CN103595292A - 闭环控制的封装型压电陶瓷致动器及电阻应变片固定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环控制的封装型压电陶瓷致动器及电阻应变片固定方法，通过在压电陶瓷相对的两侧平面上设置电阻应变片，可以有效的消除压电陶瓷在位移输出时的迟滞和蠕变等非线性特性，保证压电陶瓷正常位移输出，提高输出精度。同时可将位移输出量通过电阻应变片进行反馈，实现闭环控制，使得致动器的整体结构简单紧凑，体积较小。通过将压电陶瓷设置于不锈钢套管的内部，不锈钢套管可有效保护压电陶瓷免受外界的震动、冲击和惯性力等，以提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性，保证压电陶瓷的使用寿命。

Description

闭环控制的封装型压电陶瓷致动器及电阻应变片固定方法

技术领域

本发明属于微驱动应用技术领域，具体涉及一种实现闭环控制的封装型压电陶瓷致动器及电阻应变片固定方法。

背景技术

目前，压电陶瓷致动器件所具有的优点已得到广泛的承认和应用。压电陶瓷是利用压电材料的逆压电效应来工作的，仅依靠外加电场的大小就能够实现驱动、压电陶瓷克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，具有体积小、结构紧凑、无机械摩擦、无间隙、分辨率高、响应快、无发热、不受磁场干扰、可在低温，真空度环境下使用等优点，被广泛应用于微定位技术中，例如物镜精密定位、大行程纳米对准系统、高精度显微纳米压印、主动减震、掩模与晶圆对准、光刻、光学干涉、光纤对接、亚纳米测量、光盘测试、光学测试、流体控制阀、声学仪器换能器、线性电动机和微波声学等领域，这种可控的精密微位移执行器必将在今后诸多技术领域中发挥难以估量的作用。但是，一方面由于压电陶瓷致动器为了实现较大的驱动范围均采用片层粘叠结构，而且是陶瓷类硬脆性材料，所以在使用中经常由于端面受力不均、侧面受剪切力、弯矩、扭矩、震动、冲击和惯性力等因素造成压电陶瓷的损坏，使得压电陶瓷的耗损率非常高。另一方面由于压电陶瓷存在的迟滞和蠕变等特性，导致在运动过程中位移的输出呈非线性，移动精度较差。

为了提高压电陶瓷的使用寿命，需对压电陶瓷进行封装处理，目前根据使用材料和封装方式的不同分为机械封装和柔性铰链封装两种方式对压电陶瓷进行封装。其中，采用柔性铰链封装压电陶瓷的方式存在一款专利“直驱式纳米级精密定位平台（专利号：201220411967.5），该定位平台包括：台体、顶丝、顶块、压电陶瓷、螺钉等，台体内开有凹槽并加工出柔性铰链，压电陶瓷装在凹槽内，压电陶瓷的一端及顶块的一端顶靠在台体凹槽一端，顶丝穿过台体顶靠在压电陶瓷的底端（对其进行预紧）。工作中压电陶瓷驱动柔性铰链实现微纳米定位。但此种结构体积较大，零件数目较多，对柔性铰链及工作台的加工精度要求较高。还例如“一种柔性微定位平台（专利号：201310103681.X）。

有鉴于此，有必要提出一种新型压电陶瓷致动器，以有效的消除压电陶瓷在位移输出时的迟滞和蠕变等非线性特性，提高输出精度，提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性，并实现位移输出的有效反馈，达到闭环控制的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种闭环控制的封装型压电陶瓷致动器及电阻应变片固定方法，以有效的消除压电陶瓷在位移输出时的迟滞和蠕变等非线性特性，提高输出精度，提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性，并实现位移输出的有效反馈，达到闭环控制的目的。

根据本发明的目的提出的一种闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，包括底座、套管、位于所述套管内部的压电陶瓷，以及设置于所述压电陶瓷上方的预紧装置，所述预紧装置与所述套管固定连接，所述压电陶瓷相对的两侧平面上设置有电阻应变片；

