采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器及其制作方法技术

本发明专利技术提出了一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器及其制作方法，属于压电驱动领域。解决了现有旋转型精密压电驱动器结构复杂、成本较高和制作繁琐等问题。驱动器为圆柱形或圆环形，由压电陶瓷和通电电极片组成，所述压电陶瓷的极化方向可分为沿驱动器轴向和径向极化两种，每种情况中压电陶瓷又可分为正向极化和负向极化压电陶瓷组。通电电极片施加激励电压后，压电陶瓷产生剪切变形，通过结构设计和适当连接可以输出精准的角位移。驱动器的制作工艺流程包括压电陶瓷和通电电极片的制作以及驱动器的装配，工艺流程可以根据应用场合、加工条件和性能指标等灵活调整，便于批量生产。

Torsional precision piezoelectric actuator using shearing mode and its making method

The invention provides a torsional precision piezoelectric actuator with shearing mode and a manufacturing method thereof, which belongs to the piezoelectric driving field. It solves the problems of complex structure, high cost and complicated manufacturing of the existing rotary precision piezoelectric actuator. The actuator is cylindrical or annular and consists of piezoelectric ceramics and electrodes. The polarization direction of the piezoelectric ceramics can be divided into two types: axial and radial polarization. In each case, the piezoelectric ceramics can be divided into positive polarization and negative polarization groups. The shear deformation of piezoelectric ceramics is produced by applying the excitation voltage to the electrified electrode plate, and the accurate angular displacement can be obtained by structural design and proper connection. The fabrication process of the actuator includes the fabrication of piezoelectric ceramics and electrodes and the assembly of the actuator. The process flow can be flexibly adjusted according to the application situation, processing conditions and performance indicators to facilitate mass production.

