CN112994519A - 一种轴向大应变压电驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴向大应变压电驱动装置，其主体是由多个压电单元堆叠组合而成的多层压电结构，每个压电单元本身就是一个压电驱动器，通过多个压电单元的堆叠，产生线性叠加的压电效应集合，从而实现轴向大应变压电驱动的特性，所述压电单元为薄片型，其相对两表面分别设有作为正负电极的面电极，相邻两压电单元叠加形成的缝隙宽度相较于传统机械焊接而言明显减小，能量传递的效率也会显著提升；本发明的轴向大应变压电驱动装置加工简捷，具有轴向大应变特性，解决了现有装置结构单元组合过程中需要焊接且组合不严密、能量采集效率偏低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及压电能量采集技术领域，具体而言，涉及一种轴向大应变压电驱动装置。
背景技术
压电陶瓷具有响应速度快、线性度好、功耗低等优点，已被广泛应用于驱动、传感和抑振等诸多领域方面。压电式驱动装置是利用压电材料的逆压电效应来实现电能向机械能的转变装置。压电式驱动装置中压电结构件的构成形式多种多样，其中叠堆式压电驱动器可以直接用于精密微位移驱动元器件，并在精密机械电子领域得到了广泛的应用。
虽然叠堆式压电驱动器的驱动力较大，但是驱动位移较小，位移输出量普遍偏低。国内外研究主要集中在压电驱动器的位移放大机构的设计方面，对陶瓷本身的结构设计方面关注不足。并且，传统叠堆式压电驱动器结构中，螺栓作为连接模块的部件，经常会由于紧固性较差、受到的冲击力过大等原因而影响其连接件的振动模态。
基于单层压电陶瓷片驱动位移太小、抑振性能较差的现状，传统叠堆式压电驱动器结构已经没法满足当前低电压下大位移、大推力、大抑振百分比的需要。为了克服这一缺点，对叠堆式压电驱动器结构中单元压电片的结构设计和优化是一种具有可行性的新思路。然而，在实际应用中压电陶瓷环叠堆面临着电极引线困难、叠堆后单片电极之间存在缝隙和陶瓷环无法完全对齐等诸多问题。
鉴于此，本领域亟需提出一种新型结构的叠堆式压电驱动装置以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴向大应变压电驱动装置，采用薄片型的压电单元，利用压电单元性能线性加和的特征，克服传统叠加装置需要通过焊接等粗放技术方案而产生大缝隙的不利因素，提高相邻压电单元之间的力学传导效率，改善能量的传导和利用效率，从而得到了轴向大应变的特性。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种轴向大应变压电驱动装置，包括多层压电结构以及分别位于该多层压电结构两侧的正极导电薄膜和负极导电薄膜；
所述多层压电结构由多层压电单元堆叠构成；
所述压电单元为薄片型，包括相对的第一表面和第二表面以及与所述第一表面和第二表面均连接的侧面；
每一压电单元的第一表面和第二表面分别设有正电极和负电极，所述正电极和负电极分别延伸至压电单元相对两端的侧面上而分别形成正极引出端和负极引出端；
所述压电单元在多层压电结构中按照正电极与正电极贴合、负电极与负电极贴合的方式堆叠排列；
所述正极导电薄膜与每层压电单元的正极引出端接触连接，所述负极导电薄膜与每层压电单元的负极引出端接触连接。
具体地，每一压电单元的正电极和负电极通过溅射形成，所述正电极和负电极的材料可以选自金属导电材料、金属氧化物导电材料等导电材料，如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、氧化铟锡(ITO)等可以用于溅射的良导体材料。
具体地，每一压电单元中，位于第一表面的正电极与位于侧面上的负极引出端之间具有间隙，间隙距离为d1；位于第二表面的负电极与位于侧面上的正极引出端之间具有间隙，间隙距离为d2；该间隙距离d1、d2可以为1mm-3mm。
具体地，每一压电单元上设有通孔，每层压电单元的通孔共同构成贯穿多层压电结构的安置孔。
具体地，所述多层压电结构整体呈棒状，其中相邻两压电单元在厚度方向上完全重叠。
具体地，所述压电单元的材料可以选自常用的压电陶瓷材料，例如锆钛酸铅(PTZ)、铌酸钾钠(KNN)、钛酸钡(BT)等系列陶瓷材料。
具体地，所述正极导电薄膜和负极导电薄膜分别覆盖每层压电单元的正极引出端接和每层压电单元的负极引出端，所述正极导电薄膜和负极导电薄膜的材料可以为导电胶材料，所述正极导电薄膜和负极导电薄膜通过涂布形成。
