專利名稱：分布電極式含芯壓電棒彈簧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電棒，具體地，涉及一種彈簧形式的含金屬芯的壓電棒。
背景技術(shù)：
壓電材料具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，利用壓電材料做成的壓電器件可以用作傳感器、驅(qū)動器、變壓器或其它類型的換能器。中國發(fā)明專利CN1707934B公開了一種具有金屬芯的壓電陶瓷纖維，該壓電陶瓷纖維形成為細長的線狀結(jié)構(gòu)，其中金屬芯位于中心位置，壓電材料環(huán)繞在金屬芯周圍，壓電材料的表面布置有電極。雖然該專利壓電陶瓷纖維的結(jié)構(gòu)形狀包括二維正弦結(jié)構(gòu)和三維螺旋結(jié)構(gòu)，但是，其并未公開金屬電極的具體分布形式，更未公開該壓電陶瓷纖維的制備方法。中國發(fā)明專利申請CN101217179A公開了一種含有金屬芯的壓電陶瓷纖維，其纖維的形狀是直線形的。中國發(fā)明專利CN100592M3C也公開了一種部分涂布電極的含有金屬芯的壓電陶瓷纖維，其纖維的形狀也是直線形的。此外，中國發(fā)明專利申請CN101318828 還公開了一種含有金屬芯的壓電陶瓷纖維的制備方法及其擠壓成型裝置，通過擠壓裝置擠壓出直線形狀的含金屬芯壓電陶瓷纖維胚體后，燒結(jié)成型。含金屬芯壓電纖維的金屬芯可以用作一個電極，纖維表面的金屬層可以用作另一個電極，這樣，單根含金屬芯壓電纖維就可以用作傳感器或驅(qū)動器?，F(xiàn)有的含金屬芯壓電纖維中，直線形狀的不能用作彈簧；表面全部涂布電極的二維正弦結(jié)構(gòu)、空間螺旋結(jié)構(gòu)的含金屬芯壓電纖維在用作彈簧時，當外加電壓后，壓電材料只能沿含金屬芯壓電纖維的延伸方向伸縮，彈簧的變形很小；且由于纖維的直徑較小，含金屬芯壓電纖維作為驅(qū)動器使用時， 產(chǎn)生的驅(qū)動位移和驅(qū)動力都比較小，驅(qū)動能力有限；當彈簧受到壓縮時，由于其結(jié)構(gòu)特點， 在電極上無法產(chǎn)生電荷，限制了其作為傳感元件的使用范圍。有鑒于此，需要提供一種新型的彈簧形式的含金屬芯的壓電棒，也可以稱之為“含芯壓電棒彈簧”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種分布電極式含芯壓電彈簧，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，該分布電極式含芯壓電彈簧能夠有效地實現(xiàn)動能、電能和彈性變形能之間相互轉(zhuǎn)化，從而具有顯著改善的驅(qū)動能力，并有效擴大其作為傳感元件的使用范圍。上述目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)分布電極式含芯壓電棒彈簧，該分布電極式含芯壓電棒彈簧是由含芯壓電棒繞制而成的彈簧，其中所述含芯壓電棒包括位于中心位置的導電芯棒和包裹在該導電芯棒上的壓電材料，該壓電材料的表面上部分地涂布至少一個金屬電極。選擇地，所述彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧、不等節(jié)距圓柱螺旋彈簧、多股螺旋彈簧、 圓柱螺旋拉伸彈簧、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧、圓錐螺旋彈簧、拋物線形螺旋彈簧、中凹形螺旋彈簧、中凸形螺旋彈簧、組合螺旋彈簧、非圓形螺旋彈簧、平面渦卷彈簧或平面波形彈簧。具體地，所述至少一個金屬電極各自在所述壓電材料的表面上沿所述含芯壓電棒的延伸方向連續(xù)延伸。優(yōu)選地，所述至少一個金屬電極包括兩個或兩個以上的偶數(shù)個金屬電極，并且對稱涂布所述壓電材料的表面上。具體地，所述至少一個金屬電極包括多個金屬電極，該多個金屬電極在所述壓電材料的表面上沿所述含芯壓電棒的延伸方向依次間隔布置。選擇地，所述導電芯棒的材料為金屬材料，該導電芯棒的橫截面為圓形、橢圓形、 長圓形、卵形或多邊形。選擇地，所述壓電材料為壓電單晶、壓電陶瓷、聚偏氟乙烯和壓電復(fù)合材料中的一種或者兩種以上的組合物。選擇地，所述分布電極式含芯壓電棒彈簧的橫截面呈圓形、橢圓形、長圓形、卵形或多邊形。通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的分布電極式含芯壓電彈簧可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的壓電元件的驅(qū)動和傳感功能，其可以用作驅(qū)動器、傳感器、變壓器以及換能器等，尤其可以實現(xiàn)較大位移的執(zhí)行驅(qū)動功能，克服了現(xiàn)有的含金屬芯壓電棒的應(yīng)用缺陷，從而具有顯著改善的驅(qū)動能力，并有效地擴大其作為傳感元件的使用范圍。


