專利名稱：層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電陶瓷促動(dòng)器，特別是一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng) 方式。
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背景技術(shù)：
壓電陶瓷促動(dòng)器是一種機(jī)電耦合元件，因其體積小(幾立方毫米 幾十立方毫 米)、位移分辨率高(納米級(jí))、響應(yīng)速度快(幾十微秒)、輸出力大、換能效率高等優(yōu)點(diǎn)， 是目前微位移技術(shù)中比較理想的驅(qū)動(dòng)元件，廣泛應(yīng)用在光學(xué)精密工程、微機(jī)電系統(tǒng)、 納米制造技術(shù)、微電子技術(shù)、納米生物工程等領(lǐng)域中。
壓電陶瓷促動(dòng)器利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，施加一定的電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)形變位移 的輸出。在大部分應(yīng)用中，通常利用壓電陶瓷縱向逆壓電效應(yīng)和橫向逆壓電效應(yīng)， 但一般單片壓電陶瓷的變形量都很小，因此應(yīng)用范圍受到一定限制，為了得到大的 變形量往往利用幾片或者多片壓電陶瓷基片采用機(jī)械上串連、電路上并連，然后膠 結(jié)或燒結(jié)方式制成層疊狀促動(dòng)器。
在壓電材料中，剪切模式壓電系數(shù)(d15)比縱向模式壓電系數(shù)(d33)和橫向模 式(d31)壓電系數(shù)大的多，在相同的電場(chǎng)作用下，可產(chǎn)生更大的應(yīng)變；并且剪切模 式可以施加雙極性電壓，輸出位移形變量具有對(duì)稱性。
如圖1所示，d為壓電陶瓷形變位移量，丄為壓電陶瓷高度，￡為所施加電場(chǎng)， 尸為壓電陶瓷極化方向；f/為所施加電壓；當(dāng)施加電場(chǎng)方向與壓電陶瓷的極化方向
垂直時(shí)，壓電陶瓷產(chǎn)生剪切應(yīng)變。形變位移量^ = "15￡丄，其中￡ = ^ ，則有
= c/15 —丄=<i15f7 。 丄

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，以獲得較大的形變位移 量和足夠小的位移分辨率。'
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體、上端層、下端層、外部輸入 正電極端口和外部輸入負(fù)電極端口構(gòu)成
所述的促動(dòng)器主體的構(gòu)成是多塊板狀壓電陶瓷薄片按極化方向相反交替地層 疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片的每?jī)蓧K板狀壓電陶瓷薄片之間交替地嵌設(shè) 有板狀的內(nèi)部正電極及內(nèi)部負(fù)電極而結(jié)合在一起，所述的的內(nèi)部負(fù)電極引出到所述 的多塊板狀壓電陶瓷薄片的一個(gè)端面并全部連接到所述的外部輸入負(fù)電極端口，所 述的內(nèi)部正電極引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片的另一個(gè)端面形成若干個(gè)外部 輸入正電極，該若干個(gè)外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端 口相連，所述的促動(dòng)器主體的上端面和下端面分別與所述的上端層和下端層固接。
所述的內(nèi)部正電極構(gòu)成若干個(gè)外部輸入正電極是根據(jù)自然數(shù)或二進(jìn)制遞增方式 配置的。
所述的上端層和下端層是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構(gòu)成，以膠結(jié)或燒結(jié)方式分 別固接在促動(dòng)器主體上下兩端面上。所述的上端層和下端層用于電氣隔離和耦合外 部機(jī)械固定件。
我們知道為了得到大的形變量，同時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電壓。將多片壓電陶瓷薄片采 用機(jī)械上串連，則總的形變位移量《^-AW。f/， iV為壓電陶瓷薄片的層數(shù)，從上
述公式可以看出，只要改變壓電陶瓷薄片的層數(shù)和外加電壓，就可以控制壓電陶瓷 促動(dòng)器的形變量。
從而最大變形量為dmax = i\W15t/
最小分辨率為《一,.。 =^"
在改變外加電場(chǎng)的同時(shí)，選擇相應(yīng)的外部輸入正電極，可以改變施加電壓的壓 電陶瓷薄片層數(shù)，從而可以靈活的控制壓電陶瓷促動(dòng)器產(chǎn)生形變位移量。 .本發(fā)明的技術(shù)效果 本發(fā)明層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器在保證足夠大形變位移總量的同時(shí)，降低了 對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的要求，并保證了足夠小的位移分辨率；并且各個(gè)方向都具有 非常好的剛性，因此具有更好的設(shè)計(jì)靈活性、更高的諧振頻率和更低的功耗。 本發(fā)明在光學(xué)工程、精密機(jī)械、國(guó)防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是壓電陶瓷剪切逆壓電效應(yīng)示意圖
