CN104467517B - 压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于压电驱动技术领域，公开了一种压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法。压电复合管驱动装置包括基体管和套设于基体管的内侧壁或/和外侧壁且用于驱动基体管产生轴向变形的压电管。本发明所提供的压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法，提供了一种压电复合管驱动装置，压电管固定在薄壁基体管外层、内层或内外层，通过驱动该压电管而使基体管产生一定的轴向驱动力和位移量，从而构成一个独立的压电驱动器，具有重量轻、结构简单、制作方便、动态驱动效果好、承载力强、驱动力和位移量可灵活设计等优点，可满足各种微纳米精确定位系统、微振动主动控制及隔振系统等对驱动元件的不同需求，具有良好的通用性。

Description

压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法

技术领域

本发明属于压电驱动技术领域，尤其涉及一种压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法。

背景技术

压电驱动器具有响应速度快、能耗低等特点，广泛用作各类智能材料与结构中的驱动元件，特别适用于用作各类微振动主动控制及主动隔离系统中的驱动元件。

目前常用的压电驱动器主要有：压电片、压电堆以及一些专用压电驱动结构。其中，压电片是最简单的一类压电驱动器，可制作成长条形或圆柱形等几种，通常根据具体驱动要求，将其直接粘贴到相应的结构上，以实现驱动要求；压电堆是目前使用较多的一类压电驱动器，它通过将多片压电片叠加在一起而形成一个独立的压电驱动器件。现有技术中的压电驱动器，压电片驱动器的驱动力和位移量较弱，其应用与具体结构有关，应用场合受限；压电堆驱动器存在制作成本高、重量大、机械强度欠佳等不足，难以满足大部分微振动主动控制及主动隔振系统的需要；而其他一些专用压电驱动器则驱动性能单一、结构特殊，通用性不好，难以满足各类微振动主动控制及主动隔振系统的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法，该压电复合管驱动装置重量轻、结构简单、制作方便、动态驱动效果好且承载力强。

本发明的技术方案是：一种压电复合管驱动装置，包括呈管状的基体管，还包括套设于所述基体管的内侧壁或/和外侧壁且用于驱动所述基体管以使所述基体管产生轴向变形的压电管，所述压电管电连接有用于向所述压电管提供驱动电压的驱动器。

作为本技术方案的进一步改进，所述基体管的截面呈圆环状。

作为本技术方案的进一步改进，所述基体管采用铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金或塑料材料制成。

作为本技术方案的进一步改进，所述压电管通过粘接物粘接于所述基体管的内侧或/和外侧。

作为本技术方案的进一步改进，所述基体管内侧或外侧粘接有至少两个所述压电管，各所述压电管并联连接或串联连接。

作为本技术方案的进一步改进，所述压电管包括至少两段弧形压电段，各所述弧形压电段合围形成所述压电管，各所述弧形压电段粘接于所述基体管的内侧或/和外侧。

作为本技术方案的进一步改进，每个所述压电管包括四段弧形压电段。

作为本技术方案的进一步改进，所述粘接物为绝缘胶水。

作为本技术方案的进一步改进，所述基体管与所述压电管之间设置有凹凸配合结构。

本发明还提供了一种用于制造上述压电复合管驱动装置的制造方法，包括以下步骤：设置呈管状的基体管，在所述基体管的内侧壁或/和外侧壁粘接用于驱动所述基体管以使所述基体管产生轴向变形的压电管，于所述压电管上连接驱动器；

或者，包括以下步骤：先制备基体管，然后在基体管的外侧或内侧喷设压电材料而成型所述压电管，再于所述压电管上连接驱动器；

或者，包括以下步骤：先制备压电管，然后在压电管的外侧或/和内侧喷设基体管材料而成型基体管，再于所述压电管上连接驱动器。

本发明所提供的压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法，提供了一种压电复合管驱动装置，压电管固定在薄壁基体管外层、内层或内外层，通过驱动该压电管而使基体管产生一定的驱动力和位移量，从而构成一个独立的压电驱动器，具有重量轻、结构简单、制作方便、动态驱动效果好(幅频特性曲线)、承载力强、驱动力和位移量可灵活设计的优点，可以满足各种微振动主动控制及主动隔振系统对驱动元件的不同需求，具有良好的通用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的主视图；