圖1為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒的第一種實施方式的橫截面剖視圖。圖2為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒的第二種實施方式的橫截面剖視圖。圖3為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒的第三種實施方式的橫截面剖視圖。圖4為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒的第四種實施方式的橫截面剖視圖。圖5為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒的第五種實施方式的橫截面剖視圖。圖6為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒的第六種實施方式的電極分布立體圖。圖7為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的一種形狀結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的另一種形狀結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的另一種形狀結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的又一種形狀結(jié)構(gòu)的主視示意圖。圖11為圖10所示的分布電極式含芯壓電棒彈簧的側(cè)視示意圖。圖12為本發(fā)明的分布電極式含芯壓電棒彈簧的又一種形狀結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。圖13為本發(fā)明的分布電極式含芯壓電棒彈簧的又一種形狀結(jié)構(gòu)的主視示意圖。圖14為圖13所示的分布電極式含芯壓電棒彈簧的俯視示意圖。
圖15為圖1所示截面的含芯壓電棒繞制成圖7所示結(jié)構(gòu)形狀的分布電極式含芯壓電棒彈簧的工作原理圖。圖16為圖1所示截面的含芯壓電棒繞制成圖7所示結(jié)構(gòu)形狀的分布電極式含芯壓電棒彈簧的的軸向位移和所加電壓的關(guān)系示意圖。圖中1導電芯棒；2壓電材料；3金屬電極。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的具體實施方式
。首先描述用于繞制本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒的結(jié)構(gòu)，圖1 至圖5顯示了所述含芯壓電棒的多種截面形式。實施例1
如圖1所示，用于繞制本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒包括導電芯棒 1、壓電材料2和金屬電極3，導電芯棒1處于中心位置，導電芯棒1的橫截面呈圓形，當然也可以是其它形狀，壓電材料2均勻地包裹在導電芯棒1上，壓電材料2的表面涂布有一個金屬電極3，該金屬電極3布滿壓電材料2外周面的一半。實施例2
如圖2所示，用于繞制分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒包括導電芯棒1、壓電材料2和金屬電極3 ；圓形導電芯棒1處于中心位置(當然，導電芯棒1的截面也可以是其它形狀)，壓電材料2均勻地包裹在導電芯棒1上，壓電材料2的表面對稱地涂布有二個金屬電極3。實施例3
如圖3所示，用于繞制分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒包括導電芯棒1、壓電材料2和金屬電極3 ；圓形導電芯棒1處于中心位置，壓電材料2均勻地包裹在導電芯棒1 上，壓電材料2的表面上對稱地涂布有四個金屬電極3。實施例4
如圖4所示，用于繞制分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒包括導電芯棒1、壓電材料2和金屬電極3 ；方形導電芯棒1處于中心位置，壓電材料2均勻地包裹在導電芯棒1 上，壓電材料2的表面對稱地涂布有四個金屬電極3。實施例5
如圖5所示，用于繞制分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒包括導電芯棒1、壓電材料2和金屬電極3 ；片狀或薄膜導電芯棒1處于中間位置，邊緣和壓電材料2的表面平齊， 壓電材料2的表面對稱地涂布有二個金屬電極3?；蛟趬弘姴牧?的表面一側(cè)涂布有一個金屬電極3。實施例6
如圖6所示，用于繞制分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒包括導電芯棒1、壓電材料2和金屬電極3 ；圓形導電芯棒1處于中心位置，壓電材料2均勻地包裹在導電芯棒1 上，壓電材料2的部分表面涂布有多個電極3，該多個電極3沿含芯壓電棒的延伸方向間隔布置。以下描述通過上述實施例的含芯壓電棒繞制成的分布電極式含芯壓電棒彈簧，圖7至圖14顯示了本發(fā)明分布電極式含芯壓電棒彈簧的多種結(jié)構(gòu)形狀。實施例7
