CN108933546A - 一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器 - Google Patents

一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器 Download PDF

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刘永刚
曹胜捷
贾其苏
张婷
张浩男
吴舟
郭全圆
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/0075—Electrical details, e.g. drive or control circuits or methods

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

Abstract

本发明涉及一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器，包括压电陶瓷基体和覆盖在压电陶瓷上、下表面上的电极，每个表面的电极均包括平面螺旋状的电极一和电极二，同一表面上的电极一和电极二呈中心对称相互嵌套且互不接触地排列在压电陶瓷表面，上表面的电极一和下表面的电极一相对压电陶瓷基体厚度方向的中间面上下对称设置且相互连通后组成电极对Ⅰ，上表面的电极二和下表面的电极二相对压电陶瓷厚度方向的中间面上下对称设置且相互连通后组成电极对Ⅱ，本发明通过特殊排列的电极使用压电陶瓷的d33工作模式，结构简单，能够实现大位移或大驱动力的输出。

Description

一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器
技术领域
本发明涉及微驱动技术领域，具体涉及一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器。
背景技术
随着微机电、生物科技、航空航天、光学系统、机器人等高精度机械工程微驱动领域的快速发展，各种精密仪器和机电一体化设备都需要大位移和大推力的微驱动器，然而常用压电陶瓷驱动器的不足之处是只能使用压电常数d31模式工作，驱动位移和驱动力比较小，驱动性能差。常用的压电陶瓷驱动器为了获得较大的微位移和驱动力，必须多个压电驱动器堆叠或阵列使用，或者采用增加外电源电压的方式，结构复杂，增加了微驱动精密设备的实现难度。
发明内容
针对现有技术的压电陶瓷驱动器驱动位移小且结构复杂的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够实现大位移输出的双螺旋电极压电陶瓷驱动器。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器，包括压电陶瓷基体和覆盖在压电陶瓷上、下表面上的电极，每个表面的电极均包括电极一和电极二，其特征在于：所述电极一和所述电极二均为平面螺旋电极，同一表面上的所述电极一和所述电极二呈中心对称相互嵌套地排列在压电陶瓷表面，上表面的电极一和下表面的电极一相对压电陶瓷基体厚度方向的中间面上下对称设置且相互连通后组成电极对Ⅰ，上表面的电极二和下表面的电极二相对压电陶瓷厚度方向的中间面上下对称设置且相互连通后组成电极对Ⅱ。
优选地，所述压电陶瓷基体为圆片形。
优选地，所述电极通过丝网印刷法刻蚀在压电陶瓷基体上。
优选地，所述电极采用银电极层制成。
优选地，所述电极对Ⅰ和电极对Ⅱ分别连接直流电源正负极进行极化处理。
优选地，极化后的电极对分别连接电源的正负极实现位移或驱动力的输出。
有益效果：一方面，本发明的压电陶瓷驱动器，通过特殊排列的电极，实现了利用较大的压电常数d33的工作模式，由于压电陶瓷的d33常数是d31常数的2-3倍，因此本发明的双螺旋电极压电陶瓷驱动器能够获得较大的微位移和驱动力，驱动性能良好；另一方面，本发明的压电驱动器可以单个使用实现大位移或驱动力的输出，相比传统需要多层叠加或阵列使用的压电驱动器，本发明结构简单，环境适应性强。
附图说明
图1为本发明压电驱动器的立体示意图；
图2为本发明压电驱动器的上表面示意图；
图3为本发明压电驱动器的下表面示意图；
图4为现有技术的普通压电陶瓷驱动器示意图。
附图标记：1、压电陶瓷基体，2、上表面电极一，3、上表面电极二，4、下表面电极一，5、下表面电极二,6、正电极，7、负电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1至图3所示，本发明的双螺旋电极压电陶瓷驱动器，包括压电陶瓷基体1和覆盖在压电陶瓷基体上、下表面上的电极，每个表面的电极均包括电极一(2、4)和电极二(3、5)，电极一(2、4)和电极二(3、5)均为平面螺旋形电极，其中上表面电极一2和上表面电极二3呈中心对称相互嵌套且互不接触地设置在上表面，下表面电极一4和下表面电极二5呈中心对称相互嵌套且互不接触地设置在下表面，。上表面的电极一和下表面的电极一相对压电陶瓷基体厚度方向的中间面上下对称设置且相互连通后组成电极对Ⅰ，上表面的电极二和下表面的电极二相对压电陶瓷基体厚度方向的中间面上下对称设置且相互连通后组成电极对Ⅱ。
