CN104538545A - 一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器 - Google Patents

一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器 Download PDF

Info

Publication number
CN104538545A
CN104538545A CN201510031542.XA CN201510031542A CN104538545A CN 104538545 A CN104538545 A CN 104538545A CN 201510031542 A CN201510031542 A CN 201510031542A CN 104538545 A CN104538545 A CN 104538545A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric patches
sheet
piezo
activator
constraint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510031542.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN104538545B (zh
Inventor
李法新
苗鸿臣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN201510031542.XA priority Critical patent/CN104538545B/zh
Publication of CN104538545A publication Critical patent/CN104538545A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104538545B publication Critical patent/CN104538545B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器，包括长条型压电片、长条形约束片和驱动电源，其特征在于，在所述压电片较大的两个相对表面上沿长度方向各粘接有一所述约束片，所述压电片和约束片在该表面宽度方向的尺寸是一致的，而在长度方向上约束片对压电片施加有拉伸预应力；所述压电片沿该表面的长度方向极化；在压电片所述的两个相对表面上带有电极，电极通过导线和驱动电源连接。该致动器结构简单，制作工艺简单；可实现超大致动应变，即使不用多层结构，也能实现较大的致动位移。

Description

一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器
技术领域
本发明属于精密驱动元件技术领域，特别涉及一种基于铁弹畴变的压电致动器。
背景技术
压电致动器由于具有响应速度快、控制精度高、输出力矩密度大、运行噪声低等特点，被广泛的用于精密定位、马达和振动抑制等领域。同时由于压电致动器性能对尺寸不敏感，在小尺寸(毫米～厘米)范围中，与传统的电磁致动器相比具有相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率等优势。
目前较为常用的压电致动器主要是多层压电致动器。多层压电致动器的优点在于驱动电压低，响应快，输出致动力较大；缺点在于致动应变较小(约0.1％)，为了实现较大的致动位移，通常的途径是增加致动器的层数。增加层数不仅使得致动器的制作工艺复杂，而且由于多层致动器在制作过程中容易引入缺陷，器件在服役过程中容易发生断裂失效，使得器件的可靠性难以保证。因此，有必要开发一种全新的压电致动器，实现即使不用叠层(或者叠层较少)也能实现较大的致动位移。
发明内容
本发明的目的在于：针对多层压电致动器的弊端，提供一种全新的压电致动器，实现即使不用叠层(或者叠层较少)也能实现较大的致动位移。
本发明的目的是这样实现的：一种基于铁弹畴变的压电致动器，包括长条型压电片、长条形约束片和驱动电源，其特征在于：在所述压电片较大的两个相对表面上沿长度方向各粘接有一所述约束片，所述压电片和约束片在该表面宽度方向的尺寸是一致的，而在长度方向上约束片对压电片施加有拉伸预应力；所述压电片沿该表面的长度方向极化；在压电片所述的两个相对表面上带有电极，电极通过导线和驱动电源连接。
在本发明的致动器中，约束片在和压电片粘接之前，在长度方向受到均匀的压缩，而后压电片两侧与受压缩的约束片粘接为一体，最后释放约束片的压缩力，从而给压电片施加了沿长度方向的拉伸预应力。
在本发明涉及的技术方案中，所述压电片并不限定于特定的材料，可以是压电陶瓷或铁电陶瓷，亦可以是压电单晶或铁电单晶。选材的原则是尽可能的选择自发应变大(自发应变大于0.35％)，矫顽场较小的铁电材料。
在本发明涉及的技术方案中，所述约束片可以是金属薄片，亦可以是其它弹性较好的非金属薄片。选材的原则是弹性较好(即变形在压电片自发应变范围内不发生屈服，仍然保持线弹性)，弹性模量恰当。
进一步的，本发明的致动器可以是包括一个压电片和两个约束片的单层结构；也可以是n块压电片和n+1块约束片组成的多层结构，其中压电片和约束片相间排列，n为自然数，n≥2；也可以是n块压电片(n为自然数，n≥2)和2块约束片组成的叠层结构，即压电片在长度方向上层叠，而约束片只是在长度方向上加长；还可以是上述多层结构和压电片叠层结构的混合结构，具有多块压电片和多块约束片，每两块约束片之间具有多块在长度方向上层叠的压电片。
