CN102263199A - 分布电极式含芯压电棒弹簧 - Google Patents

Abstract

分布电极式含芯压电棒弹簧，该分布电极式含芯压电棒弹簧是由含芯压电棒绕制而成的弹簧，其中所述含芯压电棒包括位于中心位置的导电芯棒和包裹在该导电芯棒上的压电材料，该压电材料的表面上部分地涂布至少一个金属电极。本发明的分布电极式含芯压电弹簧可以实现传统的压电元件的驱动和传感功能，其可以用作驱动器、传感器、变压器以及换能器等，尤其可以实现较大位移的执行驱动功能，克服了现有的含金属芯压电纤维的应用缺陷，从而具有显著改善的驱动能力，并有效地扩大其作为传感元件的使用范围。

Description

分布电极式含芯压电棒弹簧

技术领域

本发明涉及一种压电棒，具体地，涉及一种弹簧形式的含金属芯的压电棒。

背景技术

压电材料具有正压电效应和逆压电效应，利用压电材料做成的压电器件可以用作传感器、驱动器、变压器或其它类型的换能器。

中国发明专利CN1707934B公开了一种具有金属芯的压电陶瓷纤维，该压电陶瓷纤维形成为细长的线状结构，其中金属芯位于中心位置，压电材料环绕在金属芯周围，压电材料的表面布置有电极。虽然该专利压电陶瓷纤维的结构形状包括二维正弦结构和三维螺旋结构，但是，其并未公开金属电极的具体分布形式，更未公开该压电陶瓷纤维的制备方法。

中国发明专利申请CN101217179A公开了一种含有金属芯的压电陶瓷纤维，其纤维的形状是直线形的。中国发明专利CN100592543C也公开了一种部分涂布电极的含有金属芯的压电陶瓷纤维，其纤维的形状也是直线形的。此外，中国发明专利申请CN101318828还公开了一种含有金属芯的压电陶瓷纤维的制备方法及其挤压成型装置，通过挤压装置挤压出直线形状的含金属芯压电陶瓷纤维胚体后，烧结成型。

含金属芯压电纤维的金属芯可以用作一个电极，纤维表面的金属层可以用作另一个电极，这样，单根含金属芯压电纤维就可以用作传感器或驱动器。现有的含金属芯压电纤维中，直线形状的不能用作弹簧；表面全部涂布电极的二维正弦结构、空间螺旋结构的含金属芯压电纤维在用作弹簧时，当外加电压后，压电材料只能沿含金属芯压电纤维的延伸方向伸缩，弹簧的变形很小；且由于纤维的直径较小，含金属芯压电纤维作为驱动器使用时，产生的驱动位移和驱动力都比较小，驱动能力有限；当弹簧受到压缩时，由于其结构特点，在电极上无法产生电荷，限制了其作为传感元件的使用范围。

有鉴于此，需要提供一种新型的弹簧形式的含金属芯的压电棒，也可以称之为“含芯压电棒弹簧”。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种分布电极式含芯压电弹簧，以克服现有技术的上述缺陷，该分布电极式含芯压电弹簧能够有效地实现动能、电能和弹性变形能之间相互转化，从而具有显著改善的驱动能力，并有效扩大其作为传感元件的使用范围。

上述目的通过如下技术方案实现：分布电极式含芯压电棒弹簧，该分布电极式含芯压电棒弹簧是由含芯压电棒绕制而成的弹簧，其中所述含芯压电棒包括位于中心位置的导电芯棒和包裹在该导电芯棒上的压电材料，该压电材料的表面上部分地涂布至少一个金属电极。

选择地，所述弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧、不等节距圆柱螺旋弹簧、多股螺旋弹簧、圆柱螺旋拉伸弹簧、圆柱螺旋扭转弹簧、圆锥螺旋弹簧、抛物线形螺旋弹簧、中凹形螺旋弹簧、中凸形螺旋弹簧、组合螺旋弹簧、非圆形螺旋弹簧、平面涡卷弹簧或平面波形弹簧。

