CN113852292A - 一种压电陶瓷-基体一体化驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微型压电驱动器领域，提供了一种压电陶瓷‑基体一体化驱动器包括压电陶瓷、下电极、基体、分区上电极。基体上部分布齿形结构，底部为平面。下电极制备在基体底部。压电陶瓷通过电流体喷印技术直接将压电陶瓷喷印至下电极表面，通过高温共烧技术使基体、下电极和压电陶瓷形成无界面的整体，实现压电陶瓷和基体的一体化体系。分区上电极制备在压电陶瓷表面。本发明避免了传统压电驱动器中压电陶瓷粘接精度受限、工艺复杂等问题以及胶结层的结合强度差、对振动传递有损耗等问题，显著提高了压电陶瓷和基体的结合强度，并提高了驱动器的驱动性能和长期可靠性,实现了微型化、大驱动力的驱动器制造。
Description
技术领域
本发明属于微型压电驱动器领域，具体涉及一种压电陶瓷-基体一体化驱动器。
背景技术
压电驱动器由于其定位精度高、响应快等特点在航空航天、医疗、摄像头驱动等领域有着广阔的应用前景。传统压电驱动器的制备是首先将陶瓷块材机械加工减薄，然后进行分区极化，最后采用环氧胶粘的方式将压电片和基体对位粘结在一起。由此制成的驱动器中压电陶瓷与基体之间是柔性连接，胶结层对振动传递产生损耗。而且有机胶水的涂抹难以控制，厚度和均匀性不易掌握，不均匀的胶层厚度容易导致胶层中夹有气泡，压电陶瓷激力无法有效传递到基体，从而使得基体的弯曲振动幅值下降，最终导致电机输出性能降低。而且，随着驱动器尺寸的不断降低，这种粘接方式存在精度受限、工艺复杂等问题。此外，该方式还存在压电陶瓷和基体的粘接胶蠕变、结合强度弱等问题，严重影响了器件性能。
专利号为201020219439.0的专利公开了一种旋转行波超声电机。其中压电陶瓷通过粘贴方式固定在超声电机的定子(驱动器)下表面，该固定方式存在精度受限问题，并且随着超声电机尺寸的减小，工艺难度大大增加；此外胶层的存在使压电陶瓷的振动无法完全传递至弹性体上，降低了超声电机的驱动性能。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种压电陶瓷-基体一体化驱动器。其中压电陶瓷是将电能转化为机械能的换能元件，基体可以降低驱动器的谐振频率，提高驱动器的驱动性能。该驱动器采用电流体喷印技术在基体上直接喷印制造微米级压电陶瓷，然后按照一定的共烧温度和共烧时间进行高温共烧处理，通过高温共烧技术基体和压电陶瓷的结构组织互相渗透结合，形成材料-结构无分界面的整体，将压电陶瓷和基体刚性连接，实现压电陶瓷-基体的一体化体系，避免了传统压电陶瓷的拼接、转移、粘贴等工艺，简化了工艺流程，能够实现微型化、大驱动力的驱动器制造。此外，避免了胶结层对振动传递的损耗，将显著提高压电陶瓷和基体的结合强度，并提高驱动器的驱动性能和长期可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种压电陶瓷-基体一体化驱动器，包括基体1、下电极2、压电陶瓷3和分区上电极4。
所述基体1上部分布齿形结构，底部为平面；所述下电极2制备在基体1底部；所述压电陶瓷3通过电流体喷印技术直接将压电陶瓷3喷印至下电极2表面，通过高温共烧技术实现压电陶瓷3和基体1的一体化体系，使压电陶瓷3的振动无损地传递给基体1；所述分区上电极4制备在压电陶瓷3表面。
所述压电陶瓷3通过以下方式制备：
将基体1置于运动平台板5上，高压电源12在喷针7和运动平台板5之间施加电压，压电陶瓷复合墨水在微量注射泵10的缓慢推动下，从注射器9通过导管8流至喷针7出口，在电场、重力场等作用下产生稳定的精细射流6；PC上位机11控制运动平台板5沿着预定的运动轨迹运动，通过层层叠加累积，实现压电陶瓷3的电流体喷印制造；电喷印完成后，按照性能需求将器件在520℃～1120℃的温度范围内进行高温共烧处理，使基体1、下电极2和压电陶瓷3的结构组织互相渗透结合，形成材料-结构无界面的整体，并使压电陶瓷3固化形成钙钛矿结构；最后在固化后的压电陶瓷3表面制备一层分区上电极4，经过极化后形成具有压电效应的压电陶瓷3。
