一种多层陶瓷共烧压电驱动器、压电马达及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多层陶瓷共烧压电驱动器、压电马达及其制备方法。本发明专利技术基于超材料基元序构思想设计了由(2×2)矩阵序构致动基元构成的矩形压电驱动器，每个致动基元均为头对头厚度极化、电学上并联的厚度型多层压电陶瓷。对一个对角线上的两个致动基元施加驱动电场，或者对两个对角线上的致动基元施加反平行驱动电场，不对称应变效应使压电驱动器产生一个平面内d

A multilayer ceramic co fired piezoelectric actuator, piezoelectric motor and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多层陶瓷共烧压电驱动器、压电马达及其制备方法
本专利技术涉及精密驱动与定位技术，具体涉及一种基于超材料多致动基元序构思想设计的d34准切变模态可多层共烧驱动器及其共烧制备方法，以及一种工作在d34准切变模态、非谐振式纳米步进压电马达，该压电马达在宽范围具有纳米尺度精密驱动与定位功能。
技术介绍
压电马达是一种能够利用逆压电效应，将电能转换为机械能的精密驱动和执行器件。由于压电马达本身具有的结构紧凑、无电磁辐射、定位精度高、无噪声等优点，其在高精制造业、微机电系统开发、光通讯、光学系统定位、生物医学操作等领域中扮演着越来越重要的角色。随着国家对这些高精尖技术的重视与发展，对压电马达的分辨率及设计方法提出了越来越高的要求。根据工作模态的不同，可以将压电马达分为谐振式压电马达和非谐振式压电马达。由于谐振式压电马达工作在其谐振频率下，但压电材料本身对环境温度变化、负载都很敏感，其谐振频率很容易受环境影响而产生漂移，因此造成马达工作性能不稳定。同时，谐振式压电马达的位移分辨率往往较低，很难满足较高定位精度的要求。因此，非谐振式压电步进马达因其工作频带较宽、对环境温度变化不敏感，且步进位移分辨率高，在精密驱动与定位中发挥着越来越重要的作用。非谐振式压电步进马达主要包括惯性马达、蠕动马达。惯性马达是通过压电体的快、慢伸缩调控一对摩擦副之间的摩擦力，或者利用压电体的快、慢伸缩产生不同的惯性力来产生步进运动的。例如，当压电体驱动一个与之摩擦接触的物体时，被驱动物体在压电体缓慢伸长和快速收缩时产生的位移是不同的。惯性马达正是利用这个位移差来产生步进运动，但是其步进过程都具有“回拖”行为，磨损情况也比较严重。蠕动马达仿照尺蠖虫的运动方式，可以实现长行程小步距运动，但是其结构复杂、体积大、加工困难，至少需要三路独立的压电致动元件来实现抱紧、松开、伸缩等步骤。作为非谐振压电马达的基本致动(驱动)元件，多层压电致动器是使器件小型化、易集成的有效手段，可以解决器件尺寸大、结构复杂的问题；同时其低驱动电压、多功能化的优点也更适合在精密控制等领域里广泛应用。除了目前普遍使用的压电d33纵向应变多层致动器，可以产生横向位移的切变型多层结构压电致动器也是压电马达所需要的另一个基本致动元件。但对于传统的d15模态切变型多层致动器来说，由于各压电陶瓷层(片)的极化方向与驱动电场方向互为垂直，多层致动器的制备只能采取粘接法，这种方法不仅制备效率低，还因环氧树脂的低刚度特性易造成界面位移损失；另外，因为施加的电场方向与各压电陶瓷片的极化方向垂直，在高电场也易造成电畴翻转而失效。
技术实现思路
为解决上述技术问题，一方面，本专利技术提供了一种基于超材料基元矩阵序构思想，设计了由(2×2)矩阵序构压电致动基元构成的可共烧多层压电陶瓷，以及利用(2×2)矩阵压电致动基元的序构协同作用产生所需要的d34准切变模态的方法；本专利技术同时也提供了d34准切变模态多层陶瓷共烧驱动器及其制备方法。本专利技术提出的基于致动基元矩阵序构的矩形结构多层陶瓷结构，因其各层压电陶瓷片的极化方向与电场施加方向一致，故可以通过一般的流延制片、印刷电极、叠片共烧等成熟工艺方法进行制备，从而解决传统d15切变模态多层致动器(或驱动器)只能采取陶瓷片与金属电极薄片交替粘接(环氧树脂)法进行制备的技术瓶颈，减少粘接界面存在的位移损失、蠕变以及回滞等问题，进而提高切变型多层致动器的稳定性和位移精度。