具体地，所述至少一个金属电极各自在所述压电材料的表面上沿所述含芯压电棒的延伸方向连续延伸。

优选地，所述至少一个金属电极包括两个或两个以上的偶数个金属电极，并且对称涂布所述压电材料的表面上。

具体地，所述至少一个金属电极包括多个金属电极，该多个金属电极在所述压电材料的表面上沿所述含芯压电棒的延伸方向依次间隔布置。

选择地，所述导电芯棒的材料为金属材料，该导电芯棒的横截面为圆形、椭圆形、长圆形、卵形或多边形。

选择地，所述压电材料为压电单晶、压电陶瓷、聚偏氟乙烯和压电复合材料中的一种或者两种以上的组合物。

选择地，所述分布电极式含芯压电棒弹簧的横截面呈圆形、椭圆形、长圆形、卵形或多边形。

通过上述技术方案，本发明的分布电极式含芯压电弹簧可以实现传统的压电元件的驱动和传感功能，其可以用作驱动器、传感器、变压器以及换能器等，尤其可以实现较大位移的执行驱动功能，克服了现有的含金属芯压电棒的应用缺陷，从而具有显著改善的驱动能力，并有效地扩大其作为传感元件的使用范围。

附图说明

图1为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒的第一种实施方式的横截面剖视图。

图2为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒的第二种实施方式的横截面剖视图。

图3为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒的第三种实施方式的横截面剖视图。

图4为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒的第四种实施方式的横截面剖视图。

图5为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒的第五种实施方式的横截面剖视图。

图6为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒的第六种实施方式的电极分布立体图。

图7为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的一种形状结构示意图。

图8为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的另一种形状结构示意图。

图9为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的另一种形状结构示意图。

图10为本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的又一种形状结构的主视示意图。

图11为图10所示的分布电极式含芯压电棒弹簧的侧视示意图。

图12为本发明的分布电极式含芯压电棒弹簧的又一种形状结构的俯视示意图。

图13为本发明的分布电极式含芯压电棒弹簧的又一种形状结构的主视示意图。

图14为图13所示的分布电极式含芯压电棒弹簧的俯视示意图。

图15为图1所示截面的含芯压电棒绕制成图7所示结构形状的分布电极式含芯压电棒弹簧的工作原理图。

图16为图1所示截面的含芯压电棒绕制成图7所示结构形状的分布电极式含芯压电棒弹簧的的轴向位移和所加电压的关系示意图。

图中：1导电芯棒；2压电材料；3金属电极。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的具体实施方式。

首先描述用于绕制本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒的结构，图1至图5显示了所述含芯压电棒的多种截面形式。

实施例1

如图1所示，用于绕制本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒包括导电芯棒1、压电材料2和金属电极3，导电芯棒1处于中心位置，导电芯棒1的横截面呈圆形，当然也可以是其它形状，压电材料2均匀地包裹在导电芯棒1上，压电材料2的表面涂布有一个金属电极3，该金属电极3布满压电材料2外周面的一半。

实施例2

如图2所示，用于绕制分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒包括导电芯棒1、压电材料2和金属电极3；圆形导电芯棒1处于中心位置（当然，导电芯棒1的截面也可以是其它形状），压电材料2均匀地包裹在导电芯棒1上，压电材料2的表面对称地涂布有二个金属电极3。

实施例3

如图3所示，用于绕制分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒包括导电芯棒1、压电材料2和金属电极3；圆形导电芯棒1处于中心位置，压电材料2均匀地包裹在导电芯棒1上，压电材料2的表面上对称地涂布有四个金属电极3。

实施例4

如图4所示，用于绕制分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒包括导电芯棒1、压电材料2和金属电极3；方形导电芯棒1处于中心位置，压电材料2均匀地包裹在导电芯棒1上，压电材料2的表面对称地涂布有四个金属电极3。

实施例5

如图5所示，用于绕制分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒包括导电芯棒1、压电材料2和金属电极3；片状或薄膜导电芯棒1处于中间位置，边缘和压电材料2的表面平齐，压电材料2的表面对称地涂布有二个金属电极3。或在压电材料2的表面一侧涂布有一个金属电极3。

实施例6

如图6所示，用于绕制分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒包括导电芯棒1、压电材料2和金属电极3；圆形导电芯棒1处于中心位置，压电材料2均匀地包裹在导电芯棒1上，压电材料2的部分表面涂布有多个电极3，该多个电极3沿含芯压电棒的延伸方向间隔布置。

