CN104779244A - 一种压电片组装式压电管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电片组装式压电管，它是采用压电片相互拼接的新工艺制作而成的，并且构型可以为任意多边形的压电管，它可以通过固定相邻的压电片之间的缝隙实现，也可以通过固定该压电管的两端实现，侧边缝隙处可固定也可不固定，其固定方法之一为采用环氧树脂胶粘接法。本发明极大地降低了生产成本，打破了现有压电管制作技术在内径、壁厚等可生产参数上的受限性，具有更大的尺寸选择空间，可被用作扫描探针显微镜的压电马达、扫描器以及光学狭缝的调整等领域。

Description

一种压电片组装式压电管

技术领域

本发明属于压电元器件技术领域，具体涉及一种压电片组装式压电管。

背景技术

伴随着纳米级的高精度定位、扫描、操纵及DNA分子手术等微纳科技的飞速发展，压电管以可以同时实现三维纳米精度的移动和控制、功能丰富和集成度高的优点得到了广泛的应用。但是，目前在国内外，压电管的制作工艺导致了压电管的成本极高，一个电极四等分的压电管的市场价格高达500美元，而一个尺寸相近的压电片不足15美元，而且所生产的压电管的内径、外径和壁厚等均有较大的局限性，如内径不能小于0.1英寸，外径不能大于6英寸且壁厚不能小于0.25毫米。

而片状压电原件的长度、宽度与壁厚相对于管状压电元件具有极大的自由度。有时为了达到特殊的使用效果，在科学仪器评论（REVIEV OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 84,056106（2013））文章中记载了特意将完整的压电管切割成两个半管，然后用作压电马达，这进一步说明了目前的压电管存在局限性和压电片组装式压电管的必要性。另外，现有的压电管仅有横截面为圆形结构的，缺乏横截面为三角形、正方形、五边形和六边形等特殊需要的压电管，以满足空间受限、驱动角度受限等需求。

发明内容

本发明为解决现有一体成型式压电管存在的诸多不足而提供了一种压电片组装式压电管。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种压电片组装式压电管，其特征在于是由压电片相互拼接并固定而成的管状压电体。

进一步限定，相邻的压电片之间的缝隙通过连接体固定。

进一步限定，相邻的压电片之间的整个缝隙或者部分缝隙通过连接体粘接固定。

进一步限定，所述的管状压电体的两端分别通过连接体固定于底板上。

进一步限定，所述连接体为环氧树脂胶。

进一步限定，所述的压电片为厚度方向极化的压电片。

进一步限定，所述的压电片的材质为单晶材质或多晶材质。

本发明所述的压电片组装式压电管的制备过程为：首先选用尺寸相同、均为厚度方向极化且两最宽面已经镀好电极的压电片拼接成一个横截面为多边形的压电管，并在相邻压电片之间的狭缝内涂上环氧树脂胶，然后平稳地移至烘箱中烘干得到压电片组装式压电管。

本发明成本极低、功能多样、内径尺寸更自由、外径尺寸更自由、厚度更自由、选材更自由、构型更自由且制作方便快捷。

附图说明

图1是本发明实施例1得到的压电管的结构示意图，图2是本发明实施例2得到的压电管的结构示意图，图3是图2的侧视图，图4是本发明实施例3得到的压电管的结构示意图，图5是图4的俯视图，图6是图4的剖面图，图7-11是本发明实施例5得到的压电管的结构示意图。

图面说明：1、压电片，2、连接体，3、底板。

具体实施方式

以目前市场上用量最大的外壁电极四等分压电管为例，分析现有一体成型式压电管实现三维扫描的原理。

首先，分析压电管在轴向上的形变，它只需要在内壁电极上施加一电压、在外壁电极上施加另一电压，该压差即可导致压电管在轴向上的伸长或缩短。

压电管在径向与横向上的形变，即压电管在径向或横向上的弯曲。由于现有的一体成型式压电管均为圆形，在结构上具有对称性，因此径向与横向上发生形变的原理相同，下面以径向为例进行分析。

假定压电管仅在径向的电极上施加有电压，在横向上的电极没有施加电压。由于压电管横向与径向形变的独立性，该假定是合理的。然后，压电管径向上被一对电极覆盖下的压电体分别在极性相反的电压的作用下，一部分将伸长，另一部分将缩短，而在与径向方向垂直的横向方向上的压电体，由于没有施加电压，因此将无法形变；另外，各个电极间的没有被电极覆盖的一小部分压电体，由于无法施加电压，因此也无法产生形变。