本发明压电致动器的制备方法包括：在长条形压电片较大的两个相对表面上制作电极，且将压电片沿长度方向极化；对长条形约束片沿长度方向施加均匀的压应力；然后将施加压应力的约束片粘接到压电片较大的两个相对表面上，粘接好后，释放施加在约束片上的压应力。装配好后，压电片会受到一个极化方向的拉伸预应力。
本发明的优点在于：它提供了一种新的致动器结构，并且致动机理有别与传统的压电致动器。传统的压电致动器基于的是材料的压电效应，而本发明基于的是铁弹畴变产生的应变。本发明设计的预应力结构可以方便的实现电场撤去，电畴自恢复的功能，所以具有无源自锁的特点。本发明与传统的致动器相比，具有以下优点：结构相对简单，制作工艺相对简单；根据压电元件材料选取的不同，理论上可以实现高达0.17％～1.15％的超大致动应变，至少可以将传统压电致动器的致动应变提高70％以上；由于本发明采用的是长度方向致动，所以即使不用多层结构，也能实现较大的致动位移；由于本发明结构简单，含有更少的原件，所以容易小型化，成本也相对较低。
附图说明
图1为本发明实施例之一单层结构致动器的结构示意图。
图2是图1所示致动器的装配过程示意图。
图3显示了本发明致动器的工作原理。
图4为本发明实施例之二多层结构致动器的总体结构示意图。
图5为本发明实施例之三叠层结构致动器的总体结构示意图。
图6为本发明实施例之四多层叠层结构致动器的总体结构示意图。
图中：21a，21b，21c，21d，21e-约束片；22，22a，22b，22c，22d，22e，22f，22g，22h-压电元件片；50-与电压源连接的导线；P-电极化；L-致动器的初始长度；ΔL-致动器的位移；E-电场。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明的部分实施例，下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步地说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
由图1可见：所示的致动器由压片元件22和两块约束片21a和21b构成。其中压电片22沿长度方向极化，图中P代表电极化，箭头代表极化方向。压电片22的两个较大的相对表面为电极面，图中粗黑线表示电极，电极通过导线50和驱动电压源相连。图2展示了图1所示致动器的装配过程。首先将约束片21a和21b沿长度方向施加均匀的压应力σ，然后将压电片22用环氧树脂和约束片21a和21b按如图2所示的方式粘接在一起，等环氧树脂凝固好后，释放施加在约束片21a和21b上的压应力。装配好后，压电片22会受到一个极化方向的拉伸预应力。
图3展示了图1所示致动器的工作原理。当一个合适工作频率的电压通过导线50施加到压电片22时，在电压增大的过程中，当电场超过材料的矫顽电场，电畴会发生翻转并沿着电场方向取向。由于电畴翻转，材料会沿着初始极化方向缩短ΔL，图3b)中虚线表示致动器变形前的尺寸。我们假设畴变引起的应变用Sr表示，致动器实际产生的应变为Sx，压电陶瓷片的模量为Yp，约束片的模量为Yc，压电片的拉伸矫顽应力为σc，装配过程中给压电片施加的预应力为σpre。则在畴变过程中，致动器在x方向应满足变形协调，界面应力平衡的条件，故有
(Sx-Sr)Yp+2SxYc＝0     (1)
在电场卸载到零后，电畴会在约束片产生的拉应力和预应力的共同作用下回到初始状态，有
-2SxYc+σpre＝σc     (2)
由(1)式和(2)可以得到
Sx＝Sr+(σc-σpre)/Yp     (3)
需要指出，由于图3中规定的伸长为正方向，所以上式中Sx和Sr均为负数。我们以典型的铁电陶瓷PIC151为例，其畴变应变Sr＝-0.2％，弹性模量Yp＝100GPa，压电系数500pm/V,拉伸矫顽应力取σc≈40MPa，假设施加的预应力σpre＝10MPa，则由(3)式可得，致动应变为
|Sx|≈0.17％     (4)
而传统基于压电效应的致动器致动应变约为0.1％，本发明将致动应变提高了70％。若采用四方相的PMN-PT单晶，其畴变应变Sr＝-1.28％，弹性模量Yp＝12GPa，拉伸矫顽应力取σc≈20MPa，假设施加的的应力σpre＝5MPa，则由(3)式可得，致动应变为
|Sx|≈1.15％     (5)
即使是现有压电性能最好的单晶，基于压电效应最多能产生0.2％的应变，本发明将致动应变提高了475％。故当驱动电压采用单向正弦|V0sinωt|波形。致动器就会出现高频的振动，从而实现致动的功能。
图4为本发明的另一种实施方式的总体结构示意图。它与图1所示实施例的区别在于：采用了多层结构。图4中所示的为4层结构，实际中根据需要可以拓展为n层(n≥2)。它的装配方式和工作原理与图2和图3所显示的一样。该实施例的显著特点是致动器的推力更大，驱动电压更低。
图5为本发明的又一种实施方式的总体结构示意图。它与上述实施例的区别在于在长度方向采用了叠层结构，不过叠层的是压电元件22，约束片只是长度加长。图5中所示的为2层结构，实际中根据需要可以拓展为n层(n≥2)。它的装配方式和工作原理与图2和图3所显示的一样。本实施例的显著特点是在较为紧凑的结构下实现较大的致动位移。
图6为本发明的又一种实施方式的总体结构示意图。它与以上实施例的区别在于在长度和横向两个方向都采用了多层结构。每个方向的叠层数根据需要可以调整。它的装配方式和工作原理与图2和图3所显示的一样。本实施例的显著特点是致动位移和致动力都较大。