图2是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的左视图；

图3是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的主视图；

图4是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的左视图；

图5是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的理论分析示意图；

图6是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的幅频特性曲线图；

图7是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的相频特性曲线图；

图8是现有技术提供的压电堆的幅频特性曲线图；

图9是现有技术提供的压电堆的相频特性曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种压电复合管驱动装置，包括呈管状的基体管100，还包括套设于所述基体管100的内侧壁或/和外侧壁且用于驱动所述基体管100以使所述基体管100产生轴向变形的压电管200，所述压电管200电连接有用于向所述压电管200提供驱动电压的驱动器300。通过驱动器300向压电管200加电，使压电管200产生相应的轴向变形，通过驱动该压电管200而使基体管100产生一定的驱动力和位移量，从而构成一个独立的压电驱动器300，且利用了基体管100的支撑强度，驱动力和位移量较强，使压电管200受力情况得以改善，装置的机械强度高，且降低了制作成本，减轻了重量，可以满足大部分微振动主动控制及主动隔振系统对驱动元件的需要，适用范围广，可靠性高。

具体地，所述基体管100的截面可以呈圆环状等，其便于加工，当然基体管100的截面也可呈矩形、椭圆形等，均属于本发明的保护范围。

或者，也可以在两个套设的基体管100中间夹设至少一个所述压电管200，即压电管200的内侧与其中一个基体管100的外侧粘接，压电管200的外侧与另一个基体管100的内侧粘接，也属于本发明的保护范围。可以理解地，还可以上述两个基体管100及设置于两个基体管100之间的压电管200的基础上，继续在内侧或外侧套设压电管200和基体管100，其数量和层数可根据实际情况设定。例如，基体管100设置有至少三个，各基体管100的大小不同且高度可相等，各基体管100依次套设，相邻的基体管100之间可嵌设有压电管200。或者，基体管100设置有至少两个，各基体管100的大小不同且高度可相等，各基体管100依次套设，相邻的基体管100之间可嵌设有压电管200，最内层的基体管100的内侧也可粘接有压电管200，最外层的基体管100也可设置有压电管200。

具体地，所述基体管100可以采用铜、铜合金、铝、铝合金或塑料等材料制成，本实施例中，基体管100采用铜材料制成，基体管100可为铜管，其性能佳且成本低。

具体地，所述压电管200通过粘接物粘接于所述基体管100的内侧或/和外侧，此连接方式可靠。具体应用中，所述粘接物可为绝缘胶水等，其固化后形成粘接层。可以理解地，压电管200也可通过其它方式固定连接或成型于所述基体管100的内侧壁、外侧壁。

具体地，所述基体管100内侧或外侧可以粘接有至少两个所述并联连接的压电管200，以提高驱动力。

具体的，压电管200的端部不凸出于基体管100的端部。

具体地，如图3和图4所示，所述压电管200包括至少两段弧形压电段210，各所述弧形压电段210合围形成所述压电管200，各所述弧形压电段210粘接于所述基体管100的内侧或/和外侧，以便于装配。

本实施例中，每个所述压电管200包括四段弧形压电段210。可采用四等分的方法，将整个压电管200等分成四等分，再粘贴于基体管100的外表面，有利于加工制作，方便压电管200粘贴；减少了圆周方向上的径向变形，提高了驱动元件工作可靠性；该对称粘贴结构不影响压电复合管轴向驱动力和位移量。

具体应用中，可以在所述基体管100与所述压电管200之间设置有凹凸配合结构，例如，在压电管200的内侧一体设置有凸起结构，相应地在基体管100的侧壁设置有与凸起结构匹配的凹陷结构，以进一步提高装置的可靠性。凸起结构可呈环状或块状等，基体管100的侧壁相应地设置有环形凹槽、凹穴等，凸起结构可以插入凹陷结构内。

本发明实施例还提供了一种压电复合管驱动装置的制造方法，可用于制造上述的压电复合管驱动装置。制造方法包括以下步骤：设置呈管状的基体管100，在所述基体管100的内侧壁或/和外侧壁粘接用于驱动所述基体管100以使所述基体管100产生轴向变形的压电管200，于所述压电管200上连接驱动器300。或者，也可采用如下方法，先制备基体管100，再在基体管100的外侧或内侧喷设压电材料，可实行逐层喷设的层积方式，最终在基体管100的内侧或外侧成型得到压电管200。或者，还可采用如下方法，包括以下步骤：先制备压电管200，然后在压电管200的外侧或/和内侧喷设基体管材料而成型基体管100，再于所述压电管200上连接驱动器300。

具体制造时，可以先将压电管200沿圆周方向切割成四等份，然后用绝缘胶将其粘贴于基体管100的外表面或/和内表面。如此在每个基体管100上按一定间隔粘贴四个压电管200，并完成一个铜-压电复合管驱动器的制作。

通过将压电管200驱动元件切割成四等分粘贴于基体管100外表面，是因为PZT压电材料脆性较大，由于d32应变效应的存在，使得在圆周方向产生伸/缩应变，如果保持圆周整体结构，则在外加交变电场作用下，可能会使压电管200产生径向扩大与缩小变形，长期工作则可能导致压电管200驱动功能的失效和碎裂。因此，本设计采用四等分的方法，将整个压电管200等分成四等分，再粘贴于铜管外表面。此方法的优点有：