另一方面，本专利技术提供了一种矩形结构、基于d34准切变模态压电驱动器设计的非谐振式纳米步进压电马达。这种新型的准切变模态多层结构压电马达采用单模态的非谐振驻波驱动方式，结构简单、易于集成，可以有效解决目前纳米步进马达存在的结构复杂、尺寸大、制备效率低，以及驱动电路复杂等问题。本专利技术提供的技术方案是：一种基于超材料基元序构思想进行设计的d34准切变模态、矩形结构的多层陶瓷共烧压电驱动器，这种矩形多层压电驱动器由(2×2)矩阵序构的四个多层压电陶瓷致动基元所构成，四个致动基元按从上到下、从左到右的顺序依次编号为1-A11、1-A12、1-A21和1-A22(下标第一个数字代表所在行，第二个数字代表所在列)，见图1。每个致动基元中各陶瓷片的极化电极同时也是其施加驱动电压的电极，因此可以利用流延制片、印刷电极、叠片的方法，将印刷有电极图案的陶瓷片有序排列、利用低温共烧法烧结在一起以获得多层陶瓷结构。很明显，同粘接法相比，共烧在一起的多层陶瓷具有更好的温度稳定性、更低的界面位移损失、以及更低的回滞等特性。每个致动基元均为厚度型多层压电陶瓷结构；在每个致动基元中，各陶瓷片采用头对头厚度极化和电学并联连接方式，而且四个致动基元的地线并接在一起。参见图1，上面所述d34准切变模态矩形多层陶瓷共烧压电驱动器中，致动基元1-A11和1-A22的驱动电场方向一致，致动基元1-A12和1-A21的驱动电场方向一致，若致动基元1-A11、1-A22的驱动电场方向与致动基元1-A12、1-A21的驱动电场方向反平行，当多层驱动器底部固定时，致动基元1-A11、1-A22因d31横向应变效应和d33纵向应变效应将沿(i-i)对角线方向伸长(或缩短)，而致动基元1-A12、1-A21也因d31和d33应变效应沿(ii-ii)对角线方向缩短(或伸长)；或者，也可以简单的将驱动电场只施加在一个对角线上的两个致动基元，也可造成矩形多层驱动器的沿对角线的不对称应变，导致压电驱动器发生面内畸变，产生可程控、分别沿两个对角线方向的面内d34准切变振动。传统的压电陶瓷属于6mm点群结构，只存在d33、d31、d32、d15、d24五个非零的压电应变常数。因此利用上述基于超材料思想设计的多层共烧压电驱动器，可以获得压电陶瓷本身不存在的d34系数。对于上述d34准切变模态矩形多层陶瓷共烧压电驱动器，预设驱动电场的工作频率远低于所述压电驱动器的谐振频率，从而可使其在较宽的工作频带内工作，且不易受外界环境的影响。一般的，所述压电驱动器的谐振频率高于20kHz，预设驱动电场的工作频率优选设置在0.1Hz～5kHz。将上面所述d34准切变模态多层共烧压电驱动器的下表面固定、上表面作为位移输出端，因面内d34准切变效应，则既可产生横向切向位移δy，也能产生竖直方向位移δz，参见图2，这是可用作压电马达驱动的重要条件。如图3所示，在压电驱动器1上表面的合适位置安装摩擦头2，通过面内d34准切变模态使摩擦头2同时产生切向位移δy和垂向位移δz，进而使摩擦头2产生一个方向可控的、非谐振驻波和倾斜的直线运动轨迹，则能在摩擦力作用下驱动滑块做线性运动。其中，上表面中部1-C区域的不均匀应变最为强烈，故1-C区域适合作为摩擦头固定位置和产生位移输出。也可将摩擦头安装在上表面的左端1-L区域或右端1-R区域产生位移输出，这种设计均适用于本专利技术。进一步的，本专利技术提供了一种d34准切变模态非谐振式纳米步进压电马达，由上面所述d34准切变模态矩形多层共烧压电驱动器和固定基板、摩擦头、摩擦片等组成，其中，所述压电驱动器的底面固定在固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电驱动器，为多层陶瓷共烧压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器为矩形结构，由(2×2)矩阵序构的四个致动基元构成；每个致动基元均为厚度型多层压电陶瓷结构，每个致动基元中各陶瓷片叠层采用厚度方向头对头极化方式，电学上为并联连接，每层陶瓷片的极化电极同时也是其驱动电压的施加电极；四个致动基元按从上到下、从左到右的顺序依次编号为1-A

