CN107070297B - 叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器 - Google Patents

Abstract

叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器，属于压电驱动技术领域，为了丰富当前压电元件的种类，扩展压电元件的应用范围。本发明的压电陶瓷片均分四个独立的极化区，接地电极包括接地电极片和接地引出电极，激励电极包括激励电极片和激励引出电极，接地电极和激励电极均为梳齿状结构。本发明利用压电陶瓷d₃₃模式，通过采用压电陶瓷片四分区极化的结构形式进行激励，使本发明产生沿一个方向或沿两个空间正交方向的弯曲变形。本发明采用类梳齿结构的接地电极和激励电极，可有效保证多层压电陶瓷片的机械串联和电学并联，整体结构性强，是对当前已有压电元件的一种补充，将会扩展压电元件的应用范围，促进压电驱动技术领域的发展。

Description

叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器

技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动器，属于压电驱动技术领域。

背景技术

压电驱动作为一种新型的精密驱动与微定位技术手段，其主要是利用压电材料的逆压电效应实现电能向机械能的转换，由于其自身特有的结构设计灵活、无电磁干扰且不受电磁干扰、毫秒级快速响应、可断电自锁等特点，近年来受到了普遍关注，并已在精密光学仪器、生物医疗器械、航空航天等技术领域获得了成功应用。

压电陶瓷是压电驱动器中至关重要的元件之一，在实现电能输入转化为机械能输出的过程中发挥着关键的作用。为了在相同激励电压下获得相对较大的机械变形，压电陶瓷一般采用薄片状结构，即长度和宽度方向的尺寸远大于其厚度方向尺寸，但在实际应用中，单层压电陶瓷的机械变形量依然很小，一般较难达到自身厚度的0.1％。为了获得更大的机械变形，目前主要使用压电双晶片和多层压电陶瓷驱动器。其中压电双晶片主要由极化方向相反的两个薄片压电陶瓷粘接于金属薄板的两侧构成，一般采用d₃₁工作模式，施加激励电信号时，一侧压电陶瓷伸长而另一侧压电陶瓷缩短，整体表现为压电双晶片的弯曲变形。但实际使用时压电双晶片产生的推力较小，对频率的响应较慢。而多层压电陶瓷驱动器主要由采用d₃₃模式的压电陶瓷和电极片组成，电极片被交替的连接到驱动器两端外电极上，这样多层压电陶瓷组成了多个位移输出单元，施加电信号激励时，多层压电陶瓷驱动器的总位移为各层压电陶瓷的位移之和。多层压电陶瓷驱动器具有位移大、输出力大等特点，是压电驱动领域中广泛使用的压电元件。

当前多层压电陶瓷驱动器多数为纵向伸缩变形的驱动器，即施加激励电信号时，驱动器整体会产生沿压电陶瓷片厚度方向的伸缩变形，而关于整体能够产生弯曲变形的多层压电陶瓷驱动器，目前还没有机构或公司进行设计与研发，而弯曲变形又是压电驱动器设计中经常使用的一种致动方式，因此设计一种弯曲式多层压电陶瓷驱动器作为压电驱动器的基础元件，将会对扩展压电元件的应用范围和促进压电驱动技术领域的发展产生深远的影响。

发明内容

本发明的目的是为了丰富当前压电元件的种类，扩展压电元件的应用范围，从而提供叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器。

本发明所述的叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器，包括n层压电陶瓷片、接地电极和激励电极，其中n为大于等于2的偶数；

所述压电陶瓷片均分四个独立的极化区，具体包括第一极化区、第二极化区、第三极化区、第四极化区和未极化区，其中未极化区为四个极化区的中间没有极化的区域，用于将四个极化区分隔开，第一极化区和第三极化区对角设置，第二极化区和第四极化区对角设置，压电陶瓷片的四个极化区均沿厚度方向极化，其中第一极化区和第三极化区的极化方向相反，第二极化区和第四极化区的极化方向相反，第一极化区和第二极化区的极化方向相同，且相邻两层压电陶瓷片之间相对的两个极化区的极化方向相反；

所述接地电极包括n/2-1个接地电极片和接地引出电极；

所述激励电极包括n/2个激励电极片和激励引出电极，激励电极中的激励电极片设置于相邻两层压电陶瓷片相对的极化区之间；

所述接地电极和激励电极的侧面均为梳齿状结构；

所述n层压电陶瓷片中从一端数第i层压电陶瓷片的极化区与第i+1层压电陶瓷片的极化区之间设置激励电极片，第i+1层压电陶瓷片与第i+2层压电陶瓷片之间设置接地电极片，其中i为奇数。

