浇注冷却液。

Images