Claims (9)

1.一种基于铁弹畴变的压电致动器，包括长条型压电片、长条形约束片和驱动电源，其特征在于，在所述压电片较大的两个相对表面上沿长度方向各粘接有一所述约束片，所述压电片和约束片在该表面宽度方向的尺寸是一致的，而在长度方向上约束片对压电片施加有拉伸预应力；所述压电片沿该表面的长度方向极化；在压电片所述的两个相对表面上带有电极，电极通过导线和驱动电源连接。
2.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述压电片是压电陶瓷或铁电陶瓷，或者是压电单晶或铁电单晶。
3.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述压电片的材料是自发应变大于0.35％的铁电材料。
4.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述约束片是金属薄片或非金属薄片。
5.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述致动器是包括一个压电片和两个约束片的单层结构。
6.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述致动器是由n块压电片和n+1块约束片组成的多层结构，其中压电片和约束片相间排列，n为大于等于2的自然数。
7.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述致动器是n块压电片和2块约束片组成的叠层结构，夹在2块约束片之间的n块压电片在长度方向上层叠，其中n为大于等于2的自然数。
8.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，所述致动器包括多块压电片和多块约束片，每两块约束片之间具有多块在长度方向上层叠的压电片。
9.权利要求1～8任一所述的压电致动器的制备方法，包括：在长条形压电片较大的两个相对表面上制作电极，且将压电片沿长度方向极化；对长条形约束片沿长度方向施加均匀的压应力；然后将施加压应力的约束片粘接到压电片较大的两个相对表面上，粘接好后，释放施加在约束片上的压应力。
CN201510031542.XA 2015-01-22 2015-01-22 一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器 Expired - Fee Related CN104538545B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510031542.XA CN104538545B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510031542.XA CN104538545B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104538545A true CN104538545A (zh) 2015-04-22
CN104538545B CN104538545B (zh) 2017-02-22