圖2是本發(fā)明層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖'
圖3是本發(fā)明層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
先請(qǐng)參閱圖2，圖2是本發(fā)明層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可 見，.本發(fā)明層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體l、上端層7-l、下端層7-2、
外部輸入正電極端口 5和外部輸入負(fù)電極端口 6構(gòu)成
所述的促動(dòng)器主體1的構(gòu)成是多塊板狀壓電陶瓷薄片3按極化方向P相反交 替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片3的每?jī)蓧K板狀壓電陶瓷薄片之間交 替地嵌設(shè)有板狀的內(nèi)部正電極2及內(nèi)部負(fù)電極4而以膠結(jié)或燒結(jié)方式結(jié)合在一起，
所述的的內(nèi)部負(fù)電極4引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片3的一個(gè)端面并全部連 接到所述的外部輸入負(fù)電極端口 6，所述的內(nèi)部正電極2引出到所述的多塊板狀壓
電陶瓷薄片3的另一個(gè)端面形成若干個(gè)外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2........ 5-n，
該若干個(gè)外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口 5相連，所 述的促動(dòng)器主體1的上端面和下端面分別與所述的上端層7-1和下端層7-2固接。
所述的內(nèi)部正電極2構(gòu)成n個(gè)外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2.......、 5-n是根
據(jù)自然數(shù)或二進(jìn)制遞增方式配置的。
所述的上端層7-1和下端層7-2是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構(gòu)成。
所述的內(nèi)部正電極2和負(fù)電極4最好是由銀鉑合金(AgPd)構(gòu)成，并且交替地 伸出到相對(duì)的面上，直到到達(dá)各個(gè)表面。
本實(shí)施例根據(jù)二進(jìn)制方式配置對(duì)應(yīng)壓電陶瓷的層數(shù)，2Q=1， 2^2， 22=4，……， 將所對(duì)應(yīng)壓電陶瓷薄片層數(shù)所連接的內(nèi)部正電極2引出，構(gòu)成外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2至5-n;上述外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2至5-n之間相互絕緣，并構(gòu)成 外部輸入正電極端口 5。
這樣可以選通任意的多個(gè)外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2或5-n，以得到施加電 壓的多層的壓電陶瓷薄片。
所述的上端層7-1和下端層7-2， 一方面使外加電壓與外界絕緣，另一方面形成 了力耦合面，用于容納不同的機(jī)械固定件。
'再請(qǐng)參閱圖3，圖3是本發(fā)明層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器結(jié)構(gòu)一個(gè)具體實(shí)施例， 如上所述，圖3與圖2相同的編號(hào)具有相同的結(jié)構(gòu)及功能。在圖3中，本實(shí)施例中 ri=3，本實(shí)施例的層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體l、上端層7-l、下端 層7-2、外部輸入正電極端口 5和外部輸入負(fù)電極端口 6構(gòu)成
所述的促動(dòng)器主體1的構(gòu)成是多塊板狀壓電陶瓷薄片3按極化方向P相反交 替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片3的每?jī)蓧K板狀壓電陶瓷薄片3之間 交替地嵌設(shè)有板狀的內(nèi)部正電極2及內(nèi)部負(fù)電極4而以膠結(jié)或燒結(jié)方式結(jié)合在一起， 所述的的內(nèi)部負(fù)電極4引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片3的一個(gè)端面并全部連 接到所述的外部輸入負(fù)電極端口 6，所述的內(nèi)部正電極2引出到所述的多塊板狀壓 電陶瓷薄片3的另一個(gè)端面形成若干個(gè)外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2、 5-3，該若干 個(gè)外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口 5相連，所述的促
動(dòng)器主體1的上端面和下端面分別與所述的上端層7-1和下端層7-2固接。
