CN109216536B - 一种正交异性压电陶瓷驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正交异性压电陶瓷驱动器，包括圆形压电陶瓷基体和覆盖在压电陶瓷基体上、下表面上的电极，下表面电极与上表面电极相对压电陶瓷厚度方向的中间面完全对称设置，每个表面上的电极均包括电极一和电极二，电极一和电极二均为扇形叉指电极，同一表面上的电极一和电极二呈相互交叉排列设置，在压电陶瓷表面形成两个扇形电极区域，电极区域角能够根据驱动器作动范围进行调整，方向角能够根据驱动器作动方向进行调整，本发明可以实现在特定方向上的大位移输出或在特定方向上产生高能量的应力波信号，尤其适用于微驱动领域，能够提高精度、降低精密设备的实现难度。

Description

一种正交异性压电陶瓷驱动器

技术领域

本发明涉及压电陶瓷驱动技术领域，具体涉及一种正交异性压电陶瓷驱动器。

背景技术

随着现代工业的高速发展，对高精度机械工程微驱动器的要求越来越高；压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应快、体积小、驱动力大的优点，在微驱动领域得到了广泛应用。但是常用的压电陶瓷驱动器工作在d31模式，由于驱动位移小，必须使用压电陶瓷驱动器阵列，或者采用增加外电源电压的方式，来增大驱动器的输出，结构复杂；同时，由于在平面内压电陶瓷的各向同性特点，在驱动器各方向产生等强度的应力波，具有方向性差的缺点，发射应力波的能量分散在整个区域，增加了高精密机电设备的实现难度。

发明内容

针对现有技术压电陶瓷驱动器驱动力小以及驱动方向性差的缺陷，本发明的目的在于提供一种正交异性压电陶瓷驱动器，利用较大的压电常数d33，因此能够获得较大的微位移和驱动力，同时具有正交异性的特点，方向性强。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种正交异性压电陶瓷驱动器，包括圆形压电陶瓷基体和覆盖在压电陶瓷基体上、下表面上的电极，下表面电极与上表面电极相对压电陶瓷厚度方向的中间面完全对称设置，每个表面上的电极均包括电极一和电极二，上表面电极一和下表面电极一连接后形成电极对Ⅰ，上表面电极二和下表面电极二连接后形成电极对Ⅱ，其特征在于：电极一和电极二均为扇形叉指电极，同一表面上的电极一和电极二呈交叉排列设置，在压电陶瓷表面形成两个扇形电极区域，电极区域角分别为α₁和α₂，两个扇形电极区域之间的方向角分别为β₁和β₂，改变电极区域角能够调整驱动器作动范围，改变方向角能够调整驱动器作动方向。

电极一和电极二均包括主电极和分支电极，所述主电极沿压电陶瓷基体的半径方向，所述分支电极为分别连接主电极的多个同心圆弧，多个同心圆弧以压电陶瓷基体的中心为圆心且沿压电陶瓷基体径向方向呈扇形叉指排布在主电极上。

电极一和电极二的主电极构成扇形电极区域的边界，电极一和电极二的分支电极相互交错，在压电陶瓷基体的径向方向上交替分布。

当α₁和α₂其中一个为0时，电极一和电极二在压电陶瓷表面形成一个扇形电极区域，驱动器只在一个方向产生驱动力或位移。

α₁和α₂的关系为α₁＝α₂、α₁<α₂或α₁>α₂。

β₁和β₂的关系为β₁＝β₂、β₁<β₂或β₁>β₂。

所述电极通过丝网印刷法刻蚀在压电陶瓷基体上。

有益效果：

本发明通过压电陶瓷基体表面电极的特殊排布，使驱动器具有正交异性的特点，在一定电压信号激励时，实现压电陶瓷驱动器在特定方向上的大位移，以及在特定方向产生高能量的应力波信号。本发明的压电陶瓷驱动器，仅需单片就可以完成大位移或大驱动力的输出，无需阵列或叠加使用，结构新颖、简单、体积小；本发明实用性强、稳定性好、响应快、精度高；降低了精密设备实现的成本和难度，可以用于精密机械工程微驱动领域；本发明的成本低，与常用同类型压电陶瓷驱动器成本基本相同，但性能好，且制造工艺简单，仅需将设计好的电极图案印刷或蚀刻在压电陶瓷表面，有利于批量生产，具有有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明压电陶瓷驱动器的立体示意图；

