專利名稱：壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器，屬于主動控制或新型 驅(qū)動器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用壓電材料逆壓電效應(yīng)制成的壓電驅(qū)動器，己經(jīng)在機械傳動、振動控制、 超精密加工、光學(xué)、程等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。壓電驅(qū)動器具有精度高、 響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、高頻響應(yīng)好、易于控制等優(yōu)點，但同時也存在明顯的不足， 其作為驅(qū)動器來說驅(qū)動變形小，在實際工程應(yīng)用時無法滿足需要。如何提高壓 電驅(qū)動器的輸出位移和驅(qū)動力，是目前壓電驅(qū)動器領(lǐng)域研究的主要方向之一。 主要的設(shè)計方法可分為三大類 一是改進己有壓電材料的制作工藝或?qū)ふ倚滦?成分的壓電材料，從壓電材料本身提高其應(yīng)用價值，但這種方法效果不明顯； 二是通過改進基于壓電材料的驅(qū)動器的外部結(jié)構(gòu)，提高驅(qū)動器的性能，常用的 方法是利用杠桿的位移放大原理增加驅(qū)動位移，但這類結(jié)構(gòu)以驅(qū)動力成倍下降 為代價；三是利用壓電疊堆作為驅(qū)動元件，相較于雙晶片等其它壓電驅(qū)動元件， 在相同的驅(qū)動電壓下具有較大的驅(qū)動力輸出、較短的響應(yīng)時間及負載下較好的 穩(wěn)定性。其缺點是輸出位移仍較小，且由于它是利用很多片狀壓電材料疊層粘 貼而成，故不能承受大的拉伸力的作用。本發(fā)明是一種既可用小體積產(chǎn)生大位 移輸出，又不降低其驅(qū)動力，且可以同時承受拉伸力和壓縮力的一種采用多層 壓電套環(huán)結(jié)構(gòu)的新型驅(qū)動器。

發(fā)明內(nèi)容
一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器，其特征在于利用壓電環(huán)套層 結(jié)構(gòu)設(shè)計，對多層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件分別施加不同極性的電場，使各層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件產(chǎn)生的位移疊加，作為本發(fā)明的一種壓電套環(huán)式小體積大 位移壓電驅(qū)動器的輸出位移。
本發(fā)明的一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器，由N個直徑不等的套 在一起的空心圓柱形壓電驅(qū)動元件組成，最外層為第l層，最內(nèi)層為第N層，從 第1層到第N層直徑依次減小，其中N為^2的整數(shù)；上述第1層與第2層的頂 端連接在一起，第2層與第3層的底部連接在一起，其他層也依此間隔方式相連;
第1層為固定端則第N層為位移輸出端；上述奇數(shù)層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件與
偶數(shù)層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的電極連接方式反相。
空心圓柱形壓電驅(qū)動元件作為本發(fā)明中驅(qū)動器的驅(qū)動來源，其驅(qū)動力的產(chǎn)生
主要是利用了壓電材料的逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)是指對壓電材料施加電場而出
現(xiàn)的機械變形現(xiàn)象?？招膱A柱形壓電驅(qū)動元件由薄壁金屬圓柱管及在其上粘貼的
空心圓柱形壓電材料構(gòu)成?？招膱A柱形壓電驅(qū)動元件主要利用了壓電應(yīng)變常數(shù)
dM，產(chǎn)生剪切應(yīng)變，輸出位移。
由于奇數(shù)層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件與偶數(shù)層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的
電極連接是反相的。當?shù)谝粚涌招膱A柱形壓電驅(qū)動元件在電場作用下伸長時，帶
動頂端最外層的卡槽及粘貼在其上的第二層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件向上運動； 第二層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件在自身電場作用下縮短，由于頂端被固定，所以 底部向上收縮；第二層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的收縮，使得與之相連的第三層 空心圓柱形壓電驅(qū)動元件也向上運動，同時第三層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件還在 自身電場作用下伸長，所以第三層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的輸出位移為自身伸 長量、第一層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的伸長量、第二層空心圓柱形壓電驅(qū)動元 件的收縮量的疊加；以此類推，中心第五層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的輸出位移 為其自身伸長量、第一、三層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的伸長量及第二、四層空 心圓柱形壓電驅(qū)動元件的收縮量的疊加。