优选的是，所述接地电极中的接地电极片的形状与压电陶瓷片的形状一致。

优选的是，所述电陶瓷片的形状为圆形或正m边形，其中m为大于等于4的偶数。

优选的是，所述激励电极中的激励电极片的形状与压电陶瓷片的极化区的形状一致。

优选的是，所述压电陶瓷片设置中心孔，该中心孔的截面形状为圆形或正p边形，其中p为大于等于4的偶数。

本发明的有益效果：本发明利用压电陶瓷的d₃₃工作模式，并通过采用压电陶瓷片四分区极化的结构形式进行分区激励，提出了一种整体能够产生弯曲变形的叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器。在实际应用时，根据不同的应用需求采用不同的组合激励方法，可激励本发明产生沿一个方向或沿两个空间正交方向的弯曲变形。本发明通过采用类似梳齿结构的接地电极和激励电极，可有效保证多层压电陶瓷片在机械上串联和在电学上并联，整体结构性较强。本发明使用薄片式压电陶瓷片，是为减小每层压电陶瓷片的厚度、增加压电陶瓷片的层数，以使驱动器在较低的激励电压下能够获得较大的位移输出。由于本发明可以同时承受正电压和负电压激励，与当前一般只允许工作在正电压激励下的纵向伸缩式多层压电陶瓷驱动器相比，有效的增大了机械位移输出。此外，弯曲振动模态是常用机械结构件自身固有的一种振动模态，而弯曲变形又是压电驱动器设计中经常使用的一种致动方式，因此本发明叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器的提出是对当前已有压电元件的一种补充，将会扩展压电元件的应用范围，促进压电驱动技术领域的发展。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器的结构示意图；

图2为图1中压电陶瓷片的四分区极化方式示意图；

图3为图1中接地电极的结构示意图；

图4为图2中第一极化区对应的激励电极的结构示意图；

图5为图2中第二极化区对应的激励电极的结构示意图；

图6为图2中第三极化区对应的激励电极的结构示意图；

图7为图2中第四极化区对应的激励电极的结构示意图；

图8为具体实施方式二中的一个方向弯曲变形的激励方式示意图；

图9为具体实施方式三中的两个空间正交弯曲变形的激励方式示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器，包括n层压电陶瓷片1、接地电极2和激励电极3，其中n为大于等于2的偶数；在本具体实施方式中n设置为16。

所述压电陶瓷片1采用薄片结构，以使其可以在较低激励电压下获得较大的位移输出；压电陶瓷片1的外形可为圆形或正m边形，其中m为大于等于4的偶数，其中在本具体实施方式中压电陶瓷片1的外形具体设置为正方形；压电陶瓷片1的中心位置可设置中心孔1-6，该中心孔1-6的截面形状可设置为圆形或正p边形，其中p为大于等于4的偶数，其中在本具体实施方式中压电陶瓷片1设置有截面形状为圆形的中心孔1-6；所述压电陶瓷片1分成四个形状相同的独立的极化区，具体包括第一极化区1-1、第二极化区1-2、第三极化区1-3、第四极化区1-4和未极化区1-5，其中未极化区1-5为四个极化区的中间没有极化的区域，用于将四个极化区分隔开，第一极化区1-1和第三极化区1-3对角设置，第二极化区1-2和第四极化区1-4对角设置，压电陶瓷片1的四个极化区均沿厚度方向极化采用d₃₃工作模式，其中第一极化区1-1和第三极化区1-3的极化方向相反，第二极化区1-2和第四极化区1-4的极化方向相反，第一极化区1-1和第二极化区1-2的极化方向相同，且相邻两层压电陶瓷片1之间相对的两个极化区的极化方向相反。

所述接地电极2和激励电极3的从侧面来看均呈梳齿状结构。所述接地电极2包括接地电极片2-1和接地引出电极2-2，接地电极片2-1的形状与压电陶瓷片1的形状相同，其中接地电极2的接地电极片2-1通过接地引出电极2-2与外部电源的公共端连接实现压电陶瓷片1接地设置。所述激励电极3包括激励电极片3-1和激励引出电极3-2，其中激励电极片3-1的形状与压电陶瓷片1均分的四个极化区的形状一致，且该激励电极片3-1设置于相邻的两层压电陶瓷片1相对的两个极化区之间，通过激励引出电极3-2通过外部电源的驱动端相连接实现对压电陶瓷片1的四个极化区的激励。

所述多层布置的压电陶瓷片1中从一端数，第i层压电陶瓷片1的极化区与第i+1层压电陶瓷片1的极化区之间设置有激励电极片3-1，第i+1层压电陶瓷片1与第i+2层压电陶瓷片1之间设置有接地电极片2-1，其中i为奇数。