图2为本发明压电陶瓷驱动器实施方式一的上表面示意图；

图3为本发明压电陶瓷驱动器实施方式一的下表面示意图；

图4为本发明压电陶瓷驱动器实施方式二的示意图；

图5为本发明压电陶瓷驱动器实施方式三的示意图；

图6为本发明压电陶瓷驱动器实施方式四的示意图；

图7为传统压电陶瓷驱动器用于结构损伤检测的示意图；

图8为本发明压电陶瓷驱动器用于缺陷A处损伤检测的示意图；

图9为本发明压电陶瓷驱动器用于缺陷B处损伤检测的示意图；

图10为缺陷A和缺陷B相对本发明驱动器的方位及角度示意图。

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，驱动器，7、缺陷A，8、缺陷B，9、传感器，10、应力波。

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。

本发明的正交异性压电陶瓷驱动器，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)，下表面电极与上表面电极相对压电陶瓷厚度方向的中间面完全对称设置，上表面电极一2和下表面电极一4连接后形成电极对Ⅰ，上表面电极二3和下表面电极二5连接后形成电极对Ⅱ，电极一(2、4)和电极二(3、5)均为扇形叉指电极，同一表面上的电极一和电极二相互交叉覆盖在压电陶瓷基体表面，在压电陶瓷表面形成两个扇形电极区域，如图2-5及图6所示，两个扇形电极区域的区域角分别为α₁和α₂，电极区域的方向角分别为β₁和β₂，改变电极区域角能够调整驱动器作动范围，改变方向角能够调整驱动器作动方向。

具体地，电极一和电极二均包括主电极和分支电极，主电极沿压电陶瓷基体的半径方向，分支电极为分别连接主电极的多个同心圆弧，同心圆弧以压电陶瓷基体的中心为圆心，多个同心圆弧沿压电陶瓷基体径向方向呈扇形叉指排布，同一表面上的电极一和电极二相互交错设置在压电陶瓷表面上，并形成两个扇形电极区域，电极一和电极二的主电极构成扇形电极区域的边界，电极一和电极二的分支电极的扇形叉指相互交错，在压电陶瓷基体的径向方向上交替分布。

如图2所示，上表面电极一2和上表面电极二3均为扇形叉指电极，两者以相互交错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均为扇形叉指电极，两者以相互交错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。

电极通过丝网印刷法刻蚀在压电陶瓷1的上表面，电极优选为银电极层，电极2与电极4在压电陶瓷1上下表面的位置相同尺寸相同，电极3与电极5在压电陶瓷1上下表面的位置相同尺寸相同，由于上下表面的电极相对压电陶瓷厚度方向的中间面对称设置，因此β₁＝β₃，β₂＝β₄，α₁＝α₃，α₂＝α₄。

电极制作完成后，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，电极对分别连接电源两级，来实现位移或驱动力的定向输出。

电极区域角α₁、α₂用于说明压电驱动器作动的区域大小，方向角β₁、β₂用于说明压电驱动器作动的方向，它们的大小根据所需驱动范围和驱动方向的需要进行设定，α₁、α₂之间的关系可以相等，α₁＝α₂，也可以不相等，α₁<α₂或α₁>α₂，方向角β₁、β₂之间可以相等，β₁＝β₂，也可以不相等，β₁<β₂或β₁>β₂，具体使用时，α₁、α₂及β₁、β₂可以根据上述关系进行任意组合，通过改变电极区域角α可以改变驱动器的作动范围，改变方向角β，可以调整驱动器的作动方向。

如图2-3所示为本发明压电陶瓷驱动器的实施方式一，驱动器的α₁＝α₂，β₁＝β₂，驱动器可以在电机区域α₁及α₂对应的方向范围产生驱动力或应力波；如图4所示为本发明压电陶瓷驱动器的实施方式二，其中α₁<α₂，β₁＝β₂；图5所示为本发明压电陶瓷驱动器的实施方式三，该实施方式中，α₂＝0，压电陶瓷基体表面只有一个扇形电极区域，驱动器只在一个方向产生应力波，或者也可以取α₁＝0，对应的压电陶瓷基体表面也只有一个扇形电极区域；图6为本发明压电陶瓷驱动器的实施方式四，其中α₁＝α₂，β₁<β₂。当然，α₁、α₂之间的关系以及β₁、β₂之间的关系不限于上述示例，也可以为α₁>α₂，β₁＝β₂，或α₁＝α₂，β₁>β₂，或α₁<α₂，β₁<β₂，或α₁<α₂，β₁>β₂，或α₁>α₂，β₁>β₂。

图7所示为传统压电陶瓷驱动器用于结构损伤检测的示意图，图中标号6代表驱动器，7表示缺陷A，8表示缺陷B，9表示传感器，传统的压电陶瓷驱动器由于各向同性，在各方向产生相等的驱动力或等强度的应力波，发射的能量分散在整个区域，方向性差，用于结构损伤监测，当结构存在多处损伤时，传统压电陶瓷驱动器在各方向产生等强度的应力波10，发射的能量分散在整个区域，多处损伤的反射波叠加后被传感器9接收，降低了能量有效率切混淆了不同的损伤信号，加大损伤精确定位的难度。