【技术实现步骤摘要】
采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器及其制作方法
本专利技术属于压电驱动
，特别是涉及一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器及其制作方法。
技术介绍
伴随着精密超精密加工、精密光学、微电子学、生命科学与技术、精密测量、智能器件等领域的快速发展，对于微纳米级别定位精度的驱动技术要求也越来越高，各研究机构也对该领域进行了广泛而深入的研究。在这些领域，传统的电磁电机很难满足严苛的性能指标要求，而压电驱动器具有结构简单、体积小、精度高、响应快、出力大、能耗低、机电转换系数大、不受电磁干扰等多种优点，因此在众多的驱动方式中崭露头角，成为研究热点之一。材料科学的发展和加工制造技术的进步促使各种性能优异的压电驱动器相继涌现。纵观已有的研究成果，大部分精密压电驱动器都是输出直线运动，其中应用最为普遍和成熟的就是压电叠堆驱动，但是在许多应用领域中精准的角度定位却是迫切需要的。现有的能够输出旋转运动的精密压电驱动器多数要采用一定的变换机构，这样就带来了结构复杂、成本增加和精度降低的缺点，因此提出一种结构简单紧凑的可以输出旋转运动的精密压电驱动器件及其简单高效的加工制作工艺具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的旋转型精密压电驱动器种类单一、结构复杂、成本较高、精度不足和制作工艺繁琐的技术问题，提出一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器及其制作方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器，它的外形为圆柱形或圆环形；所述驱动器包括m层外形为圆柱形或圆环形的致动单元1，且m层致动单元1采用沿驱动器轴线方向叠拼的方式固定连接组成整体驱动器；每层所述致动单元1包括2n个外形为扇形或扇环形的压电陶瓷2和2n个通电电极片3，其中m为大于0的整数，n为大于1的整数；每层所述致动单元1中的2n个压电陶瓷2沿驱动器周向均布，且相邻两个压电陶瓷2之间固定设有一个通电电极片3；每层所述致动单元1中的2n个压电陶瓷2包括n个沿驱动器轴线方向正向极化的第一压电陶瓷2-1和n个沿驱动器轴线方向负向极化的第二压电陶瓷2-2，且n个正向极化的第一压电陶瓷2-1和n个负向极化的第二压电陶瓷2-2交替布置。进一步地，所述压电驱动器的通电电极片3上施加激励电压后，压电陶瓷2中产生与极化方向垂直的电场，从而发生沿驱动器周向的剪切变形，驱动器的上下两个底面产生与激励电压成比例的相对角度偏转，进而实现了旋转运动的输出。本专利技术还提出一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器，它的外形为圆柱形或圆环形；所述驱动器包括m层外形为圆柱形或圆环形的致动单元1，且m层致动单元1采用沿驱动器径线方向叠拼的方式固定连接组成整体驱动器；每层所述致动单元1包括2n个外形为扇形或扇环形的压电陶瓷2和2n个通电电极片3，其中m为大于0的整数，n为大于1的整数；每层所述致动单元1中的2n个压电陶瓷2沿驱动器周向均布，且相邻两个压电陶瓷2之间固定设有一个通电电极片3；每层所述致动单元1中的2n个压电陶瓷2包括n个沿驱动器径线方向正向极化的第一压电陶瓷2-1和n个沿驱动器径线方向负向极化的第二压电陶瓷2-2，且n个正向极化第一压电陶瓷2-1和n个负向极化的第二压电陶瓷2-2交替布置。进一步地，所述压电驱动器的通电电极片3上施加激励电压后，压电陶瓷2中产生与极化方向垂直的电场，从而发生沿驱动器周向的剪切变形，驱动器的内外两个柱面产生与激励电压成比例的相对角度偏转，进而实现了旋转运动的输出。进一步地，所述压电驱动器相邻两个通电电极片3上施加极性相反的激励电压，驱动器输出转角与施加激励电压成比例，具体表现为：激励电压越高，驱动器输出转角越大，激励电压的波形不同，驱动器输出运动的动态特性也不同。本专利技术还提出一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器的制作方法，所述制作方法执行顺序为压电陶瓷2的成型与烧结、压电陶瓷2的极化、压电陶瓷2的机加工与上电极、以及将压电陶瓷2与通电电极片3装配成驱动器的一层致动单元1的过程；或压电陶瓷2的成型与烧结、压电陶瓷2的机加工、压电陶瓷2的极化与上电极、以及将压电陶瓷2与通电电极片3装配成驱动器的一层致动单元1的过程；或压电陶瓷2的成型与烧结、压电陶瓷2的极化与上电极、以及将压电陶瓷2与通电电极片3装配成驱动器的一层致动单元1的过程；或压电陶瓷2的成型、烧结与上电极、驱动器的装配、以及对装配完的压电陶瓷2极化的过程；或驱动器的成型、烧结与上电极、以及驱动器中压电陶瓷2的极化过程。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供了一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器及其制作工艺流程，驱动器通过设计合理的结构利用压电陶瓷的剪切工作模式产生扭转变形进而输出精准的旋转运动。本专利技术通过设计多层结构，使得每层压电陶瓷的微位移相互叠加以得到大行程的精密角度定位；本专利技术通过改变压电陶瓷的极化方向，衍生出轴向扭转变形和径向扭转变形两种结构和工作原理，以此适应不同的工作场合和性能指标要求；本专利技术通过调整激励电压的大小，可以精准的控制输出角位移的大小，以此来实现精密的角度定位；本专利技术通过设计压电陶瓷、通电电极片的制作工艺以及驱动器的装配工艺，使得驱动器的加工制作简单灵活，可以适应多种不同的应用场合、加工条件和性能指标要求；此外，本专利技术可以进行结构优化和尺寸优化做到驱动器的微型化、集成化设计，具有很大的发展空间。具体工作和制作的过程中，通过设计合理的连接和固定方式，可以使驱动器适应不同的结构和应用场合；通过控制激励电压，可以改变驱动器输出位移的大小；通过改变激励电压的波形，可以得到驱动器不同的动态输出，以得到想要的输出运动；通过改变加工制作流程中各工艺的组合顺序，可以适应小批量生产和大规模生产，具有很好的灵活性。因此，本专利技术在超精密驱动、定位、加工以及压电驱动器的加工制作领域具有十分广阔的应用前景。附图说明图1为具有两层致动单元的压电陶瓷沿驱动器轴向极化的精密压电驱动器三维结构示意图；图2为压电陶瓷沿驱动器轴向极化的精密压电驱动器中一层致动单元的三维结构示意图；图3为压电陶瓷沿驱动器轴向极化的精密压电驱动器中一层致动单元内，压电陶瓷中正向极化压电陶瓷组和负向极化压电陶瓷组的形状、极化方式与布置示意图；图4为压电陶瓷沿驱动器轴向极化的精密压电驱动器中一层致动单元内，通电电极片的形状与布置示意图；图5为压电陶瓷沿驱动器轴向极化的精密压电驱动器中一层致动单元内，通电电极片上所施加的激励电压示意图；图6为具有两层致动单元的压电陶瓷沿驱动器轴向极化的精密压电驱动器施加激励电压后的变形与输出运动示意图；图7为具有两层致动单元的压电陶瓷沿驱动器径向极化的精密压电驱动器三维结构示意图；图8为压电陶瓷沿驱动器径向极化的精密压电驱动器中一层致动单元的三维结构示意图；图9为压电陶瓷沿驱动器径向极化的精密压电驱动器中一层致动单元内，压电陶瓷中正向极化压电陶瓷组和负向极化压电陶瓷组的形状、极化方式与布置示意图；图10为压电陶瓷沿驱动器径向极化的精密压电驱动器中一层致动单元内，通电电极片的形状与布置示意图；图11为压电陶瓷沿驱动器径向极化的精密压电驱动器中一层致动单元内，通电电极片上所施加的激励电压示意图；图12为具有两层致动单元的压电陶瓷沿驱动器径向极化的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器，其特征在于，它的外形为圆柱形或圆环形；所述驱动器包括m层外形为圆柱形或圆环形的致动单元(1)，且m层致动单元(1)采用沿驱动器轴线方向叠拼的方式固定连接组成整体驱动器；每层所述致动单元(1)包括2n个外形为扇形或扇环形的压电陶瓷(2)和2n个通电电极片(3)，其中m为大于0的整数，n为大于1的整数；每层所述致动单元(1)中的2n个压电陶瓷(2)沿驱动器周向均布，且相邻两个压电陶瓷(2)之间固定设有一个通电电极片(3)；每层所述致动单元(1)中的2n个压电陶瓷(2)包括n个沿驱动器轴线方向正向极化的第一压电陶瓷(2‑1)和n个沿驱动器轴线方向负向极化的第二压电陶瓷(2‑2)，且n个正向极化的第一压电陶瓷(2‑1)和n个负向极化的第二压电陶瓷(2‑2)交替布置。