具体实施方式二：结合图8具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器作进一步说明，本实施方式中，将多层设置的压电陶瓷片1的第一极化区1-1、第二极化区1-2、第三极化区1-3和第四极化区1-4所对应的激励引出电极3-2连接起来作为一个激励组A，对其施加激励电信号，接地电极2的接地电极片2-1通过接地引出电极2-2与激励电信号公共端连接实现压电陶瓷片1接地，由于极化方向不同，第一极化区1-1和第二极化区1-2所对应的部分压电陶瓷片会产生变厚(或变薄)变形，第三极化区1-3和第四极化区1-4所对应的部分压电陶瓷片会产生相对应的变薄(或变厚)变形，进而引起多层布置的压电陶瓷片1产生沿一个方向的弯曲变形。

具体实施方式三：结合图9具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器作进一步说明，本实施方式中，将多层设置的压电陶瓷片1的第一极化区1-1所对应的激励引出电极3-2和第三极化区1-3所对应的激励引出电极3-2连接起来作为激励组A，将第二极化区1-2所对应的激励引出电极3-2和第四极化区1-4所对应的激励引出电极3-2连接起来作为激励组B，对激励组A施加激励电信号，接地电极2的接地电极片2-1通过接地引出电极2-2与激励电信号公共端连接实现压电陶瓷片1接地，由于第一极化区1-1和第三极化区1-3的极化方向不同，第一极化区1-1所对应的部分压电陶瓷片会产生变厚(或变薄)变形，第三极化区1-3所对应的压电陶瓷片会产生相对应的变薄(或变厚)变形，进而在激励组A的作用下会引起沿第一极化区1-1和第三极化区1-3所在对角线方向上的弯曲变形。同理，对激励组B施加激励电信号，接地电极2的接地电极片2-1通过接地引出电极2-2与激励电信号公共端连接实现压电陶瓷片1接地，由于第二极化区1-2和第四极化区1-4的极化方向不同，第二极化区1-2所对应的部分压电陶瓷片会产生变厚(或变薄)变形，第四极化区1-4所对应的压电陶瓷片会产生相对应的变薄(或变厚)变形，进而在激励组B的作用下会引起沿第二极化区1-2和第四极化区1-4所在对角线方向上的弯曲变形。由于上述第一极化区1-1和第三极化区1-3所在的对角线与第二极化区1-2和第四极化区1-4所在的对角线垂直，因此由激励组A和激励组B激励产生的两个弯曲变形存在空间相互正交的位置关系。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器，其特征在于，包括n层压电陶瓷片(1)、接地电极(2)和激励电极(3)，其中n为大于等于2的偶数；

所述压电陶瓷片(1)均分四个独立的极化区，具体包括第一极化区(1-1)、第二极化区(1-2)、第三极化区(1-3)、第四极化区(1-4)和未极化区(1-5)，其中未极化区(1-5)为四个极化区的中间没有极化的区域，用于将四个极化区分隔开，第一极化区(1-1)和第三极化区(1-3)对角设置，第二极化区(1-2)和第四极化区(1-4)对角设置，压电陶瓷片(1)的四个极化区均沿厚度方向极化，其中第一极化区(1-1)和第三极化区(1-3)的极化方向相反，第二极化区(1-2)和第四极化区(1-4)的极化方向相反，第一极化区(1-1)和第二极化区(1-2)的极化方向相同，且相邻两层压电陶瓷片(1)之间相对的两个极化区的极化方向相反；

所述接地电极(2)包括n/2-1个接地电极片(2-1)和接地引出电极(2-2)；

所述激励电极(3)包括n/2个激励电极片(3-1)和激励引出电极(3-2)，激励电极(3)中的激励电极片(3-1)设置于相邻两层压电陶瓷片(1)相对的极化区之间；

所述接地电极(2)和激励电极(3)的侧面均为梳齿状结构；

所述n层压电陶瓷片(1)中从一端数第i层压电陶瓷片(1)的极化区与第i+1层压电陶瓷片(1)的极化区之间设置激励电极片(3-1)，第i+1层压电陶瓷片(1)与第i+2层压电陶瓷片(1)之间设置接地电极片(2-1)，其中i为奇数；

所述接地电极(2)中的接地电极片(2-1)的形状与压电陶瓷片(1)的形状一致；

所述激励电极(3)中的激励电极片(3-1)的形状与压电陶瓷片(1)的极化区的形状一致。

2.根据权利要求1所述的叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器，其特征在于，所述电陶瓷片(1)的形状为圆形或正m边形，其中m为大于等于4的偶数。

3.根据权利要求1所述的叠层式弯曲型压电陶瓷驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷片(1)设置中心孔(1-6)，该中心孔(1-6)的截面形状为圆形或正p边形，其中p为大于等于4的偶数。