如圖7所示，該分布電極式含芯壓電棒彈簧由上述形式的含芯壓電棒繞制成圓柱螺旋彈簧，該圓柱螺旋彈簧的各圈之間具有間隙，其作為傳感器時主要用來測量軸向伸縮載荷， 作為驅(qū)動器時可以產(chǎn)生軸向的伸縮變形。實施例8
如圖8所示，該分布電極式含芯壓電棒彈簧由上述形式的含芯壓電棒繞制成圓柱螺旋彈簧，該圓柱螺旋彈簧的各圈之間依次鄰接(即相鄰的簧圈之間不存在間隙或間隙微小)， 其作為傳感器時主要用于測量拉伸載荷，作為驅(qū)動器時可以產(chǎn)生軸向的伸長變形。實施例9
如圖9所示，該分布電極式含芯壓電棒彈簧由上述形式的含芯壓電棒繞制成圓錐螺旋彈簧，該圓錐螺旋彈簧的各圈之間具有間隙，其作為傳感器時主要用于測量壓縮載荷，作為驅(qū)動器時可以產(chǎn)生軸向的伸縮變形。實施例10
如圖10和圖11所示，該分布電極式含芯壓電棒彈簧由上述形式的含芯壓電棒繞制成圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧，其作為傳感器時主要用于測量扭轉(zhuǎn)載荷，用作驅(qū)動器時可以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。實施例11
如圖12所示，該分布電極式含芯壓電棒彈簧由上述形式的含芯壓電棒繞制成平面渦卷彈簧，其作為傳感器時主要用于測量扭轉(zhuǎn)載荷，作為驅(qū)動器時可以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。實施例12
如圖13和圖14所示，該分布電極式含芯壓電棒彈簧由上述形式的含芯壓電棒繞制成方形螺旋彈簧，該方形螺旋彈簧的各圈之間具有間隙，其作為傳感器時主要用于測量軸向伸縮載荷，作為驅(qū)動器時可以產(chǎn)生軸向的伸縮變形。此外，為幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員更直觀地理解本發(fā)明的技術(shù)方案以及效果，可以以圖1所示截面的含芯壓電棒繞制成圖7所示結(jié)構(gòu)形狀的分布電極式含芯壓電棒彈簧為例， 圖15和圖16分別顯示了該分布電極式含芯壓電棒彈簧的工作原理圖以及軸向位移和所加電壓的關(guān)系示意圖。由圖15和圖16可以看出，該分布電極式含芯壓電棒彈簧作為傳感器時可以用來測量軸向伸縮載荷，作為驅(qū)動器時能夠隨著外加電壓的增加而能夠按照線性關(guān)系產(chǎn)生顯著的軸向伸縮變形。由上描述可見，本發(fā)明提供了一種由含芯壓電棒繞制成彈簧形式的分布電極式含芯壓電棒彈簧，該分布電極式含芯壓電棒彈簧的部分表面上涂布有至少一個金屬電極，具體地，用于繞制該分布電極式含芯壓電棒彈簧的含芯壓電棒其包括位于中心位置的導電芯棒、包覆導電芯棒的壓電材料和涂布在壓電材料部分外表面上的至少一個金屬電極，該至少一個金屬電極可以沿含芯壓電棒的延伸方向涂布在壓電材料的表面，或沿含芯壓電棒的延伸方向不連續(xù)地間斷地布置在壓電材料的表面上；從本技術(shù)方案分布電極式含芯壓電彈簧的外形結(jié)構(gòu)來看，其是由部分表面涂布有至少一個金屬電極的含芯壓電棒繞制成彈簧形狀，具體地，彈簧形狀可以是上述實施例中列舉類型的彈簧形狀，當然并不限于此，其可以是各種類型的彈簧形狀，例如圓柱螺旋壓縮彈簧、不等節(jié)距圓柱螺旋彈簧、多股螺旋彈簧、
6圓柱螺旋拉伸彈簧、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧、圓錐螺旋彈簧、拋物線形螺旋彈簧、中凹形螺旋彈簧、中凸形螺旋彈簧、組合螺旋彈簧、非圓形螺旋彈簧、平面渦卷彈簧和平面波形彈簧等?，F(xiàn)有的呈平面正弦結(jié)構(gòu)或空間螺旋結(jié)構(gòu)的含金屬芯的壓電纖維，其表面全部涂布電極，外加電壓后，壓電材料只能沿金屬芯的延伸方向伸縮，整個結(jié)構(gòu)的變形較?。欢炯夹g(shù)方案的分布電極式含芯壓電棒彈簧中的金屬電極未完全覆蓋壓電材料的表面，在其表面留有未涂布部分，這樣，當在導電芯棒和外層電極上施加電壓時，壓電材料表面覆蓋電極部分，內(nèi)部有電場分布，由于壓電效應(yīng)，將沿所述含芯壓電棒的延伸方向產(chǎn)生伸長或縮短；而表面沒有覆蓋金屬電極的壓電材料和導電芯棒由于沒有壓電效應(yīng)，將抵制這種伸長或縮短，他們共同作用的結(jié)果，將使纖維產(chǎn)生彎曲變形，整個彈簧根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)，將表現(xiàn)為沿軸線方向的伸縮，或產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。這與現(xiàn)有技術(shù)的表面全部涂布電極的平面正弦結(jié)構(gòu)或空間螺旋結(jié)構(gòu)的含金屬芯壓電纖維相比，變形較大，驅(qū)動性能有很大提高。從實驗情況來看，只要涂布金屬電極覆蓋壓電材料表面的一部分即可實現(xiàn)較大的驅(qū)動位移；一般地，多個電極對稱地分布在壓電材料表面，即從壓電棒的剖視方向來看，多個涂布電極呈軸向?qū)ΨQ，并沿著壓電棒長度方向延伸。