【技术特征摘要】
1.一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器，其特征在于，它的外形为圆柱形或圆环形；所述驱动器包括m层外形为圆柱形或圆环形的致动单元(1)，且m层致动单元(1)采用沿驱动器轴线方向叠拼的方式固定连接组成整体驱动器；每层所述致动单元(1)包括2n个外形为扇形或扇环形的压电陶瓷(2)和2n个通电电极片(3)，其中m为大于0的整数，n为大于1的整数；每层所述致动单元(1)中的2n个压电陶瓷(2)沿驱动器周向均布，且相邻两个压电陶瓷(2)之间固定设有一个通电电极片(3)；每层所述致动单元(1)中的2n个压电陶瓷(2)包括n个沿驱动器轴线方向正向极化的第一压电陶瓷(2-1)和n个沿驱动器轴线方向负向极化的第二压电陶瓷(2-2)，且n个正向极化的第一压电陶瓷(2-1)和n个负向极化的第二压电陶瓷(2-2)交替布置。2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述压电驱动器的通电电极片(3)上施加激励电压后，压电陶瓷(2)中产生与极化方向垂直的电场，从而发生沿驱动器周向的剪切变形，驱动器的上下两个底面产生与激励电压成比例的相对角度偏转，进而实现了旋转运动的输出。3.一种采用剪切工作模式的扭转型精密压电驱动器，其特征在于，它的外形为圆柱形或圆环形；所述驱动器包括m层外形为圆柱形或圆环形的致动单元(1)，且m层致动单元(1)采用沿驱动器径线方向叠拼的方式固定连接组成整体驱动器；每层所述致动单元(1)包括2n个外形为扇形或扇环形的压电陶瓷(2)和2n个通电电极片(3)，其中m为大于0的整数，n为大于1的整数；每层所述致动单元(1)中的2n个压电陶瓷(2)沿驱动器周向均布，且相邻两个压电陶瓷(2)之间固定设有一个通电电极片(3)；每层所述致动单元(1)中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英想，于洪鹏，陈维山，刘军考，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23