所述压电陶瓷的一端固定于所述底座上，另一端上固定连接有连接头，所述预紧装置中心位置处开有通孔，所述连接头的上端穿过所述通孔；

外加电场时，压电陶瓷依靠电场的大小实现驱动，继而带动连接头实现前后移动，与此同时，电阻应变片产生形变，继而发生电阻变化，将压电陶瓷的形变量进行反馈。

优选的，所述预紧装置为预紧弹簧，所述预紧弹簧固定于所述套管上。

优选的，所述预紧装置包括固定连接于所述套管上的预紧头，所述连接头的下端与所述预紧头之间设置有预紧弹簧。

优选的，所述预紧弹簧为碟形弹簧。

优选的，所述预紧头与所述套管螺纹旋接。

优选的，所述底座与所述套管可拆卸固定。

优选的，所述套管为不锈钢材料。

优选的，所述电阻应变片上连接有电极引线，所述压电陶瓷上连接有屏蔽线，所述套管下端开设有用于引出所述电极引线与屏蔽线的开口槽。

一种用于固定所述的电阻应变片的方法，具体步骤如下：

（一）、将压电陶瓷表面的热塑管剥落，然后采用打磨工具对压电陶瓷相对的两侧平面上待贴位置处进行打磨，去除压电陶瓷表面的污垢覆盖层，直至表面平整有光泽；

（二）、再用细砂布磨出与电阻应变片粘贴方向成30°-60°的条纹，以增强粘结力；

（三）、在压电陶瓷相对两侧平面上划出电阻应变片安装的准确位置；

（四）、用除垢棉蘸挥发性溶剂对两处贴片部位进行反复擦洗，直至除垢棉上见不到污垢为止；

（五）、待挥发性溶剂挥发后，在两处贴片位置滴粘合胶，将电阻应变片粘合上去并将粘合胶涂匀，待粘合胶初步固化后即可松开，电阻应变片固定于压电陶瓷的表面上；

（六）、最后将电极引线焊接固定于电阻应变片上。

优选的，步骤二中磨出的条纹与电阻应变片的粘贴方向呈45°。

与现有技术相比，本发明公开的闭环控制的封装型压电陶瓷致动器及电阻应变片固定方法的优点是：通过在压电陶瓷相对的两侧平面上设置电阻应变片，可以有效的消除压电陶瓷在位移输出时的迟滞和蠕变等非线性特性，保证压电陶瓷正常位移输出，提高输出精度。同时可将位移输出量通过电阻应变片进行反馈，实现闭环控制，使得致动器的整体结构简单紧凑，体积较小。通过将压电陶瓷设置于不锈钢套管的内部，不锈钢套管可有效保护压电陶瓷免受外界的震动、冲击和惯性力等，以提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性，保证压电陶瓷的使用寿命。

本发明在微纳操作、微小型机器人、生物微操作、光学以及精密驱动系统等领域因其结构微小、响应快、驱动力大、质量轻、驱动功率低和工作频率宽，不发热等优点而拥有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种闭环控制的封装型压电陶瓷致动器的结构示意图。

图2为内螺纹型连接头的结构示意图。

图3为平头型连接头的结构示意图。

图4为球头型连接头的结构示意图。

图5为外螺纹型连接头的结构示意图。

图6为电阻应变片的安装示意图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、底座  2、套管  3、压电陶瓷  4、电阻应变片  5、连接头  6、预紧弹簧  7、预紧头  8、开口槽  31、屏蔽线  41、电极引线  71、通孔

具体实施方式

现有技术中压电陶瓷致动器为了实现较大的驱动范围均采用片层粘叠结构，而且是陶瓷类硬脆性材料，易损坏，所以在使用中耗损率非常高。另一方面由于压电陶瓷存在的迟滞和蠕变等特性，导致在运动过程中位移的输出呈非线性，移动精度较差。目前一般采用对压电陶瓷进行封装的方式来提高压电陶瓷的使用寿命，其中有一款采用柔性铰链封装压电陶瓷的方式“直驱式纳米级精密定位平台（专利号：201220411967.5），但此种结构体积较大，零件数目较多，对柔性铰链及工作台的加工精度要求较高。

本发明针对现有技术中的不足，本发明提供了一种闭环控制的封装型压电陶瓷致动器及电阻应变片固定方法，以有效的消除压电陶瓷在位移输出时的迟滞和蠕变等非线性特性，提高输出精度，提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性，并实现位移输出的有效反馈，达到闭环控制的目的。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参见图1至图6，如图所示，一种闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，包括底座1、套管2、位于套管2内部的压电陶瓷3，以及设置于压电陶瓷3上方的预紧装置，预紧装置与套管2固定连接，压电陶瓷3相对的两侧平面上粘接有电阻应变片4。其中压电陶瓷为矩形结构，电阻应变片粘接在压电陶瓷3的两个相对的长侧面上，结构紧凑。