【技术特征摘要】
1.一种压电驱动器，为多层陶瓷共烧压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器为矩形结构，由(2×2)矩阵序构的四个致动基元构成；每个致动基元均为厚度型多层压电陶瓷结构，每个致动基元中各陶瓷片叠层采用厚度方向头对头极化方式，电学上为并联连接，每层陶瓷片的极化电极同时也是其驱动电压的施加电极；四个致动基元按从上到下、从左到右的顺序依次编号为1-A11、1-A12、1-A21和1-A22，若致动基元1-A11、1-A22的驱动电场方向与致动基元1-A12、1-A21的驱动电场方向反平行，在压电陶瓷的d33纵应变效应和d31横应变效应作用下，该矩形压电驱动器将沿对角线i-i方向伸长或缩短，同时沿另一个对角线ii-ii方向缩短或伸长；或者，驱动电场只施加在一个对角线上的两个致动基元上，也将造成该压电驱动器沿对角线的不对称应变；两对角线上不对称应变效应激发压电驱动器产生面内d34准切变模态振动。


2.一种压电马达，为d34准切变模态非谐振式纳米步进压电马达，包括权利要求1所述的压电驱动器和固定基板、摩擦头和摩擦片，其中所述压电驱动器的底面固定在固定基板上，摩擦头固定在压电驱动器的上表面，摩擦头和摩擦片弹性接触；所述压电驱动器带动摩擦头产生倾斜的、方向可控的周期性非谐振动和位移输出，摩擦头再通过摩擦力的作用推动与之摩擦接触的摩擦片移动，从而使与摩擦片粘接的部件沿导轨产生直线运动。


3.如权利要求2所述的压电马达，其特征在于，所述压电马达包括权利要求1所述的压电驱动器、摩擦头、固定组件、滑动组件和预紧力组件，其中，所述固定组件包括固定基板和基座，所述滑动组件包括摩擦片、滑块和导轨；所述压电驱动器底面粘接在固定基板上，摩擦头粘接在压电驱动器上表面；摩擦片粘接在滑块上，滑块可沿导轨滑动；预紧力组件将固定基板与基座连接，同时，在预紧力组件提供的预紧力作用下所述摩擦头与摩擦片弹性接触。


4.如权利要求2所述的压电马达，其特征在于，所述摩擦头为圆柱状、球形或梯形结构；所述摩擦头位于所述压电驱动器上表面的中部区域和/或两端区域，一个或多个摩擦头与所述摩擦片有一个或多个接触区域。


5.如权利要求2所述的压电马达，其特征在于，所述压电驱动器的上表面与一薄板固定连接，一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：董蜀湘，李占淼，高翔宇，辛旭东，杨继昆，罗亮，
申请(专利权)人：北京大学，北京航天芯智汇物联科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11