CN103199733B - 压电驱动器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电驱动器及其制造方法，其中，压电驱动器包括长方片形的压电片，所述压电片的极化方向为所述压电片的厚度方向；沿所述压电片厚度方向的不同表面上分别设置有驱动电极层和接地电极层；所述驱动电极层沿长度方向设置有多个电极区域，所述多个电极区域相互之间电隔离；所述压电片长度方向的一端为固定端部，另一端为自由端部，通过控制每个所述电极区域的驱动电压通断，控制所述压电片的自由端部产生线性弯曲位移。本发明无需建立复杂的迟滞模型和闭环反馈系统，便有效的克服了现有压电驱动器存在的非线性和迟滞特性，简化了压电驱动器驱动控制电路的复杂度，降低了压电驱动器的应用成本，并提高了其可靠性。

Description

压电驱动器及其制造方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术，尤其涉及一种压电驱动器及其制造方法。

背景技术

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）技术是20世纪80年代发展起来的前沿性、多学科交叉的高科技技术。MEMS是集微机械与微电子功能于一体的微型机电器件或系统，主要由微传感器、微执行器、微电路和电源等组成。MEMS通常具有获取信息、信息处理与控制及致动操作等功能。相对于常规机电系统而言，MEMS具有体积小、质量轻、能耗低、响应快、智能化和可大批量生产等特点。

基于逆压电效应的压电驱动器是一种理想的微位移新型固态执行器，具有尺寸小、位移分辨率高、频率响应好、能耗低、无噪声、不受电磁干扰等特点，非常适用于精确定位、小负载、大转矩、高精度的机械装置，特别是在激光通讯、生物工程、纳米加工、自动控制、机器人等高新技术领域，发挥着越来越重要的作用。然而，由于压电驱动器固有的非线性和迟滞特性在很大程度上限制了其控制精度和可靠性。

现有技术为解决压电驱动器的非线性和迟滞特性，往往需要建立复杂的迟滞模型和闭环反馈系统，成本高且可靠性差。

发明内容

本发明提供一种压电驱动器及其制造方法，以降低压电驱动器的应用成本，并提高其可靠性。

本发明提供一种压电驱动器，其中，包括：

长方片形的压电片，所述压电片的极化方向为所述压电片的厚度方向；

沿所述压电片厚度方向的不同表面上分别设置有驱动电极层和接地电极层；

所述驱动电极层沿长度方向设置有多个电极区域，所述多个电极区域相互之间电隔离；

所述压电片长度方向的一端为固定端部，另一端为自由端部，通过控制每个所述电极区域的驱动电压通断，控制所述压电片的自由端部产生线性弯曲位移。

本发明还提供一种压电驱动器制造方法，其中，包括：

制备长方片形的压电片，所述压电片采用预设的长宽比；

在所述压电片沿厚度方向的两个表面分别设置电极，沿所述压电片厚度方向对所述压电片进行极化；

将所述压电片的一个表面按照预设的电极区域数量和电极区域长度标记分离线，并将分离线上的电极打磨掉，形成多个电隔离的电极区域。

本发明提供了一种压电驱动器及其制造方法，通过在压电片上设置多个相互之间电隔离的电极区域，使得通过控制每个电极区域的驱动电压的通断，控制压电片的自由端部产生线性弯曲位移。本发明提供的压电驱动器及其制造方法，无需建立复杂的迟滞模型和闭环反馈系统，便有效的克服了现有压电驱动器存在的非线性和迟滞特性，简化了压电驱动器驱动控制电路的复杂度，降低了压电驱动器的应用成本，并提高了其可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的压电驱动器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的压电驱动器在驱动电压作用下的弯变形示意图；