本发明的有益效果为：本发明的压电陶瓷-基体一体化驱动器采用电流体喷印技术在弹性体上直接喷印制造微米级压电陶瓷，通过高温共烧技术实现压电陶瓷-基体的一体化体系，避免了传统压电驱动器中压电陶瓷粘接精度受限、工艺复杂等问题以及胶结层的结合强度差、对振动传递有损耗等问题，显著提高了压电陶瓷和弹性体的结合强度，并提高了驱动器的驱动性能和长期可靠性，实现了微型化、大驱动力的驱动器制造。
附图说明
图1(a)和图1(b)为压电陶瓷-基体一体化驱动器三维示意图。
图2为压电陶瓷-基体一体化驱动器俯视示意图。
图3为压电陶瓷-基体一体化驱动器仰视示意图。
图4为压电陶瓷-基体一体化驱动器极化区域示意图。
图5为压电陶瓷-基体一体化驱动器电流体喷印设备图。
图6为压电陶瓷-基体一体化驱动器制备流程图。
其中：1基体；2下电极；3压电陶瓷；4分区上电极；5运动平台板；6精细射流；7喷针；8导管；9注射器；10微量注射泵；11PC上位机；12高压电源。
具体实施方式
结合技术方案和附图对本发明进一步说明。
如图1(a)和图1(b)、图2和图3所示，实施例的压电陶瓷-基体一体化驱动器包括基体1、下电极2、压电陶瓷3和分区上电极4。其中基体1为环形结构，上部分布齿形结构，底部为平面。所述下电极2制备在基体1底部。所述压电陶瓷3通过电流体喷印技术直接将压电陶瓷3喷印至下电极2表面，通过高温共烧技术使基体1、下电极2和压电陶瓷3形成无界面的整体，实现压电陶瓷3和基体1的一体化体系。所述分区上电极4制备在压电陶瓷3表面。
如图5和图6所示，实施例的具体实施步骤如下：
1.压电陶瓷-基体一体化制备
通过高精密机械加工，将金属母材加工成基体1。通过溅射技术在基体1底部制备一层下电极2。配制了压电陶瓷颗粒/溶胶复合墨水，并采用电流体喷印技术来制备环形压电陶瓷3。首先将基体1置于运动平台板5上，高压电源12正极输出端和负极输出端分别与喷针7和运动平台板5连接，高压电源12施加电压，复合墨水在微量注射泵10的缓慢推动下，从精密的注射器9通过导管8流至喷针7出口，在电场、重力场等作用下产生稳定的精细射流6。PC上位机11控制运动平台板5沿着预定的运动轨迹运动，通过层层叠加累积，实现压电陶瓷3的电流体喷印制造。每沉积一层，需要将器件高温加热，以去除残留在压电陶瓷3中的有机溶剂，释放因溶剂挥发而产生的应力。每沉积50层的压电陶瓷3，需要在720℃条件下退火烧结，以形成具有压电效应的压电陶瓷3，同时将压电陶瓷3和基体1刚性连接为一个整体。最终实现压电陶瓷3和基体1的一体化系统。
2.压电陶瓷的电极制备和极化
通过溅射技术，在压电陶瓷3表面制备一层图案化的分区上电极4。分区上电极4制备完成后，按照相邻区域极化方向相反的原则对压电陶瓷3进行极化。同时，将压电陶瓷3分区为A相和B相(如图4所示)，分别在A相和B相上施加相位差为π/2的正弦交流激励电压，压电陶瓷3由于逆压电效应，在基体1上形成行波，驱动转子转动。
Claims (1)
1.一种压电陶瓷-弹性体一体化驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷-弹性体一体化驱动器包括基体(1)、下电极(2)、压电陶瓷(3)和分区上电极(4)；
所述基体(1)上部分布齿形结构，底部为平面；所述下电极(2)制备在基体(1)底部；所述压电陶瓷(3)通过电流体喷印技术直接将压电陶瓷(3)喷印至下电极(2)表面，通过高温共烧技术实现压电陶瓷(3)和基体(1)的一体化体系，使压电陶瓷(3)的振动无损地传递给基体(1)；所述分区上电极(4)制备在压电陶瓷(3)表面；
所述压电陶瓷(3)通过以下方式制备：
将基体(1)置于运动平台板(5)上，高压电源(12)在喷针(7)和运动平台板(5)之间施加电压，压电陶瓷复合墨水在微量注射泵(10)的缓慢推动下，从注射器(9)通过导管(8)流至喷针(7)出口，在电场、重力等作用下产生稳定的精细射流(6)；PC上位机(11)控制运动平台板(5)沿着预定的运动轨迹运动，通过层层叠加累积，实现压电陶瓷(3)的电流体喷印制造；电喷印完成后，按照性能需求将器件在520℃～1120℃的温度范围内进行高温共烧处理，使基体(1)、下电极(2)和压电陶瓷(3)的结构组织互相渗透结合，形成材料-结构无界面的整体，并使压电陶瓷(3)固化形成钙钛矿结构；最后在固化后的压电陶瓷(3)表面制备一层分区上电极(4)，经过极化后形成具有压电效应的压电陶瓷(3)。
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