Family

ID=52854042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510031542.XA Expired - Fee Related CN104538545B (zh) 2015-01-22 2015-01-22 一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104538545B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107093664A (zh) * 2017-04-19 2017-08-25 北京大学 一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器及制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002319717A (ja) * 2001-04-23 2002-10-31 Taiheiyo Cement Corp 圧電アクチュエータ
CN101399505A (zh) * 2007-09-27 2009-04-01 日本发条株式会社 头悬架和压电执行机构
CN101999180A (zh) * 2008-04-21 2011-03-30 株式会社村田制作所 层叠型压电致动器
CN102893420A (zh) * 2010-08-26 2013-01-23 京瓷株式会社 压电致动器
CN103210514A (zh) * 2010-10-01 2013-07-17 埃普科斯股份有限公司 压电多层器件及其制造方法
CN204348762U (zh) * 2015-01-22 2015-05-20 北京大学 一种压电致动器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002319717A (ja) * 2001-04-23 2002-10-31 Taiheiyo Cement Corp 圧電アクチュエータ
CN101399505A (zh) * 2007-09-27 2009-04-01 日本发条株式会社 头悬架和压电执行机构
CN101999180A (zh) * 2008-04-21 2011-03-30 株式会社村田制作所 层叠型压电致动器
CN102893420A (zh) * 2010-08-26 2013-01-23 京瓷株式会社 压电致动器
CN103210514A (zh) * 2010-10-01 2013-07-17 埃普科斯股份有限公司 压电多层器件及其制造方法
CN204348762U (zh) * 2015-01-22 2015-05-20 北京大学 一种压电致动器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107093664A (zh) * 2017-04-19 2017-08-25 北京大学 一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器及制备方法
CN107093664B (zh) * 2017-04-19 2019-05-14 北京大学 一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104538545B (zh) 2017-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rajaram Patil et al. Multiple broadband magnetoelectric response in thickness-controlled Ni/[011] Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-Pb (Zr, Ti) O3 single crystal/Ni laminates
JP2002203999A (ja) 積層型圧電体素子とその製造方法
TW201810744A (zh) 包含磁電轉換器之發電機及其製造方法
CN204348762U (zh) 一种压电致动器
CN106505147B (zh) 一种微型、柔性磁电复合材料及其制备方法
CN109390462B (zh) 准切变模式多层共烧压电致动器及其多层共烧制备方法
CN104538545A (zh) 一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器
CN206259386U (zh) 一种微型、柔性磁电复合材料
CN104882277B (zh) 层状复合结构可调控电容和压电应力调控介电的方法
CN101378106A (zh) 层叠状剪切压电陶瓷促动器
CN102034926B (zh) 一种压电材料层串接的磁电层合材料结构
CN104124891A (zh) 压电振子及包括该压电振子的精密位移平台
US20140001923A1 (en) Composite polarization type piezoelectric actuator
CN107527992B (zh) 一种双向梯度短纤维压电复合材料及其制备方法
CN203813693U (zh) 一种多工作方式的压电双晶片执行器
CN103611671A (zh) 低压驱动的压电陶瓷振动器
CN2899119Y (zh) 铝基叠层高过载压电驱动器
CN107070297A (zh) 叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器
CN102808282A (zh) 新型经编机用压电陶瓷选针器驱动系统
JPH0257353B2 (zh)
CN206441768U (zh) 拉伸型叠层压电致动器
CN201323208Y (zh) 层叠状剪切压电陶瓷促动器
CN101572504B (zh) 类肌压电纤维复合材料驱动器
CN100426547C (zh) 铝基叠层高过载压电驱动器
JPS61191085A (ja) 積層型圧電バイモルフ素子

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170222

Termination date: 20200122

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee