CN201323208Y - 层叠状剪切压电陶瓷促动器 - Google Patents

Abstract

一种层叠状剪切压电陶瓷促动器，由促动器主体、上端层、下端层、外部输入正电极端口和外部输入负电极端口构成，其特点是根据压电陶瓷剪切逆压电效应原理，将具有相反极化方向的压电陶瓷薄片相互交错的胶结或烧结在一起；以二进制方式配置对应压电陶瓷薄片层数，构成外部输入电气端口，在改变外加电场的同时，还可以以数字方式驱动促动器产生相应的形变。本实用新型在光学工程、精密机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

Description

层叠状剪切压电陶瓷促动器

技术领域

本实用新型涉及压电陶瓷促动器，特别是一种层叠状剪切压电陶瓷促动器及其驱动方式。

背景技术

压电陶瓷促动器是一种机电耦合元件，因其体积小(几立方毫米～几十立方毫米)、位移分辨率高(纳米级)、响应速度快(几十微秒)、输出力大、换能效率高等优点，是目前微位移技术中比较理想的驱动元件，广泛应用在光学精密工程、微机电系统、纳米制造技术、微电子技术、纳米生物工程等领域中。

压电陶瓷促动器利用压电材料的逆压电效应，施加一定的电场，实现形变位移的输出。在大部分应用中，通常利用压电陶瓷纵向逆压电效应和横向逆压电效应，但一般单片压电陶瓷的变形量都很小，因此应用范围受到一定限制，为了得到大的变形量往往利用几片或者多片压电陶瓷基片采用机械上串连、电路上并连，然后胶结或烧结方式制成层叠状促动器。

在压电材料中，剪切模式压电系数(d₁₅)比纵向模式压电系数(d₃₃)和横向模式(d₃₁)压电系数大的多，在相同的电场作用下，可产生更大的应变；并且剪切模式可以施加双极性电压，输出位移形变量具有对称性。

如图1所示，d为压电陶瓷形变位移量，L为压电陶瓷高度，E为所施加电场，P为压电陶瓷极化方向；U为所施加电压；当施加电场方向与压电陶瓷的极化方向垂直时，压电陶瓷产生剪切应变。形变位移量d＝d₁₅EL，其中 $E=\frac{U}{L},$ 则有 $d=d_{15}\frac{U}{L}L=d_{15}U.$

发明内容

本实用新型的目的是提供一种层叠状剪切压电陶瓷促动器，以获得较大的形变位移量和足够小的位移分辨率。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种层叠状剪切压电陶瓷促动器，由促动器主体、上端层、下端层、外部输入正电极端口和外部输入负电极端口构成：

所述的促动器主体的构成是：多块板状压电陶瓷薄片按极化方向相反交替地层叠在一起，且该多块板状压电陶瓷薄片的每两块板状压电陶瓷薄片之间交替地嵌设有板状的内部正电极及内部负电极而结合在一起，所述的的内部负电极引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片的一个端面并全部连接到所述的外部输入负电极端口，所述的内部正电极引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片的另一个端面形成若干个外部输入正电极，该若干个外部输入正电极间相互绝缘，再与所述的外部输入正电极端口相连，所述的促动器主体的上端面和下端面分别与所述的上端层和下端层固接。

所述的内部正电极构成若干个外部输入正电极是根据自然数或二进制递增方式配置的。

所述的上端层和下端层是由压电陶瓷片或者陶瓷片构成，以胶结或烧结方式分别固接在促动器主体上下两端面上。所述的上端层和下端层用于电气隔离和耦合外部机械固定件。

我们知道：为了得到大的形变量，同时减小驱动电压。将多片压电陶瓷薄片采用机械上串连，则总的形变位移量d_total＝Nd₁₅U，N为压电陶瓷薄片的层数，从上述公式可以看出，只要改变压电陶瓷薄片的层数和外加电压，就可以控制压电陶瓷促动器的形变量。

从而最大变形量为d_max＝Nd₁₅U

最小分辨率为d_resolution＝d₁₅U

在改变外加电场的同时，选择相应的外部输入正电极，可以改变施加电压的压电陶瓷薄片层数，从而可以灵活的控制压电陶瓷促动器产生形变位移量。

本实用新型的技术效果：

本实用新型层叠状剪切压电陶瓷促动器在保证足够大形变位移总量的同时，降低了对压电陶瓷驱动电源的要求，并保证了足够小的位移分辨率；并且各个方向都具有非常好的刚性，因此具有更好的设计灵活性、更高的谐振频率和更低的功耗。

本实用新型在光学工程、精密机械、国防科技等方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是压电陶瓷剪切逆压电效应示意图

图2是本实用新型层叠状剪切压电陶瓷促动器结构示意图

图3是本实用新型层叠状剪切压电陶瓷促动器结构具体实施例的结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本实用新型进行进一步说明。

先请参阅图2，图2是本实用新型层叠状剪切压电陶瓷促动器结构示意图。由图可见，本实用新型层叠状剪切压电陶瓷促动器，由促动器主体1、上端层7-1、下端层7-2、外部输入正电极端口5和外部输入负电极端口6构成：

所述的促动器主体1的构成是：多块板状压电陶瓷薄片3按极化方向P相反交替地层叠在一起，且该多块板状压电陶瓷薄片3的每两块板状压电陶瓷薄片之间交替地嵌设有板状的内部正电极2及内部负电极4而以胶结或烧结方式结合在一起，所述的的内部负电极4引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片3的一个端面并全部连接到所述的外部输入负电极端口6，所述的内部正电极2引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片3的另一个端面形成若干个外部输入正电极5-0、5-1、5-2、......、5-n，该若干个外部输入正电极间相互绝缘，再与所述的外部输入正电极端口5相连，所述的促动器主体1的上端面和下端面分别与所述的上端层7-1和下端层7-2固接。