收縮驅(qū)動與以上過程正好相反。故本發(fā) 明的一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器為普通空心圓柱形壓電驅(qū)動元件 輸出位移的N倍，其中N為空心圓柱形壓電元件的數(shù)目。這樣成倍增大了單位長 度方向上的驅(qū)動位移，且增大的倍數(shù)與驅(qū)動器所復(fù)合的空心圓柱形壓電驅(qū)動元件 層數(shù)成正比。


圖1是壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖，
圖2是壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器連線及變形方向原理圖。
附圖中的標號說明l.外殼，2.空心圓柱形壓電驅(qū)動元件I ， 3.空心圓柱
形壓電驅(qū)動元件n，4.空心圓柱形壓電驅(qū)動元件m， 5.空心圓柱形壓電驅(qū)動元
件W， 6.空心圓柱形壓電驅(qū)動元件V， 7，輸出端裝配孔，.8.上端蓋，9.環(huán)形卡槽I， IO.環(huán)形卡槽II， ll.環(huán)形卡槽III， 12.環(huán)形卡槽IV， 13.底座，14.底座裝配孔。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述
圖1為壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖，以圖中的五層壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器為例，空心圓柱形壓電驅(qū)動元件2和空心圓柱形壓電
驅(qū)動元件3的頂端通過環(huán)形卡槽9粘貼在一起、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件4和空心圓柱形壓電驅(qū)動元件5的頂端通過環(huán)形卡槽10粘貼在一起、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件3和空心圓柱形壓電驅(qū)動元件4的底端通過環(huán)形卡槽12粘貼在一起、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件5和空心圓柱形壓電驅(qū)動元件6的底端遇過環(huán)形卡槽11粘貼在一起。壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器可通過底座13的底座裝配孔14進行外部固定，通過輸出端裝配孔7作為位移和驅(qū)動力的輸出端與被驅(qū)動部件相連接。外殼1與上端蓋8對空心圓柱形壓電驅(qū)動元件起保護作用。
圖2為壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器連線及變形方向原理圖，本發(fā)明的一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器通過對相鄰的兩層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件通以反向電場，使得多層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的輸出位移相疊加。以圖中的五層壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器為例，其中空心圓柱形壓電驅(qū)
動元件i 、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件m、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件V的電極上施
加的電壓相同，且與空心圓柱形壓電驅(qū)動元件II、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件IV的電極上施加的電壓反相。如對空心圓柱形壓電驅(qū)動元I件施加正向電場，空心圓柱形壓電驅(qū)動元件I伸長時帶動環(huán)形卡槽I向上運動，環(huán)形卡槽I的運動帶動與
之粘貼在一起的空心圓柱形壓電驅(qū)動元件n向上運動；與此同時，應(yīng)該對空心圓
柱形壓電驅(qū)動元件n施加反向電場，使空心圓柱形壓電驅(qū)動元件n縮短，由于空心圓柱形壓電驅(qū)動元件ii的頂端被環(huán)形卡槽i與空心圓柱形壓電驅(qū)動元件n粘