本发明的正交异性压电陶瓷驱动器，在一定的电压信号激励时，能够实现压电陶瓷驱动器在特定方向产生高能量的应力波信号，尤其适用于定向检测等应用。

如图8-9，本发明的驱动器能够在结构表面特定方向激发应力波，波束在特定方向上在很窄的区域内传播，结构在该区域的损伤特征融合到应力波中，传感器9会检测到携带损伤特征信息的应力波，而结构以外的损伤将不会影响该应力波，有效提高信噪比，能够实现结构损伤的精确定位，且提高能量有效率。

具体地，如图10所示，7表示缺陷A，8表示缺陷B，相对驱动器6而言，缺陷A的范围为16°，缺陷B为19°，缺陷A和缺陷B之间间隔28°，使用本发明的驱动器检测缺陷A时，驱动器激发的应力波沿着缺陷A的方向传播且不会覆盖到缺陷B，以防止反射回传感器的信号叠加影响精度，据此，设定电极区域角α₁＝16°，该电极区域对准缺陷A，同时β₁应大于47°(即28°+19°)，以使得α₂对应的电极区域不会检测到缺陷A或缺陷B，在此基础上可以根据需要取任意符合要求的数值，例如按照实施方式一的形式，可以取β₁＝164°，β₂＝164°，α₂＝16°，或者，按照实施方式三的形式，使驱动器只有一个电极区域，只在一个方向发射应力波用于检测缺陷A，此时电极区域角取16°，方向角为344°，此时驱动器示意图如图5所示。

当检测缺陷B时，同理，设置α₁＝19°，β₂应大于44°((即16°+28°)，以使得α₂对应的电极区域不会检测到缺陷A或缺陷B，在此基础上可以根据需要取任意符合要求的数值，例如可以取β₁＝161°，β₂＝161°，α₂＝19°。或者驱动器只有一个电极区域，只在一个方向发射应力波用于检测缺陷B，此时取电极区域角α＝19°，方向角β＝341°。

当然，上述取值只作为示例，不是穷举，没有列举所有满足要求的取值和驱动器形式，本领域技术人员可以根据本发明具体实施方式给出的电极区域角和方向角的各种组合设置满足要求的角度。

Claims (7)

1.一种正交异性压电陶瓷驱动器，包括圆形压电陶瓷基体和覆盖在压电陶瓷基体上、下表面上的电极，下表面电极与上表面电极相对压电陶瓷厚度方向的中间面完全对称设置，每个表面上的电极均包括电极一和电极二，上表面电极一和下表面电极一连接后形成电极对Ⅰ，上表面电极二和下表面电极二连接后形成电极对Ⅱ，其特征在于：电极一和电极二均为扇形叉指电极，同一表面上的电极一和电极二呈交叉排列设置，在压电陶瓷表面形成两个扇形电极区域，电极区域角分别为

，两个扇形电极区域之间的方向角分别为

，电极区域角

、

用于说明压电驱动器作动的区域大小，方向角

、

用于说明压电驱动器作动的方向，它们的大小根据所需驱动范围和驱动方向的需要进行设定，改变电极区域角能够调整驱动器作动范围，改变方向角能够调整驱动器作动方向。

2.如权利要求1所述的一种正交异性压电陶瓷驱动器，其特征在于：电极一和电极二均包括主电极和分支电极，所述主电极沿压电陶瓷基体的半径方向，所述分支电极为分别连接主电极的多个同心圆弧，多个同心圆弧以压电陶瓷基体的中心为圆心且沿压电陶瓷基体径向方向呈扇形叉指排布在主电极上。

3.如权利要求2所述的一种正交异性压电陶瓷驱动器，其特征在于：电极一和电极二的主电极构成扇形电极区域的边界，电极一和电极二的分支电极相互交错，在压电陶瓷基体的径向方向上交替分布。

4.如权利要求1所述的一种正交异性压电陶瓷驱动器，其特征在于：当

其中一个为0时，电极一和电极二在压电陶瓷表面形成一个扇形电极区域，驱动器只在一个方向产生驱动力或位移。

5.如权利要求1所述的一种正交异性压电陶瓷驱动器，其特征在于：

或

。

6.如权利要求1所述的一种正交异性压电陶瓷驱动器，其特征在于：

、

。

7.如权利要求1所述的一种正交异性压电陶瓷驱动器，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。

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