本技術(shù)方案的分布電極式含芯壓電棒彈簧中，導電芯棒一般選用金屬材料，例如鉬金、金、鉬和鎢中的一者或兩者以上的合金。導電芯棒1的材料也可以為其它導電材料， 導電芯棒的橫截面可以為圓形、橢圓形、長圓形、卵形或多邊形，或整個導電芯棒呈片狀或薄膜。壓電材料2可以為壓電單晶、壓電陶瓷、聚偏氟乙烯(PVDF)和壓電復(fù)合材料中的一種或者兩種以上的組合物。一般地，本技術(shù)方案的分布電極式含芯壓電棒彈簧的截面可以呈圓形，也可以根據(jù)實際應(yīng)用場合的需要為橢圓形、長圓形、卵形或多邊形。本發(fā)明的分布電極式含芯壓電彈簧可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的壓電元件的驅(qū)動和傳感功能， 其可以用作驅(qū)動器、傳感器、變壓器以及換能器等，尤其可以實現(xiàn)較大位移的執(zhí)行驅(qū)動功能，克服了現(xiàn)有的含金屬芯壓電纖維的應(yīng)用缺陷。在上述具體實施方式
中所描述的各個具體技術(shù)特征，可以通過任何合適的方式進行任意組合，其同樣落入本發(fā)明所公開的范圍之內(nèi)。同時，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。此外，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，該分布電極式含芯壓電棒彈簧是由含芯壓電棒繞制而成的彈簧，其中所述含芯壓電棒包括位于中心位置的導電芯棒(1)和包裹在該導電芯棒(1)上的壓電材料(2)，該壓電材料的表面上部分地涂布至少一個金屬電極(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧、不等節(jié)距圓柱螺旋彈簧、多股螺旋彈簧、圓柱螺旋拉伸彈簧、圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧、圓錐螺旋彈簧、拋物線形螺旋彈簧、中凹形螺旋彈簧、中凸形螺旋彈簧、組合螺旋彈簧、 非圓形螺旋彈簧、平面渦卷彈簧或平面波形彈簧。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述至少一個金屬電極(3)各自在所述壓電材料的表面上沿所述含芯壓電棒的延伸方向連續(xù)延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述至少一個金屬電極(3)包括兩個或兩個以上的偶數(shù)個金屬電極，并且對稱涂布所述壓電材料的表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述至少一個金屬電極(3)包括多個金屬電極，該多個金屬電極在所述壓電材料的表面上沿所述含芯壓電棒的延伸方向依次間隔布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述導電芯棒(1)的材料為金屬材料，該導電芯棒的橫截面為圓形或橢圓形或長圓形或卵形或多邊形，或該導電芯棒為片狀或薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述壓電材料(2)為壓電單晶、壓電陶瓷、聚偏氟乙烯和壓電復(fù)合材料中的一種或者兩種以上的組合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述分布電極式含芯壓電棒彈簧的橫截面呈圓形、橢圓形、長圓形、卵形或多邊形。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述片狀或薄膜導電芯棒的邊緣和壓電材料的表面平齊，但是不和壓電材料表面電極接觸，壓電材料位于片狀或薄膜導電芯棒的兩側(cè)或一側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的分布電極式含芯壓電棒彈簧，其特征是，所述壓電材料只位于片狀或薄膜導電芯棒一側(cè)，片狀或薄膜導電芯棒的厚度大于或小于壓電材料表面電極的厚度。
全文摘要
分布電極式含芯壓電棒彈簧，該分布電極式含芯壓電棒彈簧是由含芯壓電棒繞制而成的彈簧，其中所述含芯壓電棒包括位于中心位置的導電芯棒和包裹在該導電芯棒上的壓電材料，該壓電材料的表面上部分地涂布至少一個金屬電極。本發(fā)明的分布電極式含芯壓電彈簧可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的壓電元件的驅(qū)動和傳感功能，其可以用作驅(qū)動器、傳感器、變壓器以及換能器等，尤其可以實現(xiàn)較大位移的執(zhí)行驅(qū)動功能，克服了現(xiàn)有的含金屬芯壓電纖維的應(yīng)用缺陷，從而具有顯著改善的驅(qū)動能力，并有效地擴大其作為傳感元件的使用范圍。
文檔編號F16F1/00GK102263199SQ20111022851
公開日2011年11月30日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者邊義祥 申請人:邊義祥