(1)有利于加工制作，方便压电管200粘贴；

(2)减少了圆周方向上的径向变形，提高了驱动元件工作可靠性；

(3)该对称粘贴结构不影响基体-压电复合管轴向驱动力和位移量。

以下对本发明实施例提供的压电复合管驱动装置进行分析，根据线性应变理论，对基体-压电复合管驱动器的静态驱动性能进行理论推导和分析，该静态驱动性能主要包括驱动力和应变量。

如图5所示，由于压电管200与薄壁基体管100之间是用粘贴剂粘贴，粘贴剂形成粘接层300，故当压电驱动元件受激励电压作用时会产生拉伸形变(压缩变形情况类似)，从而在剪切力Q作用下，会引起薄壁基体管100拉伸变形。压电驱动元件所受压缩力为P_P，薄壁基体管100所受拉伸力为P_M。

由图5，得：

粘贴层应变传递效率η_ε是指薄壁基体管100因压电驱动元件作用所引起轴向应变与压电驱动元件本身所产生轴向应变量之比，其数学表达式为：

其中，ε_M为薄壁基体管100所产生的轴向应变量；ε_P为压电管200所产生的总轴向应变量；且0<η_ε≤1。

粘贴层剪应力传递效率η_Q是指粘贴层300与薄壁基体管100接触面之间剪应力与粘贴层300和压电驱动元件接触面之间剪应力之比，其数学表达式为：

其中，Q_M为粘贴层300与薄壁基体管100接触面之间的剪应力；QP为粘贴层300与压电驱动元件接触面之间的剪应力；0<η_Q≤1。

根据线性应变理论，薄壁基体管100的静态力学关系为：

其中，σ_M为薄壁基体管100的轴向应力；E_M为薄壁基体管100的弹性模量；A_M为薄壁基体管100的截面积。

根据压电方程，当外加激励电压使压电管200产生轴向拉伸变形时，压电管200轴向总应变量ε_P为：

其中，U为压电管200的外加激励电压；t为压电管200的厚度；d₃₁为压电管的200压电系数；为压电管200弹性柔顺系数；A_P为压电管200的截面积。

由(2)—(5)式，得基体-压电复合管驱动器在考虑粘贴层300影响时的静态驱动性能为：

相对于压电管200和薄壁基体管100厚度，粘贴层300厚度通常很小，可忽略不计，即η_ε和η_Q可取为1，则基体-压电复合管驱动器的静态驱动性能为：

由(7)式可知，薄壁基体管100轴向驱动力及轴向应变与薄壁基体管100弹性模量、截面积，压电元件压电应变常数、厚度、截面积、弹性柔顺系数，以及激励电压等参数有关。分析表明，基于现有的基体材料(如铝、铜、塑料等)和常见的PZT压电材料，经过一定的几何结构设计，所得到的基体-压电复合管驱动器的轴向驱动力和应变在200V激励电压作用下能达到100N及10-5量级，达到中等驱动力和应变要求，能够满足各类微振动主动隔振系统对压电驱动元件的需求。

在具体设计基体-压电复合管驱动器时，可通过选择合适的基体材料及设计合适的几何尺寸来满足对驱动器轴向驱动力和位移量的要求。

有限元验证过程参考如下：

下面以铝和PZT-5压电材料为例，用有限元方法对上述静态驱动性能理论推导公式计算结果的有效性进行验证。表1为基体材料与压电材料性能参数，

表2为基体-压电复合管驱动器几何参数。

表1基体材料与压电材料性能参数(静态计算)

表2基体-压电复合管驱动器几何参数

外加到压电管200上的激励电压U为200V，此时根据(7)式及表1、2中的各项参数，计算得到的驱动力和应变量为：

利用ANSYS有限元分析软件，对基体-压电复合管驱动器的静态驱动性能进行分析。

在基体-压电复合管驱动器的力—电耦合场有限元分析中，所需基体材料与压电材料的性能参数见表3所示。

表3基体材料与压电材料性能参数(有限元分析)

通过分析结果可以看出，在压电元件作用下，薄壁基体管100在轴向产生拉伸变形。

由有限元计算结果，得压电管200轴向最大位移量Dmax为

DMax＝0.37×10^-6(m)

则压电管200轴向应变量ε为：

通过比较可以看出，理论计算结果和有限元方法计算结果在同一个数量级，能够有效的满足基体-压电复合管驱动器的设计需要，从而证明了该静态驱动性能理论推导公式的正确性。

结构设计

各种微振动主动控制系统对压电驱动器的性能要求主要是具有中等程度的驱动力和位移量，为了满足上述要求，薄壁基体管100采用弹性模量较小的铜来制作，压电管200则用常见的PZT-5来制作。