为了提高压电陶瓷位移输出的精度，需要对压电陶瓷的输出位移进行测量以此实现闭环控制。目前应用于微驱动领域的位移传感器有：电阻应变式位移传感器，电感式位移传感器，电容式位移传感器，双频激光干涉仪等。由于电阻应变式位移传感器结构简单，频响特性好，成本低，易于集成等特点，所以本发明采用此类传感器来实现对压电陶瓷的闭环控制。通过设置电阻应变片，有效的消除压电陶瓷在位移输出时的迟滞和蠕变等非线性特性，提高输出精度，提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性，并实现位移输出的有效反馈，达到闭环控制的目的。

压电陶瓷3的一端固定于底座1上，另一端上固定连接有连接头5，预紧装置中心位置处开有通孔71，连接头上端穿过通孔。外加电场时，压电陶瓷3依靠电场的大小实现驱动，继而带动连接头5实现前后微量移动。

预紧装置包括固定连接于套管2上的预紧头7，连接头5的下端与预紧头7之间设置有预紧弹簧6。通过设置预紧装置对压电陶瓷施加了一定预紧力，可以避免压电陶瓷受外部拉伸力的损坏。

其中，预紧弹簧为碟形弹簧。碟形弹簧缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷，适合于轴向空间要求小的场合。

预紧头7与套管2螺纹旋接。本发明中，可根据预紧头7的旋和松紧以及碟形弹簧使用的数量和不同组合方式（对合和叠合）来控制机械封装压电陶瓷预紧力的大小。

底座1与套管2可拆卸固定。具体固定方式可为螺纹旋接固定或卡接固定等，便于将底座与套管分离取放压电陶瓷。

套管2为不锈钢材料。保证压电陶瓷外部结构的强度。

电阻应变片4上连接有电极引线41，压电陶瓷3上连接有屏蔽线31，套管2下端开设有用于引出电极引线41与屏蔽线31的开口槽8。电极引线可将电阻应变片的变化量反馈给系统的控制部分，使得用户可清楚的知悉压电陶瓷的位移。

一种用于固定电阻应变片的方法，具体步骤如下：

（一）、将压电陶瓷表面的热塑管剥落，然后采用打磨工具对压电陶瓷相对两侧平面上待贴位置处进行打磨，去除压电陶瓷表面的污垢覆盖层，直至表面平整有光泽；其中打磨工具一般为锉刀、砂布等。

（二）、再用细砂布磨出与电阻应变片粘贴方向成30°-60°的条纹，以增强粘结力；其中条纹的方向与粘贴方向优选为呈45°。

（三）、在压电陶瓷相对两侧平面上划出电阻应变片安装的准确位置；主要采用直尺与划针进行操作。

（四）、用除垢棉蘸挥发性溶剂对两处贴片部位进行反复擦洗，直至除垢棉上见不到污垢为止；除垢棉一般可为洁净棉纱或脱脂棉球等，挥发性溶剂通常采用丙酮。

（五）、待挥发性溶剂挥发后，在两处贴片位置滴一点502胶，将电阻应变片粘合上去并将胶水涂匀，然后用镊子拨动电阻应变片，调整位置和角度。定位后，在电阻应变片上垫一层聚乙烯或四氟乙烯薄膜，用手指挤压出多余的胶水和气泡。待胶水初步固化后即可松开。粘贴好的电阻应变片应保证位置准确，粘结牢固、胶层均匀、无气泡和整洁干净。

（六）、最后采用电烙铁将电极引线焊接固定于电阻应变片的端子上。焊接要迅速，时间不能过长，焊点要求光滑，不能虚焊，多余的电极引线可剪断。

粘接固定好电阻应变片后，采用万用表检查应变片两引线间电阻是否良好，用热塑管将压电陶瓷和电阻应变片保护起，防止电阻应变片受潮。

此外，在粘接电阻应变片之前需先检测电阻应变片有无锈斑，缺陷，损坏，引线是否完好；检测电阻阻值，是否有断路和短路。并进行阻值分选，阻值相差不能超过±0.5。

带电阻应变片的压电陶瓷的封装步骤如下：

（一）、用环氧树脂胶将粘接有电阻应变片4的压电陶瓷3固定粘贴在底座1上，并保证压电陶瓷3垂直于底座1且置于中央。

（二）、将连接头5、预紧头7、预紧弹簧6、压电陶瓷3、套管2、底座1按如图1所示安装在一起。

（三）、用环氧树脂胶将预紧头7和底座1的螺纹部分分别与套管2的螺纹部分粘接在一起，然后根据所用预紧弹簧的数量和组合方式（对合和叠合）以及压电陶瓷3的刚度来调节预紧头7的旋和圈数来获得一定的预紧力，使得此结构能够抵抗一定的拉力。