所述的内部正电极2构成n个外部输入正电极5-0、5-1、5-2、......、5-n是根据自然数或二进制递增方式配置的。

所述的上端层7-1和下端层7-2是由压电陶瓷片或者陶瓷片构成。

所述的内部正电极2和负电极4最好是由银铂合金(AgPd)构成，并且交替地伸出到相对的面上，直到到达各个表面。

本实施例根据二进制方式配置对应压电陶瓷的层数，2⁰＝1，2¹＝2，2²＝4，……，将所对应压电陶瓷薄片层数所连接的内部正电极2引出，构成外部输入正电极5-0，5-1，5-2至5-n；上述外部输入正电极5-0，5-1，5-2至5-n之间相互绝缘，并构成外部输入正电极端口5。

这样可以选通任意的多个外部输入正电极5-0，5-1，5-2或5-n，以得到施加电压的多层的压电陶瓷薄片。

所述的上端层7-1和下端层7-2，一方面使外加电压与外界绝缘，另一方面形成了力耦合面，用于容纳不同的机械固定件。

再请参阅图3，图3是本实用新型层叠状剪切压电陶瓷促动器结构一个具体实施例，如上所述，图3与图2相同的编号具有相同的结构及功能。在图3中，本实施例中n＝3，本实施例的层叠状剪切压电陶瓷促动器，由促动器主体1、上端层7-1、下端层7-2、外部输入正电极端口5和外部输入负电极端口6构成：

所述的促动器主体1的构成是：多块板状压电陶瓷薄片3按极化方向P相反交替地层叠在一起，且该多块板状压电陶瓷薄片3的每两块板状压电陶瓷薄片3之间交替地嵌设有板状的内部正电极2及内部负电极4而以胶结或烧结方式结合在一起，所述的的内部负电极4引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片3的一个端面并全部连接到所述的外部输入负电极端口6，所述的内部正电极2引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片3的另一个端面形成若干个外部输入正电极5-0、5-1、5-2、5-3，该若干个外部输入正电极间相互绝缘，再与所述的外部输入正电极端口5相连，所述的促动器主体1的上端面和下端面分别与所述的上端层7-1和下端层7-2固接。

在本实施例中，通过数字方法控制多路模拟开关8来实现外部输入正电极的选择。内部负电极4全部连接到外部输入负电极端口6并接地；本实施例中n＝3，则内部正电极2引出所构成的外部输入正电极5-0，一端连接有1(2⁰＝1)层压电陶瓷片，另一端连接到多路模拟开关8；所述外部输入正电极5-1，一端连接有2(2¹＝2)层压电陶瓷片，另一端连接到多路模拟开关8；所述外部输入正电极5-2，一端连接有4(2²＝4)层压电陶瓷片，另一端连接到多路模拟开关8；所述外部输入正电极5-3，一端连接有8(2³＝8)层压电陶瓷片，另一端连接到多路模拟开关8；上述多路模拟开关8另一输入端连接电压U。则可以控制多路模拟开关8，有选择性的选通若干外部输入正电极到外加电压U，即以数字驱动方式改变压电陶瓷薄片层数。

则层叠状剪切压电陶瓷促动器形变位移为：

d＝(i*2⁰+j*2¹+k*2²+m*2³)d₁₅U，式中i，j，k，m分别等于0或1，取决于对应外部输入正电极是否与外加电压U选通。

则最大形变位移为

d_max＝15d₁₅U

层叠状剪切压电陶瓷促动器形变位移分辨率为

d_resolution＝d₁₅U，取决于外加电压U的最小分辨率。

从上所述，在控制施加电压的同时，可以以数字驱动方式改变压电陶瓷薄片层数，可以更灵活的改变压电陶瓷促动器形变量。

Claims (3)

1、一种层叠状剪切压电陶瓷促动器，其特征在于由促动器主体(1)、上端层(7-1)、下端层(7-2)、外部输入正电极端口(5)和外部输入负电极端口(6)构成：

所述的促动器主体(1)的构成是：多块板状压电陶瓷薄片(3)按极化方向(P)相反交替地层叠在一起，且该多块板状压电陶瓷薄片(3)的每两块板状压电陶瓷薄片(3)之间交替地嵌设有板状的内部正电极(2)及内部负电极(4)而以胶结或烧结方式结合在一起，所述的的内部负电极(4)引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片(3)的一个端面并全部连接到所述的外部输入负电极端口(6)，所述的内部正电极(2)引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片(3)的另一个端面形成若干个外部输入正电极(5-0、5-1、5-2、……、5-n)，该若干个外部输入正电极间相互绝缘，再与所述的外部输入正电极端口(5)相连，所述的促动器主体(1)的上端面和下端面分别与所述的上端层(7-1)和下端层(7-2)固接。

2、根据权利要求1所述的层叠状剪切压电陶瓷促动器，其特征在于所述的内部正电极(2)构成若干个外部输入正电极(5-0、5-1、5-2、……、5-n)是根据自然数或二进制递增方式配置的。

3、根据权利要求1所述的层叠状剪切压电陶瓷促动器，其特征在于所述的上端层(7-1)和下端层(7-2)是由压电陶瓷片或者陶瓷片构成。

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