具体地，所述压电单元的厚度可以为0.1mm～3mm。
可选地，所述压电单元整体呈圆环形，其内圆半径R1为1cm～100cm，外圆半径R2为6cm～1000cm。
具体地，所述正极引出端的宽度W1为0.1cm～100cm；所述负极引出端的宽度W2为0.1cm～100cm。
具体地，所述多层压电结构外侧设有将所述多层压电单元固定在一起的紧固螺栓。
具体地，所述的一种轴向大应变压电驱动装置的轴向大应变能为30μm～100μm。
本发明具有以下有益效果：
(1)相较于传统压电装置简单堆叠方式，本发明着眼于材料问题源头，从微观视角对压电单元的本体结构进行了设计和优化，利用压电单元性能线性加和的特征，构建了一种轴向大应变压电驱动装置。
(2)压电单元的正负电极为面电极，其可采用溅射形式形成，电极精密度可以精确到原子级，保证了相邻结构单元之间的紧密贴合，阻止了宏观大间隙的产生，进一步提高了各压电单元的线性耦合程度，解决了现有技术中装置结构单元组合过程中需要焊接且组合不严密，能量采集效率偏低的问题。
(3)本发明的轴向大应变压电驱动装置加工简捷，简化了压电驱动器的器件组装程序，无需复杂且低可靠性的引线工艺，保证了整体装置中压电单元叠堆的对齐和外观美观。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1a-图1d示出本发明轴向大应变压电驱动装置中压电单元在不同视角下的正反面；
图2为本发明轴向大应变压电驱动装置中多层压电结构的示意图；
图3a-图3b为图2的多层压电结构中相邻4片压电单元在不同视角下的解构示意图；
图4为本发明轴向大应变压电驱动装置的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图4所示，本发明提供一种轴向大应变压电驱动装置，其主体是由多层压电单元10堆叠构成多层压电结构1，还包括分别位于该多层压电结构1两侧的正极导电薄膜31和负极导电薄膜32。
如图1所示，所述压电单元10为薄片型，包括相对的第一表面和第二表面以及与所述第一表面和第二表面均连接的侧面；每一压电单元10的第一表面和第二表面分别设有正电极11和负电极12，所述正电极11和负电极12分别延伸至压电单元10相对两端的侧面上而分别形成正极引出端21和负极引出端22。
具体地，每一压电单元中，位于第一表面的正电极11与位于侧面上的负极引出端22之间具有间隙，间隙距离为d1；位于第二表面的负电极12与位于侧面上的正极引出端21之间具有间隙，间隙距离为d2；该间隙距离d1、d2可以为1mm-3mm。
具体地，如图2、图3a、图3b所示，所述压电单元10在多层压电结构1中按照正电极11与正电极11贴合、负电极12与负电极12贴合的方式堆叠排列。
具体地，所述正极导电薄膜31与每层压电单元10的正极引出端21接触连接，所述负极导电薄膜32与每层压电单元10的负极引出端22接触连接，以将隔断的电极充分连接起来形成整体装置的总电极。
具体地，每一压电单元10的正电极11和负电极12是通过溅射形成，所述正电极11和负电极12的材料可以为金属导电材料、金属氧化物导电材料等导电材料；如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、氧化铟锡(ITO)等可以用于溅射的良导体材料；该电极制备过程简单，正负电极11/12的厚度可为原子尺度级别，因此相邻两薄片的压电单元10叠加形成的缝隙宽度相较于传统机械焊接而言明显减小，因而能量传递的效率也会显著提升。
具体地，每一压电单元10上设有通孔15，每层压电单元10的通孔15共同构成贯穿多层压电结构的安置孔5，从而为驱动对象提供一个受力和安置空间。
具体地，所述多层压电结构1在组装过程中，要保证相邻压电单元10的几何形状完全重叠而形成一个棒状的整体装置结构。
具体地，为了确保装置整体结构的稳定性，还需要使用紧固螺栓(未图示)从棒状的多层压电结构1两端对其进行紧固夹持。
具体地，压电单元10的材料可选自常规压电材料，如锆钛酸铅、铌酸钾钠、钛酸钡等系列陶瓷材料。
具体地，所述正极导电薄膜31和负极导电薄膜32分别涂布形成在多层压电结构1两侧而分别覆盖每层压电单元10的正极引出端接21和每层压电单元10的负极引出端22，所述正极导电薄膜31和负极导电薄膜32可以为导电胶材料。