图3为本发明实施例提供的压电驱动器所测得的数字编码-弯曲位移图；

图4为本发明实施例提供的压电驱动器的结构和驱动控制电路示意图；

图5为本发明实施例提供的压电驱动器的驱动控制电路中可控开关电路示意图；

图6为本发明实施例提供的第一种压电驱动器制造方法流程示意图；

图7为本发明实施例提供的第二种压电驱动器制造方法流程示意图。

附图标记：

1-压电片；    11-驱动电极层；   12-接地电极层；

13-固定端部； 14-自由端部。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的压电驱动器的结构示意图；图2为本发明实施例提供的压电驱动器在驱动电压作用下的弯变形示意图；图3为本发明实施例提供的压电驱动器所测得的数字编码-弯曲位移图。结合图1、图2、图3所示，本实施例的压电驱动器包括长方片形的压电片1，压电片1的极化方向为压电片1的厚度方向，沿压电片1厚度方向的不同表面上分别设置有驱动电极层11和接地电极层12，驱动电极层11沿长度方向设置有多个电极区域，多个电极区域相互之间电隔离；压电片1长度方向的一端为固定端部13，另一端为自由端部14，通过控制每个电极区域的驱动电压通断，控制压电片1的自由端部14产生线性弯曲位移。

每个电极区域均加载有同一驱动电压，每个电极区域的驱动电压可以独立控制其通断，各电极区域在驱动电压的作用下产生弯曲变形，进而在自由端部14产生叠加的弯曲位移。采用数字编码0和1表示各电极区域的驱动电压的通断状态，0表示驱动电压的断开，1表示驱动电压的导通，用n位二进制值表示n个电极区域的驱动电压的通断状态的组合，其中，按从右至左的顺序，n位二进制值的位依次表示从自由端部14至固定端部13对应的电极区域，按照n位二进制值控制n个电极区域的驱动电压的通断状态，使得自由端部14的弯曲位移随n位二进制值的增大而线性增大。

电极区域的数量可以依据实际需要设定，在驱动电压值大小一定的条件下，电极区域的数量越多，控制的位移步长也越小，其中，位移步长可以通过调节驱动电压的大小来调节。

以3个电极区域为例，如图1所示，驱动电极层11设置有3个电极区域，分别为第一电极区域111、第二电极区域112和第三电极区域113，第一电极区域111位于自由端部14，第三电极区域113位于固定端部13，如图2所示，可以用三位二进制值表示3个电极区域的驱动电压的通断状态的组合，1表示电极区域通电，0表示电极区域断电。其中，按从右至左的顺序，三位二进制值第一位表示第一电极区域111的通断状态，第二位表示第二电极区域112的通断状态，第三位表示第三电极区域113的通断状态，A表示二进制值为000（数字编码值0）时压电驱动器的变形状态，B表示二进制值为001（数字编码值1）时压电驱动器的变形状态，C表示二进制值为010（数字编码值2）时压电驱动器的变形状态，D表示二进制值为011（数字编码值3）时压电驱动器的变形状态，E表示二进制值为100（数字编码值4）时压电驱动器的变形状态，F表示二进制值为101（数字编码值5）时压电驱动器的变形状态，G表示二进制值为110（数字编码值6）时压电驱动器的变形状态，H表示二进制值为111（数字编码值7）时压电驱动器的变形状态。

如图3所示，其中横坐标表示数字编码值，纵坐标表示弯曲位移，可以看出，压电片1的自由端部14的弯曲位移与数字编码值呈很好的线性关系，不存在现有压电驱动器的滞后回线，可以确定，本发明实施例的压电驱动器在保证弯曲位移的线性度和精度的条件下，可采用数字编码值（对应二进制值）进行开环控制，与现有技术相比，不需采用复杂的控制模型及闭环控制电路。

本发明提供的压电驱动器，通过在压电片上设置多个相互之间电隔离的电极区域，使得通过控制每个电极区域的驱动电压的通断，控制压电片的自由端部产生线性弯曲位移。本发明提供的压电驱动器，无需建立复杂的迟滞模型和闭环反馈系统，便有效的克服了现有压电驱动器存在的非线性和迟滞特性，简化了压电驱动器驱动控制电路的复杂度，降低了压电驱动器的应用成本，并提高了其可靠性。

在上述实施例基础上，优选的是，压电片1的长宽比为L/B，且长宽比大于或等于

每个电极区域的长度为：

$l_i=\frac{\sqrt{2^i-1}-\sqrt{2^{i-1}-1}}{\sqrt{2^n-1}}L(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n)$