在本實(shí)施例中，通過數(shù)字方法控制多路模擬開關(guān)8來實(shí)現(xiàn)外部輸入正電極的選 擇。內(nèi)部負(fù)電極4全部連接到外部輸入負(fù)電極端口 6并接地；本實(shí)施例中11=3，則 內(nèi)部正電極2引出所構(gòu)成的外部輸入正電極5-0， 一端連接有l(wèi) (2Q=1)層壓電陶瓷 片，另一端連接到多路模擬開關(guān)8;所述外部輸入正電極5-l， 一端連接有2(2^2) 層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關(guān)8;所述外部輸入正電極5-2， 一端連接 有4(22=4)層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關(guān)8;所述外部輸入正電極5-3， 一端連接有8 (23=8)層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關(guān)8;上述多路模擬 開關(guān)8另一輸入端連接電壓U。則可以控制多路模擬開關(guān)8，有選擇性的選通若干 外部輸入正電極到外加電壓U，即以數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式改變壓電陶瓷薄片層數(shù)。 則層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器形變位移為
<formula>formula see original document page 6</formula>，式中/， /， A:，w分別等于0或l，取
決于對(duì)應(yīng)外部輸入正電極是否與外加電壓U選通。 則最大形變位移為 "腿
層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器形變位移分辨率為 《,。to ="15"，取決于外加電壓U的最小分辨率。
從上所述，在控制施加電壓的同時(shí)，可以以數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式改變壓電陶瓷薄片層 數(shù)，可以更靈活的改變壓電陶瓷促動(dòng)器形變量。
權(quán)利要求
1、一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體(1)、上端層(7-1)、下端層(7-2)、外部輸入正電極端口(5)和外部輸入負(fù)電極端口(6)構(gòu)成所述的促動(dòng)器主體(1)的構(gòu)成是多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)按極化方向(P)相反交替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的每?jī)蓧K板狀壓電陶瓷薄片(3)之間交替地嵌設(shè)有板狀的內(nèi)部正電極(2)及內(nèi)部負(fù)電極(4)而以膠結(jié)或燒結(jié)方式結(jié)合在一起，所述的的內(nèi)部負(fù)電極(4)引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的一個(gè)端面并全部連接到所述的外部輸入負(fù)電極端口(6)，所述的內(nèi)部正電極(2)引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的另一個(gè)端面形成若干個(gè)外部輸入正電極(5-0、5-1、5-2、......、5-n)，該若干個(gè)外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口(5)相連，所述的促動(dòng)器主體(1)的上端面和下端面分別與所述的上端層(7-1)和下端層(7-2)固接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，其特征在于所述的內(nèi)部正電極(2)構(gòu)成若干個(gè)外部輸入正電極(5-0、 5-1、 5-2........ 5-n)是根據(jù)自然數(shù)或二進(jìn)制遞增方式配置的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，其特征在于所述的上 端層(7-1)和下端層(7-2)是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構(gòu)成。
全文摘要
一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動(dòng)器，由促動(dòng)器主體、上端層、下端層、外部輸入正電極端口和外部輸入負(fù)電極端口構(gòu)成，其特點(diǎn)是根據(jù)壓電陶瓷剪切逆壓電效應(yīng)原理，將具有相反極化方向的壓電陶瓷薄片相互交錯(cuò)的膠結(jié)或燒結(jié)在一起；以二進(jìn)制方式配置對(duì)應(yīng)壓電陶瓷薄片層數(shù)，構(gòu)成外部輸入電氣端口，在改變外加電場(chǎng)的同時(shí)，還可以以數(shù)字方式驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)的形變。本發(fā)明在光學(xué)工程、精密機(jī)械、國(guó)防科技等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L41/083GK101378106SQ20081020102
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者朱健強(qiáng), 勇 王, 斌 王 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所