具体地，所述压电单元10的厚度t为0.1mm～3mm。
具体地，所述压电单元10整体呈圆环形，其内圆半径R1为1cm～100cm，外圆半径即通孔15的半径R2为6cm～1000cm。
具体地，所述正极引出端21的宽度W1为0.1cm～100cm；所述负极引出端22的宽度W2为0.1cm～100cm。
具体地，本发明的轴向大应变压电驱动装置的轴向大应变能可达到30μm～100μm。
实施例1
具体在本实施1中，选择锆钛酸铅陶瓷材料的压电单元10，正负电极11/12为溅射形成的银膜，其几何尺寸为R1＝10cm，R2＝20cm，W1＝0.1cm，W2＝0.1cm，d1＝2mm，d2＝2mm，t＝0.1cm，取20片该压电单元10线性堆叠后，得到轴向大应变压电驱动装置，经测量后其轴向大应变能达到50μm。
实施例2
在本实施2中，取40片该压电单元10线性堆叠得到轴向大应变压电驱动装置，其他技术特征均与实施例1相同，在此不再赘述，本实施例2的轴向大应变能达到100μm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，包括多层压电结构以及分别位于该多层压电结构两侧的正极导电薄膜和负极导电薄膜；
所述多层压电结构由多层压电单元堆叠构成；
所述压电单元为薄片型，包括相对的第一表面和第二表面以及与所述第一表面和第二表面均连接的侧面；
每一压电单元的第一表面和第二表面分别设有正电极和负电极，所述正电极和负电极分别延伸至压电单元相对两端的侧面上而分别形成正极引出端和负极引出端；
所述压电单元在多层压电结构中按照正电极与正电极贴合、负电极与负电极贴合的方式堆叠排列；
所述正极导电薄膜与每层压电单元的正极引出端接触连接，所述负极导电薄膜与每层压电单元的负极引出端接触连接。
2.根据权利要求1所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，每一压电单元的正电极和负电极通过溅射形成；
每一压电单元中，位于第一表面的正电极与位于侧面上的负极引出端之间具有间隙，位于第二表面的负电极与位于侧面上的正极引出端之间具有间隙。
3.根据权利要求1所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，每一压电单元上设有通孔，每层压电单元的通孔共同构成贯穿多层压电结构的安置孔。
4.根据权利要求1所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，所述多层压电结构整体呈棒状，其中相邻两压电单元在厚度方向上完全重叠。
5.根据权利要求1所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，所述压电单元的材料为锆钛酸铅系列陶瓷材料、铌酸钾钠系列陶瓷材料或钛酸钡系列陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，所述正极导电薄膜和负极导电薄膜通过涂布形成，所述正极导电薄膜和负极导电薄膜分别覆盖多层压电结构中每层压电单元的正极引出端接和每层压电单元的负极引出端。
7.根据权利要求1所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，所述压电单元的厚度为0.1mm～3mm。
8.根据权利要求1所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，所述多层压电结构外侧设有将多层压电单元固定在一起的紧固螺栓。
9.根据权利要求3所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，所述压电单元整体呈圆环形，其内圆半径R1为1cm～100cm，外圆半径R2为6cm～1000cm；
所述正极引出端的宽度W1为0.1cm～100cm；所述负极引出端的宽度W2为0.1cm～100cm。
10.根据权利要求1所述的一种轴向大应变压电驱动装置，其特征在于，其轴向大应变能为30μm～100μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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