專利名稱：鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電驅(qū)動(dòng)器，屬于壓電陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
壓電驅(qū)動(dòng)器是利用電介質(zhì)在電場(chǎng)中的逆壓電效應(yīng)直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生微位移的換能元件，它具有體積小、分辨率高、響應(yīng)快、低功耗、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在微米納米驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)中占有越來(lái)越重要的地位，其應(yīng)用涉及航空航天、精密光學(xué)、微型機(jī)械、激光通訊、機(jī)器人等重要高新技術(shù)領(lǐng)域。
人們已認(rèn)識(shí)到，在給壓電陶瓷施加電場(chǎng)的瞬間，材料將產(chǎn)生可控的應(yīng)變，且應(yīng)變遵循基本的逆壓電方程Sj＝dijEi，其中S為應(yīng)變，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，dij為壓電應(yīng)變常數(shù)，i和j分別為電場(chǎng)和應(yīng)變方向(i和j為1、2、3，分別代表X、Y、Z三個(gè)方向)。壓電驅(qū)動(dòng)器就是基于此逆壓電效應(yīng)制成的?，F(xiàn)有的壓電驅(qū)動(dòng)器主要有疊堆型、薄板型、管型和雙晶片型等幾種結(jié)構(gòu)形式。在微動(dòng)控制中應(yīng)用最多的是壓電疊堆型，它采用機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，利用多片壓電陶瓷片粘結(jié)或燒結(jié)而成，采用縱向伸縮d33模式，當(dāng)加電場(chǎng)時(shí)，沿疊層方向伸縮，其位移ΔL＝nd33U，其中n為壓電陶瓷片個(gè)數(shù)，d33為壓電應(yīng)變系數(shù)(m/V)，U為驅(qū)動(dòng)電壓(V)。這種壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是位移大，可以承受很大的壓力，但是存在如下問題(1)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器抗剪切、抗拉伸特別是抗過載能力特別差；(2)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的等效電容較大(μF)，響應(yīng)時(shí)間較慢(ms級(jí))。目前國(guó)內(nèi)還未對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的抗過載能力進(jìn)行過精確標(biāo)定。也未見抗高過載壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)器抗剪切、抗拉伸特別是抗過載能力差，不能應(yīng)用于高過載環(huán)境的問題，提供一種鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，包含兩個(gè)機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)的壓電陶瓷疊層，在兩壓電陶瓷疊層中間粘接有一個(gè)鋁箔基底，鋁箔基底與壓電陶瓷疊層的接觸面(在現(xiàn)有粘接的同時(shí))局部采用導(dǎo)電環(huán)氧粘接，兩壓電陶瓷疊層的外表面(背向鋁箔基底為外)相連作為電極的一極，鋁箔基底為電極的另一極。本發(fā)明采用疊層夾鋁基的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，即在橫向壓電陶瓷疊層內(nèi)創(chuàng)新性引入鋁基。通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器具有較高的抗拉伸、抗剪切和抗過載能力，適宜應(yīng)用于高過載環(huán)境。該驅(qū)動(dòng)器成薄片長(zhǎng)條形，為橫向伸縮d31模式，兩壓電陶瓷疊層的極化方向背離或指向鋁基，輸出位移方向和極化方向垂直，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器外加電場(chǎng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器沿長(zhǎng)度方向伸縮，其位移ΔL＝d31LU/d，其中d31為壓電應(yīng)變常數(shù)(m/V)，L為壓電片的長(zhǎng)度(m)，U為驅(qū)動(dòng)電壓(V)，d為壓電片的厚度(m)。
本發(fā)明與現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器技術(shù)相比較(1)該驅(qū)動(dòng)器提供了一種新的壓電疊層夾鋁基的復(fù)合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為驅(qū)動(dòng)器的抗高過載設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)；(2)該驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)新性引入鋁箔基底，保證其具有較高的抗拉伸、抗剪切和抗過載能力；(3)該驅(qū)動(dòng)器的壓電疊層數(shù)很少(幾片)，具有很小的等效電容(幾十個(gè)nF)，從而驅(qū)動(dòng)器具有很快的響應(yīng)時(shí)間(μs級(jí))；(4)該驅(qū)動(dòng)器的工作電壓低、等效電容小，從而對(duì)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓和容性負(fù)載能力要求較低，很容易實(shí)現(xiàn)；(5)該驅(qū)動(dòng)器采用橫向伸縮d31模式，其疊層方向與受力方向垂直，在負(fù)載情況下各壓電陶瓷片和鋁基只受較小的分力，從而保證驅(qū)動(dòng)器的高負(fù)載能力和抗沖擊能力，在軍事國(guó)防、航空航天等高過載惡劣環(huán)境領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明所述鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器外觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的局部結(jié)構(gòu)放大圖；圖3為本發(fā)明所述鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)分解圖；具體實(shí)施方式
鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，包含兩個(gè)機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)的壓電陶瓷疊層，在兩壓電陶瓷疊層中間粘接有一個(gè)鋁箔基底2，鋁箔基底2與壓電陶瓷疊層的接觸面(在現(xiàn)有粘接的同時(shí))局部采用導(dǎo)電環(huán)氧粘接，兩壓電陶瓷疊層的外表面(背向鋁箔基底為外)相連作為電極的一極，鋁箔基底2為電極的另一極。驅(qū)動(dòng)器兩端頭卡入并通過環(huán)氧樹脂粘接在玻璃纖維質(zhì)量塊1、7內(nèi)，玻璃纖維質(zhì)量塊1一方面起進(jìn)一步夾固壓電陶瓷疊層和鋁箔基底的作用，另一方面起保護(hù)端頭的作用，便于驅(qū)動(dòng)器與其它部件連接。壓電陶瓷疊層由兩片壓電陶瓷片5、6，10、11構(gòu)成；該壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)決定了壓電陶瓷疊層可以層數(shù)很少，具有很小的等效電容(幾十個(gè)nF)，從而驅(qū)動(dòng)器具有很快的響應(yīng)時(shí)間(μs級(jí))；當(dāng)然壓電陶瓷疊層的層數(shù)可以多于兩片，這樣能進(jìn)一步增加抗過載能力，但等效電容要相應(yīng)增大。構(gòu)成壓電陶瓷疊層的壓電陶瓷片選擇PZT-5A材料，鋁箔基底選擇硬鋁1100-H19，通過材料屬性的優(yōu)選以進(jìn)一步增加抗過載能力。
具體制作時(shí)，首先對(duì)鋁箔基底和壓電陶瓷進(jìn)行切片、研磨和清潔處理，幾何特征成長(zhǎng)薄片形，鋁箔2和壓電陶瓷片5、6、10、11的厚度分別為幾十和幾百個(gè)微米級(jí)；然后對(duì)壓電陶瓷片5和6、10和11按照傳統(tǒng)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)方式燒結(jié)或粘結(jié)成壓電疊層；其次在鋁箔基底2的兩表面貼上中間開孔的環(huán)氧樹脂3和8，并在小孔處灌入導(dǎo)電環(huán)氧4和9(導(dǎo)電環(huán)氧為市場(chǎng)上公開出售的現(xiàn)有材料)，把兩壓電疊層和鋁基粘接在一起；再其次把兩壓電疊層的外表面相連作為電極的一極，兩壓電疊層內(nèi)表面通過導(dǎo)電環(huán)氧和鋁基相連作為另一極；最后將粘接好的鋁基和壓電疊層兩端卡入并粘接在玻璃纖維質(zhì)量塊1和7內(nèi)。粘接好后，用夾具將驅(qū)動(dòng)器固定好并放入熱處理爐中，快速升溫至150℃～200℃(包括160℃、170℃、180℃、190℃)并保持30～60分鐘(包括40分鐘、50分鐘)，然后緩慢降溫至室溫，以消除殘余應(yīng)力，由于鋁基具有較高的熱膨脹系數(shù)，經(jīng)過溫度處理回到室溫后壓電疊層具有預(yù)負(fù)載；使鋁基被預(yù)拉伸而壓電疊層被預(yù)壓縮，從而進(jìn)一步增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器的抗過載能力。
權(quán)利要求
1.一種鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，包含兩個(gè)機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)的壓電陶瓷疊層，其特征為在兩壓電陶瓷疊層中間粘接有一個(gè)鋁箔基底(2)，鋁箔基底(2)與壓電陶瓷疊層的接觸面局部采用導(dǎo)電環(huán)氧粘接，兩壓電陶瓷疊層的外表面相連作為電極的一極，鋁箔基底(2)為電極的另一極。
2.如權(quán)利要求1所述的鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征為兩端頭卡入并通過環(huán)氧樹脂粘接在玻璃纖維質(zhì)量塊(1、7)內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征為壓電陶瓷疊層由兩片壓電陶瓷片(5、6，10、11)構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征為粘接好后，用夾具將驅(qū)動(dòng)器固定好并放入熱處理爐中，快速升溫至150℃～200℃并保持30～60分鐘，然后緩慢降溫至室溫。
5.如權(quán)利要求3所述的鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征為粘接好后，用夾具將驅(qū)動(dòng)器固定好并放入熱處理爐中，快速升溫至150℃～200℃并保持30～60分鐘，然后緩慢降溫至室溫。
6.如權(quán)利要求1或2或5所述的鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征為構(gòu)成壓電陶瓷疊層的壓電陶瓷片選擇PZT-5A材料，鋁箔基底選擇硬鋁1100-H19。
7.如權(quán)利要求3所述的鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征為構(gòu)成壓電陶瓷疊層的壓電陶瓷片選擇PZT-5A材料，鋁箔基底選擇硬鋁1100-H19。
8.如權(quán)利要求4所述的鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征為構(gòu)成壓電陶瓷疊層的壓電陶瓷片選擇PZT-5A材料，鋁箔基底選擇硬鋁1100-H19。
全文摘要
本發(fā)明為一種鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器，屬于壓電陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)器抗剪切、抗拉伸特別是抗過載能力差，不能應(yīng)用于高過載環(huán)境的問題。該鋁基疊層高過載壓電驅(qū)動(dòng)器包含兩個(gè)機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)的壓電陶瓷疊層，在兩壓電陶瓷疊層中間粘接有一個(gè)鋁箔基底，鋁箔基底與壓電陶瓷疊層的接觸面局部采用導(dǎo)電環(huán)氧粘接，兩壓電陶瓷疊層的外表面相連作為電極的一極，鋁箔基底為電極的另一極。本發(fā)明創(chuàng)新性引入鋁箔基底并采用橫向伸縮d
文檔編號(hào)H01L41/24GK1851952SQ20061001258
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月11日
發(fā)明者劉俊, 張文棟, 石云波, 薛晨陽(yáng), 任勇峰, 崔永俊, 王昊宇, 楊林森 申請(qǐng)人:中北大學(xué)