5貼在一起，所以表現(xiàn)為空心圓柱形壓電驅(qū)動元件n的底部向上收縮；空心圓柱形壓電驅(qū)動元件n收縮時帶動環(huán)形卡槽iv向上運動，環(huán)形卡槽iv的運動帶動空心圓柱形壓電驅(qū)動元件in也向上運動，同時空心圓柱形壓電驅(qū)動元件m還在自身電場作用下伸長，所以空心圓柱形壓電驅(qū)動元件m的輸出位移除了自身伸長量，還復(fù)合有空心圓柱形壓電驅(qū)動元件i的伸長量及空心圓柱形壓電驅(qū)動元件n的收縮量；依此類推，空心圓柱形壓電驅(qū)動元件v的輸出位移為其自身伸長量，空心圓柱形壓電驅(qū)動元件i、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件m、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件v的伸長量及空心圓柱形壓電驅(qū)動元件n 、空心圓柱形壓電驅(qū)動元件v的收縮量的疊加結(jié)果。本發(fā)明的一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器通過層疊的結(jié)構(gòu)設(shè)
計，其輸出位移為普通空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的N倍，實現(xiàn)了驅(qū)動器位移的多級疊加。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要選擇復(fù)合空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的層數(shù)N，
復(fù)合的層數(shù)越多，產(chǎn)生的位移就越大，驅(qū)動力不變。與利用杠桿的位移放大原理增加驅(qū)動位移的設(shè)計方法相比，克服了其驅(qū)動力下降的缺點。
本發(fā)明所述的壓電驅(qū)動器，采用空心圓柱形壓電驅(qū)動元件。以下為空心圓柱形驅(qū)動元件的一種具體實施方式
，空心圓柱形壓電驅(qū)動元件包括薄壁金屬圓柱管及在其上粘貼的空心圓柱形壓電材料，其金屬圓柱管的外圓表面與空心圓柱形壓電材料的內(nèi)圓表面成較小的間隙配合，并用膠將它們粘在一起。與單獨的壓電圓環(huán)相比，以上所述的一種空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的韌性得到增強?？招膱A柱形壓電驅(qū)動元件利用逆壓電效應(yīng)，通過控制輸入的電壓信號，就可以控制由于壓電陶瓷內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對移動帶來的機械變形大小。極化處理后的壓電陶瓷通常只具有4" 43、 d^三個壓電應(yīng)變常數(shù)。在本發(fā)明中采用的空心壓電驅(qū)動元件是利用d^產(chǎn)生位移；壓電疊堆驅(qū)動器是利用&3產(chǎn)生位移。與空心圓柱形壓電驅(qū)動元件相比，壓電疊堆驅(qū)動器單位長度上的位移增加僅僅是利用壓電材料的d33常數(shù)比cb!大這一原理，故位移增加不大。由于壓電疊堆驅(qū)動器是利用很多片狀壓電材料疊層粘貼而成，故不能承受大的拉伸力的作用。而空心圓柱形壓電驅(qū)動元件是利用剪切應(yīng)變輸出位移，所以利用其復(fù)合成的一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器克服了壓電疊堆只能承受壓縮力的缺點。本發(fā)明的一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器，克服了其它類型壓電驅(qū)動器的缺點。能夠在不減少驅(qū)動力的前提下成倍增加驅(qū)動位移，而且還能承受同樣大小的拉壓力作用壓電套環(huán)式。適合于在保證驅(qū)動精度的前提下，要求輸出位移大和對驅(qū)動器長度方 向嚴格限制的場合。
權(quán)利要求
1、一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器，其特征在于由N個直徑不等的套在一起的空心圓柱形壓電驅(qū)動元件組成，最外層為第1層，最內(nèi)層為第N層，從第1層到第N層直徑依次減小，其中N為≥2的整數(shù)；上述第1層與第2層的頂端連接在一起，第2層與第3層的底部連接在一起，其他層也依此間隔方式相連；第1層為固定端則第N層為位移輸出端；上述奇數(shù)層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件與偶數(shù)層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的電極連接方式反相。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器，其特征在于上述空心圓柱形驅(qū)動元件包括薄壁金屬圓柱管及在其上粘貼的空心圓柱形 壓電材料。
全文摘要
一種壓電套環(huán)式小體積大位移壓電驅(qū)動器，屬于主動控制或新型驅(qū)動器技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于由N個直徑不等的套在一起的空心圓柱形壓電驅(qū)動元件組成，最外層為第1層，最內(nèi)層為第N層，從第1層到第N層直徑依次減小，其中N為≥2的整數(shù)；上述第1層與第2層的頂端連接在一起，第2層與第3層的底部連接在一起，其他層也依此間隔方式相連；第1層為固定端則第N層為位移輸出端；上述奇數(shù)層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件與偶數(shù)層空心圓柱形壓電驅(qū)動元件的電極連接方式反相。利用該方式使各層產(chǎn)生的位移疊加。
文檔編號H01L41/083GK101478027SQ20081023619
公開日2009年7月8日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者強 劉, 朱莉婭, 陳仁文 申請人:南京航空航天大學(xué)