表4铜与PZT-5压电材料性能参数

表5铜-压电复合管驱动器几何参数

下面对铜-压电复合管驱动器轴向位移量及轴向驱动力进行计算。

(1)轴向驱动力

在考虑粘贴层300影响时，该铜-压电复合管驱动器的轴向驱动力P_M与激励电压U之间的函数关系由(6)式给出。根据表4、5中的铜与PZT-5压电材料的性能参数及几何尺寸，同时取应力应变传递效率为η_ε＝0.9,η_Q＝0.9，则当外部激励电压U＝200(V)时，该铜-压电复合管驱动器的轴向驱动力P_M的计算结果为

(2)轴向位移量

同样，在考虑粘贴层300影响时，该铜-压电复合管驱动器的轴向应变ε_M与激励电压U之间的函数关系也由(6)式给出。根据表4、5中的铜与PZT-5压电材料的性能参数及几何尺寸，同时取应力应变传递效率为η_ε＝0.9,η_Q＝0.9，则当外部激励电压U＝200(V)时，该铜-压电复合管驱动器的轴向应变ε_M的计算结果为

即，铜-压电复合管驱动器的轴向位移量ΔL_M为

ΔL_M＝Nε_ML_P

其中，N表示所采用的并联压电管200数量。

所设计的铜-压电复合管驱动器在轴向并联了4个压电管200，则其轴向位移量ΔL_M为

ΔL_M＝4×ε_ML_p＝2.6(μm)

上述计算结果表明，该铜-压电复合管驱动器的驱动力和位移量均达到了中等驱动性能，可以满足各类微振动主动隔振系统对驱动元件的基本要求。

压电驱动器的频响特性曲线能够有效的反映其动态驱动性能。以下将通过对频响特性曲线的测试，来检验其动态驱动性能，所测的频响曲线如图6、7所示。由本实施例提供的压电复合管驱动装置与现有技术中压电堆驱动器(图8、图9)控制通道频响曲线的测试结果分析比较，可得如下结论：

(1)压电堆驱动器、铜-压电复合管驱动器均具有驱动作用，并且其驱动作用随着激励信号频率的增加而增强；

(2)由幅频特性曲线和相频特性曲线比较可知，压电堆驱动器动态驱动效果略差于铜-压电复合管驱动器，主要表现在低频驱动性能和相位差；

(3)由相频特性曲线比较可知，压电堆驱动器相频特性位于110至180度之间，铜-压电复合管驱动器相频特性位于-20±10度之间，铜-压电复合管驱动器具有更为稳定的相频特性。

本发明实施例所提供的压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法，提供了一种压电复合管驱动装置(基体-压电复合管)，可以满足各类微振动主动控制及主动隔振系统对压电驱动器的重量轻、承载力强、驱动力和位移量大的需求。

该压电复合管驱动装置的基本结构如图1所示，其主要由至少一个薄壁基体管100和一片或多片压电管200构成。其中，压电管200粘贴在薄壁基体管100外层、内层或内外层都粘贴，通过驱动该压电管200而使薄壁基体管100产生一定的驱动力和位移量，从而构成一个独立的压电驱动器。

该压电复合管驱动装置具有重量轻、结构简单、制作方便、动态驱动效果好(幅频特性曲线)、承载力强、驱动力和位移量可灵活设计的特点。通过选择不同的基体材料或对其几何结构的不同设计，便可得到各种具有不同驱动性能的压电驱动器，从而满足各种微振动主动控制及主动隔振系统对驱动元件的不同需求，具有良好的通用性。本发明实施例所提供压电复合管驱动装置不仅广泛应用于各类微振动主动控制及主动隔振系统，还可以应用于各类微位移驱动系统中，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种压电复合管驱动装置，其特征在于，包括呈管状的基体管，还包括套设于所述基体管的内侧壁或/和外侧壁且用于驱动所述基体管以使所述基体管产生轴向变形的压电管，所述压电管电连接有用于向所述压电管提供驱动电压的驱动器；所述基体管与所述压电管之间设置有凹凸配合结构；所述基体管内侧或外侧粘接有至少两个所述压电管，各所述压电管并联连接，且位于外侧的所述压电管的端部不凸出于所述基体管的端部。

2.如权利要求1所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述基体管的截面呈圆环状。

3.如权利要求1所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述基体管采用铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金或塑料材料制成。

4.如权利要求1所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述压电管通过粘接物粘接于所述基体管的内侧或/和外侧。

5.如权利要求1至4中任一项所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述压电管包括至少两段弧形压电段，各所述弧形压电段合围形成所述压电管，各所述弧形压电段粘接于所述基体管的内侧或/和外侧。

6.如权利要求5所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，每个所述压电管包括四段弧形压电段。

7.如权利要求4所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述粘接物为绝缘胶水。