具体地，如图2所示，上表面电极一2和上表面电极二3均为平面螺旋形电极，两者以中心对称且相互嵌套的方式覆盖在压电陶瓷基体1的上表面，上表面电极一2和上表面电极二3的螺旋线之间不接触，相互绝缘，如图3所示，下表面电极一4和下表面电极二5均为平面螺旋形电极，两者以中心对称且相互嵌套的方式覆盖在压电陶瓷基体1的下表面，下表面电极一4和下表面电极二5的螺旋线之间不接触，相互绝缘。上表面电极一2与下表面电极一4在压电陶瓷1上、下表面的位置和尺寸相同，上表面电极二3与下表面电极二5在压电陶瓷1上、下表面的位置和尺寸相同。上表面电极一与下表面的电极一连通，组成电极对Ⅰ，上表面的电极二3与下表面的电极二5连通，组成电极对Ⅱ，如图1所示。
优选地，所述电极通过丝网印刷法刻蚀在压电陶瓷基体1的表面，电极优选为银电极层。
在极化的时候，电极对Ⅰ和电极对Ⅱ分别连接直流电源正负极进行极化处理。经过极化后，两个电极对分别形成正电极和负电极，分别连接电源两级，可实现位移和驱动力的输出。
图1-3所示为本发明的压电陶瓷驱动器，图4所示为现有技术的普通型压电陶瓷驱动器，其上下表面分别覆盖正电极6和负电极7。本发明的压电陶瓷驱动器，通过特殊排布的电极，使用压电常数d33的工作模式，而普通型压电陶瓷驱动器只能使用d31工作模式，因此，本发明的压电陶瓷驱动器能够实现大位移和大推力的输出，具体分析如下。
对于图4所示的普通型压电驱动器，当取夹持应为σr和电场强度E为自变量时，其压电本构方程为：
当取自由应变εr和电场强度E为自变量时，其压电本构方程为：
对于图1所示的本发明的压电驱动器：
当取夹持应为σr和电场强度E为自变量时，其压电本构方程为：
当取自由应变εr和电场强度E为自变量时，其压电本构方程为：
由于压电圆环的驱动性能表征为驱动器径向的应力、应变输出。因此，在电极上外加电压后，其应力、应变和电场的边界条件可以分别表示为：
σθ＝σz＝0 (5)
εθ＝εz＝0 (6)
Eθ＝EZ＝0 (7)
将公式(5)、(6)、(7)分别带入到方程(1)、(2)、(3)、(4)中，可得：
普通型压电驱动器的压电方程简化为：
εr＝d31·Er
σr＝-e31·Er
对于普通型压电驱动器而言，其电场方向和极化方向都平行于z轴，在平面径向方向(r轴)利用压电常数d31。
本发明的压电驱动器的压电方程简化为：
εr＝d33·Er
σr＝-e33·Er
本发明的压电陶瓷驱动器来说，由于正负电极排列于上下表面，压电驱动器的极化方向与电场平行与r轴。在平面径向方向(r轴)上利用了压电常数d33。
压电常数d33(或e33)通常为压电常数d31(或e31)的2-3倍，例如，可参见表1中压电陶瓷材料PZT-5H的参数。
表1压电陶瓷材料参数(PZT-5H)
因此，通过本发明提出的双螺旋电极压电陶瓷驱动器，能够利用压电陶瓷的压电常数d33，驱动器能够产生较大的微位移和大应力。
同时，日常使用普通型压电陶瓷驱动器时，为实现大位移，通常需多个压电驱动器堆叠或者阵列，这样使得压电驱动器结构增大。本发明的一个压电驱动器就可实现大位移或大驱动里的输出，无需叠加或阵列使用，结构简单，减少使用数量的同时还实现了大位移，具有更好的环境适应性，能够适用于高低温等极端环境。
本发明的压电陶瓷驱动器可应用于光学系统、航空航天以及生物医学、微机电领域等等，比如用于微动工作台，结合柔性铰链放大机构，可以实现微纳米级的超精密定位。

Claims (6)

1.一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器，包括压电陶瓷基体和覆盖在压电陶瓷上、下表面上的电极，每个表面的电极均包括电极一和电极二，其特征在于：所述电极一和所述电极二均为平面螺旋电极，同一表面上的所述电极一和所述电极二呈中心对称相互嵌套且互不接触地排列在压电陶瓷表面，上表面的电极一和下表面的电极一相对压电陶瓷基体厚度方向的中间面上下对称设置且相互连通后组成电极对Ⅰ，上表面的电极二和下表面的电极二相对压电陶瓷厚度方向的中间面上下对称设置且相互连通后组成电极对Ⅱ。
2.如权利要求1所述的一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述压电陶瓷基体为圆片形。
3.如权利要求1所述的一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述电极通过丝网印刷法刻蚀在压电陶瓷基体上。
4.如权利要求1所述的一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述电极采用银电极层制成。
5.如权利要求1所述的一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器，其特征在于：所述电极对Ⅰ和电极对Ⅱ分别连接直流电源正负极进行极化处理。
6.如权利要求5所述的一种双螺旋电极压电陶瓷驱动器，其特征在于：极化后的电极对分别连接电源的正负极实现位移或驱动力的输出。
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