以下描述通过上述实施例的含芯压电棒绕制成的分布电极式含芯压电棒弹簧，图7至图14显示了本发明分布电极式含芯压电棒弹簧的多种结构形状。

实施例7

如图7所示，该分布电极式含芯压电棒弹簧由上述形式的含芯压电棒绕制成圆柱螺旋弹簧，该圆柱螺旋弹簧的各圈之间具有间隙，其作为传感器时主要用来测量轴向伸缩载荷，作为驱动器时可以产生轴向的伸缩变形。

实施例8

如图8所示，该分布电极式含芯压电棒弹簧由上述形式的含芯压电棒绕制成圆柱螺旋弹簧，该圆柱螺旋弹簧的各圈之间依次邻接（即相邻的簧圈之间不存在间隙或间隙微小），其作为传感器时主要用于测量拉伸载荷，作为驱动器时可以产生轴向的伸长变形。

实施例9

如图9所示，该分布电极式含芯压电棒弹簧由上述形式的含芯压电棒绕制成圆锥螺旋弹簧，该圆锥螺旋弹簧的各圈之间具有间隙，其作为传感器时主要用于测量压缩载荷，作为驱动器时可以产生轴向的伸缩变形。

实施例10

如图10和图11所示，该分布电极式含芯压电棒弹簧由上述形式的含芯压电棒绕制成圆柱螺旋扭转弹簧，其作为传感器时主要用于测量扭转载荷，用作驱动器时可以产生扭转变形。

实施例11

如图12所示，该分布电极式含芯压电棒弹簧由上述形式的含芯压电棒绕制成平面涡卷弹簧，其作为传感器时主要用于测量扭转载荷，作为驱动器时可以产生扭转变形。

实施例12

如图13和图14所示，该分布电极式含芯压电棒弹簧由上述形式的含芯压电棒绕制成方形螺旋弹簧，该方形螺旋弹簧的各圈之间具有间隙，其作为传感器时主要用于测量轴向伸缩载荷，作为驱动器时可以产生轴向的伸缩变形。

此外，为帮助本领域技术人员更直观地理解本发明的技术方案以及效果，可以以图1所示截面的含芯压电棒绕制成图7所示结构形状的分布电极式含芯压电棒弹簧为例，图15和图16分别显示了该分布电极式含芯压电棒弹簧的工作原理图以及轴向位移和所加电压的关系示意图。由图15和图16可以看出，该分布电极式含芯压电棒弹簧作为传感器时可以用来测量轴向伸缩载荷，作为驱动器时能够随着外加电压的增加而能够按照线性关系产生显著的轴向伸缩变形。

由上描述可见，本发明提供了一种由含芯压电棒绕制成弹簧形式的分布电极式含芯压电棒弹簧，该分布电极式含芯压电棒弹簧的部分表面上涂布有至少一个金属电极，具体地，用于绕制该分布电极式含芯压电棒弹簧的含芯压电棒其包括位于中心位置的导电芯棒、包覆导电芯棒的压电材料和涂布在压电材料部分外表面上的至少一个金属电极，该至少一个金属电极可以沿含芯压电棒的延伸方向涂布在压电材料的表面，或沿含芯压电棒的延伸方向不连续地间断地布置在压电材料的表面上；从本技术方案分布电极式含芯压电弹簧的外形结构来看，其是由部分表面涂布有至少一个金属电极的含芯压电棒绕制成弹簧形状，具体地，弹簧形状可以是上述实施例中列举类型的弹簧形状，当然并不限于此，其可以是各种类型的弹簧形状，例如圆柱螺旋压缩弹簧、不等节距圆柱螺旋弹簧、多股螺旋弹簧、圆柱螺旋拉伸弹簧、圆柱螺旋扭转弹簧、圆锥螺旋弹簧、抛物线形螺旋弹簧、中凹形螺旋弹簧、中凸形螺旋弹簧、组合螺旋弹簧、非圆形螺旋弹簧、平面涡卷弹簧和平面波形弹簧等。现有的呈平面正弦结构或空间螺旋结构的含金属芯的压电纤维，其表面全部涂布电极，外加电压后，压电材料只能沿金属芯的延伸方向伸缩，整个结构的变形较小；而本技术方案的分布电极式含芯压电棒弹簧中的金属电极未完全覆盖压电材料的表面，在其表面留有未涂布部分，这样，当在导电芯棒和外层电极上施加电压时，压电材料表面覆盖电极部分，内部有电场分布，由于压电效应，将沿所述含芯压电棒的延伸方向产生伸长或缩短；而表面没有覆盖金属电极的压电材料和导电芯棒由于没有压电效应，将抵制这种伸长或缩短，他们共同作用的结果，将使纤维产生弯曲变形，整个弹簧根据其具体结构，将表现为沿轴线方向的伸缩，或产生扭转变形。这与现有技术的表面全部涂布电极的平面正弦结构或空间螺旋结构的含金属芯压电纤维相比，变形较大，驱动性能有很大提高。