由于横向与径向的压电体之间虽然所镀电极是被分割的，但在压电材料上仍然是一个完整的整体。所以会导致径向上伸长的压电体会被与之相邻的本无形变的横向压电体和交界处无电极覆盖的压电体阻碍、而无法产生与被施加电压相同的伸长量，而横向压电体和交界处无电极覆盖的压电体会被与之相邻的径向上的待伸长的压电体拉动、而无法继续保持原长。总之，待伸长的径向压电体被拉短、与待伸长的径向压电体邻近的无形变的压电体被拉长。

同理，在待缩短的径向压电体和与之相邻的本无电压和形变的横向压电体上会发生待缩短的径向压电体被拉长，与待伸长的径向压电体邻近的无形变的压电体被缩短一部分的效果。

由于压电材料具有很大的硬度，无法像一个低倔强系数的弹簧一样被任意拉伸，而是趋向于维持原长度或是相当于一个倔强系数很高的硬弹簧在被拉伸，其可形变量很小。因此，将使压电管在径向上发生弯曲。

结合上述工作原理发现，没有施加电压或场强的压电体，其功能只与硬度与之相当的绝缘体相同。因此，压电管径向与横向之间没有被电极覆盖的压电体，可被硬度与之相当的绝缘材料替代，即本专利的物理学原理依据。

但是，可以导致压电管形成径向或横向弯曲的途径不止一种。如果我们用较硬的材料将压电管的两端足够牢地固定，那么当径向的两部分压电体分别伸长和缩短时，同样会受到两端较硬材料的制约，使其不能发生自由的伸长与收缩，从而导致发生径向的弯曲形变，达到想要的效果，这是本专利另一种方式的物理学依据。

根据上述两种不同工作原理，压电片组装式压电管有两类制作方法：

1）最容易理解和常用的压电片侧边固定型，即将围成压电管结构的各压电片的最邻近边固定在一起，组装成压电管，其工作原理与现在市场上最常见的压电管一样；

2）新型的压电片底边固定型，即将各压电片围成管状结构，并把该管的两端固定在一起，组装成新工作原理的压电管。

    截止目前，连接压电片的较好的方法是利用硬度较大的胶结剂来实现，特别是环氧树脂胶结剂。

根据上述两种不同的工作原理，本专利技术可制作的压电管优势有：

1）一根压电管的成本仅为数片压电片的成本，带上微量的胶的成本，总成本不足百元，比市场上动辄数千元的压电管有极大的成本优势。

2）由于可以选取任意尺寸的压电片来组装压电管，因此可以实现现有压电管工艺无法实现或极难实现的长度、厚度、内外径、选材等参数。比如，压电片组装式压电管的内径可以做到0.5mm以下，可以创造内径最小的压电管。而且可以利用类似微积分中微元的思想，用无数片压电管来围成一个压电管，进而可以制造外径最大的压电管。内径、外径、壁厚、构型几乎可以任意定制的压电管势必可以发挥出现有一体成型式压电管无法比拟的优势、且成本基本只与所用压电片的成本相当而已。

3）压电管的构型不再只有圆形，可以是三角形、五边形、六边形和十二变形等，进而满足不同场合的需求。

具体组装时，从上述原理分析可知，需要用足够硬度和牢固的连接体连接管状组合的压电片的最邻近压电片的最邻近缝或者两底面。否则，会导致伸长与缩短的两片压电体自由形变而无法产生横向或径向弯曲。

压电片组装式压电管的原理要求，（1）压电片的极化方向需为厚度方向极化；（2）选用已镀好电极的压电片组装，这样比组装好再镀电极会容易操作、而且也会自然地实现内外壁电极的分割，节约成本且高效。固定底面时，可以用蓝宝石、陶瓷、钨、钛、不锈钢等硬度较大的材料作为底面。

制作压电片组装式压电管的工艺流程如下：

1）准备好厚度方向极化的压电片；

2）按照所需的构型，如三角形、四边形、五边形、六边形、圆形等，把压电片的方位固定好，此时需要相应模具的辅助、以增加构型的精度；

3）在各压电片间的缝隙处涂合适硬度和强度的胶，如环氧树脂胶，按照胶体说明书的提示使胶体固化定型后，即为侧边固定式压电管；但根据需要，侧边的缝隙可以全部涂胶固定、也可部分涂胶固定；