（四）、用硅胶将屏蔽线31和电极引线41与底座1开口槽8处的缝隙填满。

（五）、检查此种封装型压电陶瓷的位移是否能够达到规定的要求，若不能则将预紧头2调松。

（六）、将位移已合格的封装型压电陶瓷进行固化处理，使得胶水完全凝固。

此外，预紧装置还可仅采用预紧弹簧，预紧弹簧固定于套管上。仅通过预紧弹簧对压电陶瓷进行预紧并限位。

本发明公开了一种闭环控制的封装型压电陶瓷致动器及电阻应变片固定方法，通过在压电陶瓷相对的两侧平面上设置电阻应变片，可以有效的消除压电陶瓷在位移输出时的迟滞和蠕变等非线性特性，保证压电陶瓷正常位移输出，提高输出精度。同时可将位移输出量通过电阻应变片进行反馈，实现闭环控制，使得致动器的整体结构简单紧凑，体积较小。通过将压电陶瓷设置于不锈钢套管的内部，不锈钢套管可有效保护压电陶瓷免受外界的震动、冲击和惯性力等，以提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性，保证压电陶瓷的使用寿命。

本发明在微纳操作、微小型机器人、生物微操作、光学以及精密驱动系统等领域因其结构微小、响应快、驱动力大、质量轻、驱动功率低和工作频率宽，不发热等优点而拥有广泛的应用前景。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，其特征在于，包括底座、套管、位于所述套管内部的压电陶瓷，以及设置于所述压电陶瓷上方的预紧装置，所述预紧装置与所述套管固定连接，所述压电陶瓷相对的两侧平面上设置有电阻应变片；

所述压电陶瓷的一端固定于所述底座上，另一端上固定连接有连接头，所述预紧装置中心位置处开有通孔，所述连接头的上端穿过所述通孔；

外加电场时，压电陶瓷依靠电场的大小实现驱动，继而带动连接头实现前后移动，与此同时，电阻应变片产生形变，继而发生电阻变化，将压电陶瓷的形变量进行反馈。

2.如权利要求1所述的闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，其特征在于，所述预紧装置为预紧弹簧，所述预紧弹簧固定于所述套管上。

3.如权利要求1所述的闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，其特征在于，所述预紧装置包括固定连接于所述套管上的预紧头，所述连接头的下端与所述预紧头之间设置有预紧弹簧。

4.如权利要求2或3所述的闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，其特征在于，所述预紧弹簧为碟形弹簧。

5.如权利要求3所述的闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，其特征在于，所述预紧头与所述套管螺纹旋接。

6.如权利要求1所述的闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，其特征在于，所述底座与所述套管可拆卸固定。

7.如权利要求1所述的闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，其特征在于，所述套管为不锈钢材料。

8.如权利要求1所述的闭环控制的封装型压电陶瓷致动器，其特征在于，所述电阻应变片上连接有电极引线，所述压电陶瓷上连接有屏蔽线，所述套管下端开设有用于引出所述电极引线与屏蔽线的开口槽。

9.一种用于固定权利要求1所述的电阻应变片的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（一）、将压电陶瓷表面的热塑管剥落，然后采用打磨工具对压电陶瓷相对的两侧平面上待贴位置处进行打磨，去除压电陶瓷表面的污垢覆盖层，直至表面平整有光泽；

（二）、再用细砂布磨出与电阻应变片粘贴方向成30°-60°的条纹，以增强粘结力；

（三）、在压电陶瓷相对两侧平面上划出电阻应变片安装的准确位置；

（四）、用除垢棉蘸挥发性溶剂对两处贴片部位进行反复擦洗，直至除垢棉上见不到污垢为止；

（五）、待挥发性溶剂挥发后，在两处贴片位置滴粘合胶，将电阻应变片粘合上去并将粘合胶涂匀，待粘合胶初步固化后即可松开，电阻应变片固定于压电陶瓷的表面上；

（六）、最后将电极引线焊接固定于电阻应变片上。

10.如权利要求9所述的用于固定电阻应变片的方法，其特征在于，步骤二中磨出的条纹与电阻应变片的粘贴方向呈45°。

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