从实验情况来看，只要涂布金属电极覆盖压电材料表面的一部分即可实现较大的驱动位移；一般地，多个电极对称地分布在压电材料表面，即从压电棒的剖视方向来看，多个涂布电极呈轴向对称，并沿着压电棒长度方向延伸。

本技术方案的分布电极式含芯压电棒弹簧中，导电芯棒一般选用金属材料，例如铂金、金、钼和钨中的一者或两者以上的合金。导电芯棒1的材料也可以为其它导电材料，导电芯棒的横截面可以为圆形、椭圆形、长圆形、卵形或多边形，或整个导电芯棒呈片状或薄膜。压电材料2可以为压电单晶、压电陶瓷、聚偏氟乙烯（PVDF）和压电复合材料中的一种或者两种以上的组合物。

一般地，本技术方案的分布电极式含芯压电棒弹簧的截面可以呈圆形，也可以根据实际应用场合的需要为椭圆形、长圆形、卵形或多边形。

本发明的分布电极式含芯压电弹簧可以实现传统的压电元件的驱动和传感功能，其可以用作驱动器、传感器、变压器以及换能器等，尤其可以实现较大位移的执行驱动功能，克服了现有的含金属芯压电纤维的应用缺陷。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，可以通过任何合适的方式进行任意组合，其同样落入本发明所公开的范围之内。同时，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。此外，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由权利要求限定。

Claims (10)

1.分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，该分布电极式含芯压电棒弹簧是由含芯压电棒绕制而成的弹簧，其中所述含芯压电棒包括位于中心位置的导电芯棒（1）和包裹在该导电芯棒（1）上的压电材料（2），该压电材料的表面上部分地涂布至少一个金属电极（3）。

2.根据权利要求1所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述弹簧为圆柱螺旋压缩弹簧、不等节距圆柱螺旋弹簧、多股螺旋弹簧、圆柱螺旋拉伸弹簧、圆柱螺旋扭转弹簧、圆锥螺旋弹簧、抛物线形螺旋弹簧、中凹形螺旋弹簧、中凸形螺旋弹簧、组合螺旋弹簧、非圆形螺旋弹簧、平面涡卷弹簧或平面波形弹簧。

3.根据权利要求1所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述至少一个金属电极（3）各自在所述压电材料的表面上沿所述含芯压电棒的延伸方向连续延伸。

4.根据权利要求3所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述至少一个金属电极（3）包括两个或两个以上的偶数个金属电极，并且对称涂布所述压电材料的表面上。

5.根据权利要求1所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述至少一个金属电极（3）包括多个金属电极，该多个金属电极在所述压电材料的表面上沿所述含芯压电棒的延伸方向依次间隔布置。

6.根据权利要求1所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述导电芯棒（1）的材料为金属材料，该导电芯棒的横截面为圆形或椭圆形或长圆形或卵形或多边形，或该导电芯棒为片状或薄膜。

7.根据权利要求1所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述压电材料（2）为压电单晶、压电陶瓷、聚偏氟乙烯和压电复合材料中的一种或者两种以上的组合物。

8.根据权利要求1所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述分布电极式含芯压电棒弹簧的横截面呈圆形、椭圆形、长圆形、卵形或多边形。

9.根据权利要求6所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述片状或薄膜导电芯棒的边缘和压电材料的表面平齐，但是不和压电材料表面电极接触，压电材料位于片状或薄膜导电芯棒的两侧或一侧。

10.根据权利要求9所述的分布电极式含芯压电棒弹簧，其特征是，所述压电材料只位于片状或薄膜导电芯棒一侧，片状或薄膜导电芯棒的厚度大于或小于压电材料表面电极的厚度。

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