4）也可在拼接好的压电管的两端，用底板通过胶体把压电管两端分别定形并固化牢固，形成底板固定两端型压电管；

5）也可3）与4）的方法共用，形成复合型压电管。

实施例1

最常用的内外壁电极四等分的侧边整个缝隙固定型压电管

选用环氧树脂胶固定压电片，并选用其中的一款如353ND。四个压电片尺寸相同、均为厚度方向极化、且两最宽面已镀好电极。单个压电片尺寸为20*6*1毫米。按说明书的提示调好绝缘的环氧树脂AB胶353ND，并把上述四片压电片1拼为一个横截面为正方形的结构并固定，然后在由四对最邻近边所产生的四条狭缝中涂抹调好的连接体2 353ND胶，最后平稳地移入烘箱于100℃烘烤10min，使上述四个压电片固化为一个内外壁电极均已四等分的压电方管。虽然各压电片间的缝隙很小，但由于353ND胶的电阻率很高，即使0.1毫米高、1毫米直径的胶体的电阻值可达到10G欧姆左右，因此可以很好地实现各压电片间的绝缘，成为内外壁电极均四等分的压电管。该压电管的市场价约5000元人民币。

该电极四等分的压电管：

1)、可以被用作最常见的三维扫描管；2)、可以用来制作最近的文献Rev. Sci. Instrum. 79, 113707（2008）或Meas. Sci. Technol. 20, 065503 (2009)中所描述的惯性马达兼扫描应用即可以制作出扫描探针显微镜的镜体；3)、可以用作Rev. Sci. Instrum.83, 023703 (2012) 中提到的KoalaDrive马达应用。

实施例2

    两端被底板固定型压电管

在上述实施例中，把四片均为厚度方向极化、尺寸相同且已镀好电极的压电片1拼为一个横截面为正方形的结构并固定后，在上下两底面用连接体2环氧树脂系胶结剂，如353ND胶粘接两个具有一定硬度的底板3上形成压电体，该底板为蓝宝石片、玻璃片、不锈钢片或黄铜片，底板的形状为圆形或者方形，如图2-3所示。各压电片间的缝隙可以通过连接体固定、也可以不通过连接体固定。

实施例3

仅缝隙两端被固定的压电管

在实施例2中，把四片均为厚度方向极化、尺寸相同且已镀好电极的压电片1拼为一个横截面为正方形的结构并固定后，在上下两端的缝隙处用连接体2环氧树脂系胶结剂，如353ND胶粘接固定，如图4-6所示。

该方法制作的仅两端缝隙被粘接固定的压电管特别适合于REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 84, 056106 (2013)和REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 84, 113703 (2013)中所描述的GeckoDrive压电马达。

实施例4

两端用底板固定、侧边粘接固定的复合型压电管

结合实施例1和2和3所述的方法，将定型后的各压电片的缝隙用胶体连接固定、并用底板将压电管的两个底部粘接固定，形成压电管。

实施例5

多压电片、任意形状的压电管

根据实施例1所述的方法，可以用3或5或6或7或8或12个压电片1，利用连接体2连接制作出压电管，多个压电片按照需要的构型排布各压电片的方位，然后粘接固定，就可以制作出所需要的任意形状的压电管，如图7-11所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。

Claims (7)

1.一种压电片组装式压电管，其特征在于是由压电片相互拼接并固定而成的管状压电体。

2.根据权利要求1所述的压电片组装式压电管，其特征在于：相邻的压电片之间的缝隙通过连接体粘接固定。

3.根据权利要求2所述的压电片组装式压电管，其特征在于：相邻的压电片之间的整个缝隙或者部分缝隙通过连接体粘接固定。

4.根据权利要求1所述的压电片组装式压电管，其特征在于：所述的管状压电体的两端通过连接体粘接固定于底板上。

5.根据权利要求2-4中任意一条所述的压电片组装式压电管，其特征在于：所述连接体为环氧树脂胶。

6.根据权利要求1所述的压电片组装式压电管，其特征在于：所述的压电片为厚度方向极化的压电片。

7.根据权利要求1所述的压电片组装式压电管，其特征在于：所述的压电片的材质为单晶材质或多晶材质。