其中，L为压电片1的长度，B为压电片1的宽度，n为电极区域的数量，i为电极区域的编号，编号为从自由端部14向固定端部13方向列举电极区域的序号。

具体的，以3个电极区域为例，n=3，如图1所示，电极区域111的长度电极区域112的长度和电极区域113的长度 $l_3=\frac{\sqrt{7}-\sqrt{3}}{\sqrt{7}}L\·$

压电片1设置成上述优选的长宽比，且在驱动电极层11上设置多个相互之间电隔离的电极区域时，每个电极区域设置成上述优选的长度，可以实现压电片1的自由端部14的弯曲位移与数字编码值的线性关系到达最佳。

在上述实施例基础上，优选的是，压电片1的数量为两个，且两个压电片1按同一极化方向层叠设置；接地电极层12的数量为两个，且分别设置于两个压电片1的对接面上，电极区域为沿两个压电片厚度方向对应设置的电极区域对。

图4为本发明实施例提供的压电驱动器的结构和驱动控制电路示意图，如图4所示，本实施例的压电驱动器由两个压电片1粘接而成，且两个压电片1均沿厚度方向极化，按同一极化方向层叠设置，两个接地电极层12分别设置于两个压电片1各自的对接面，驱动电极层11沿长度方向设置有3个相互之间电隔离的第一电极区域111、第二电极区域112和第三电极区域113，第一电极区域111为第一电极区域对，第一电极区域对包括第一上电极区域111a和第一下电极区域111b，第二电极区域112为第二电极区域对，第二电极区域对包括第二上电极区域112a和第二下电极区域112b，第三电极区域113为第三电极区域对，第三电极区域对包括第三上电极区域113a和第三下电极区域113b，每个电极区域对的上电极区域均设置于压电驱动器上表面，每个电极区域对的下电极区域均设置于压电驱动器下表面，且每个电极区域对的上电极区域和下电极区域相互对应且长度相等，例如，第一电极区域对的第一上电极区域111a与第一下电极区域111b相互对应且长度相等。

以压电驱动器极化方向为沿压电片厚度向上为例，通过在驱动电极层加载高电压和接地电极层接地为两个压电片加载驱动电压后，施加在上层压电片的电场方向与极化方向相反，电场使极化强度减小，上层压电片沿厚度产生缩短变形，且沿长度产生拉伸变形；施加在下层压电片的电场方向与极化方向相同，电场使极化强度增大，则下层压电片沿厚度产生伸长变形，且沿长度产生缩短变形，由此可见，在相同驱动电压作用时，压电驱动器通过上下层压电片分别伸长和缩短的组合变形，可以使自由端部输出较大的弯曲位移。

在上述实施例的基础上，优选的是，压电驱动器还包括夹设于与两个压电片1之间的弹性片，弹性片可以具有多种用途，弹性片可以增强接地电极层各个区域的导通性，此外，弹性片的长度可以长于压电片的长度，可以将弹性片的自由端部作为弯曲位移的输出端，以输出比压电片自由端部更大的弯曲位移。

此外，在实际应用上，可以根据需要输出的弯曲位移选择压电片的数量，在不需要输出较大的弯曲位移时，压电驱动器可以选择通过一个压电片和一个弹性片的变形输出弯曲位移。

在上述实施例的基础上，优选的是，压电片1为由压电陶瓷材料或者压电单晶材料制备得到的压电片。

图5为本发明实施例提供的压电驱动器的驱动控制电路中可控开关电路示意图，在上述实施例的基础上，优选的是，压电驱动器还包括驱动控制电路，驱动控制电路包括多个并联的加载子电路，每个加载子电路与一个电极区域连接，用于为各电极区域提供驱动电压，加载子电路与电极区域的数量相同；加载子电路上接有可控开关，用于根据控制信号控制加载子电路的导通或关断，电极区域均通过独立的控制信号控制加载驱动电压。

以电极区域为3个，且电极区域为电极区域对为例，如图4、图5所示，驱动电极层11沿长度方向设置有3个相互之间电隔离的第一电极区域对，第二电极区域对，第三电极区域对，每个电极区域对都有独立的加载子电路为其提供驱动电压，驱动电压可以为100V-200V，每个电极区域对中的上电极区域和下电极区域并联加载，各加载子电路都通过同一电源端口210与电源连接，每个加载子电路上接有可控开关。依据第一控制信号301控制第一可控开关221的导通或关断，进而控制第一电极区域对加载或不加载驱动电压；依据第二控制信号302控制第二可控开关222的导通或关断，进而控制第二电极区域对加载或不加载驱动电压；依据第三控制信号303控制第三可控开关223的导通或关断，进而控制第三电极区域对加载或不加载驱动电压。

此外，还可以在加载子电路上设置用于消除电极区域对的残留电荷的电阻，以第一电极区域对为例，当可控开关处于关断状态时，第一上电极区域111a和第一下电极区域111b还有电荷残留，可以在加载子电路上设置第一电阻231，第一电阻231一端同时与第一上电极区域111a和第一下电极区域111b连通，另一端接地，通过第一电阻231消除第一上电极区域111a和第一下电极区域111b的残留电荷，同理，第二电极区域对的加载子电路可以设置有第二电阻232，第三电极区域对的加载子电路可以设置有第三电阻233。

在上述实施例的基础上，优选的是，可控开关为固态继电器，固态继电器根据其控制输入端口输入的数字信号，控制加载子电路的导通或关断。

第一可控开关221、第二可控开关222和第三可控开关223可以为固态继电器，固态继电器具有寿命长、可靠性高、灵敏度高、切换速度快、电磁干扰小等优点，固态继电器的第一控制信号301、第二控制信号302和第三控制信号303为数字信号，可以为5V的TTL电平，也可以为24V的PLC电平。

本发明还提供一种压电驱动器制造方法，图6为本发明实施例提供的第一种压电驱动器制造方法流程示意图。如图6所示，本实施例压电驱动器制造方法包括如下步骤：

步骤101、制备长方片形的压电片，所述压电片采用预设的长宽比；

步骤102、在所述压电片沿厚度方向的两个表面分别设置电极，沿所述压电片厚度方向对所述压电片进行极化；

步骤103、将所述压电片的一个表面按照预设的电极区域数量和电极区域长度标记分离线，并将分离线上的电极打磨掉，形成多个电隔离的电极区域。

本实施例中，可以将压电材料剪裁成采用预设长宽比的长方片形，也可将压电材料直接制成采用预设长宽比的长方片形，压电片可以由压电陶瓷材料或者压电单晶材料制备得到的，也可以根据实际使用选用其余压电材料。

在压电片沿厚度方向的两个表面设置的电极均为银电极，且压电片的银电极可通过焙烧的方式制备得到，利用该两个电极在高温下对压电片进行高电压极化，使得压电片的极化方向为压电片厚度方向，其具体极化处理方式与传统压电驱动器极化方式类似，在此不再赘述。

优选的是，压电片的长宽比为L/B，且长宽比大于或等于且每个电极区域的长度为：

$l_i=\frac{\sqrt{2^i-1}-\sqrt{2^{i-}1}}{\sqrt{2^n-1}}L(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n)$

其中，L为压电片1的长度，B为压电片1的宽度，n为电极区域的数量，i为电极区域的编号，编号为从自由端部14向固定端部13方向列举电极区域的序号。

具体的，以3个电极区域为例，n=3，如图1所示，电极区域111的长度电极区域112的长度和电极区域113的长度 $l_3=\frac{\sqrt{7}-\sqrt{3}}{\sqrt{7}}L\·$

本发明提供的压电驱动器制造方法可用于制造上述实施例提供的压电驱动器，以使得上述实施例提供的压电驱动器达到其技术效果，在此不再赘述。

图7为本发明实施例提供的第二种压电驱动器制造方法流程示意图。本实施例基于上述实施例实现，如图7所示，本实施例的压电驱动器制造方法在步骤103之前还包括：

步骤201、将极化后的两个所述压电片按同一极化方向粘接在一起。

进一步，本实施例的压电驱动器制造方法的步骤103具体为：

步骤202、将粘接后的两个所述压电片的上、下表面分别按照预设的电极区域数量和电极区域长度标记分离线，并将分离线上的电极打磨掉，两个所述压电片上表面的多个所述电极区域对应两个所述压电片下表面的多个所述电极区域，形成多个电隔离的电极区域对。

更进一步，本实施例的压电驱动器制造方法在步骤202之后还包括：

步骤203、用导线分别引出每个所述电极区域对上、下表面的电极区域，并用导线引出两个所述压电片粘合面的电极。

本实施例中，两个压电片可以使用环氧树脂粘接，电极区域对的导线可以采用将导线直接焊接到电极区域表面上，在两个压电片粘合面周边没有涂有环氧树脂的缝隙中，采用导电环氧树脂将引出粘合面电极的导线与上、下层压电片的接地电极层连通。

此外，还可以在两个压电片之间粘接一层弹性片，引出粘合面电极的导线可以采用导电环氧树脂粘接至两个压电片之间的弹性片。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种压电驱动器，其特征在于，包括：

长方片形的压电片，所述压电片的极化方向为所述压电片的厚度方向；

沿所述压电片厚度方向的不同表面上分别设置有驱动电极层和接地电极层；

所述驱动电极层沿长度方向设置有多个电极区域，所述多个电极区域相互之间电隔离；

所述压电片长度方向的一端为固定端部，另一端为自由端部，通过控制每个所述电极区域的驱动电压通断，控制所述压电片的自由端部产生线性弯曲位移；

其中，所述压电片的长宽比为L/B，且长宽比大于或等于

每个所述电极区域的长度为：

$l_i=\frac{\sqrt{2^i-1}-\sqrt{2^{i-1}-1}}{\sqrt{2^n-1}}L,(i=\mathrm{1,2},...,n)$

其中，L为所述压电片的长度，B为所述压电片的宽度，n为所述电极区域的数量，i为所述电极区域的编号，所述编号为从所述自由端部向所述固定端部方向列举所述电极区域的序号。

2.根据权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电片的数量为两个，且两个所述压电片按同一极化方向层叠设置；

所述接地电极层的数量为两个，且分别设置于两个所述压电片的对接面上，所述电极区域为沿所述两个压电片厚度方向对应设置的电极区域对。

3.根据权利要求2所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器还包括夹设于与两个所述压电片之间的弹性片。

4.根据权利要求2所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电片为由压电陶瓷材料或者压电单晶材料制备得到的压电片。

5.根据权利要求1-4任一项所述的压电驱动器，其特征在于，还包括驱动控制电路；

所述驱动控制电路包括多个并联的加载子电路，每个所述加载子电路与一个所述电极区域连接，用于为各所述电极区域提供驱动电压，所述加载子电路与所述电极区域的数量相同；

所述加载子电路上接有可控开关，用于根据控制信号控制所述加载子电路的导通或关断。

6.根据权利要求5所述的压电驱动器，其特征在于，所述可控开关为固态继电器，所述固态继电器根据其控制输入端口输入的数字信号，控制所述加载子电路的导通或关断。

7.一种压电驱动器的制造方法，其特征在于，包括：

制备长方片形的压电片，所述压电片采用预设的长宽比；

在所述压电片沿厚度方向的两个表面分别设置电极，沿所述压电片厚度方向对所述压电片进行极化；

将所述压电片的一个表面按照预设的电极区域数量和电极区域长度标记分离线，并将分离线上的电极打磨掉，形成多个电隔离的电极区域。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述将所述压电片的一个表面按照预设的电极区域数量和电极区域长度标记分离线，并将分离线上的电极打磨掉，形成多个电隔离的电极区域之前还包括：

将极化后的两个所述压电片按同一极化方向粘接在一起；

所述将所述压电片的一个表面按照预设的电极区域数量和电极区域长度标记分离线，并将分离线上的电极打磨掉，形成多个电隔离的电极区域具体为：

将粘接后的两个所述压电片的上、下表面分别按照预设的电极区域数量和电极区域长度标记分离线，并将分离线上的电极打磨掉，两个所述压电片上表面的多个所述电极区域对应两个所述压电片下表面的多个所述电极区域，形成多个电隔离的电极区域对。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述将粘接后的两个所述压电片的上、下表面分别按照预设的电极区域数量和电极区域长度标记分离线，并将分离线上的电极打磨掉，两个所述压电片上表面的多个所述电极区域对应两个所述压电片下表面的多个所述电极区域，形成多个电隔离的电极区域对之后还包括：

用导线分别引出每个所述电极区域对上、下表面的电极区域，并用导线引出两个所述压电片粘合面的电极。