[發明專利]一種基于鐵彈疇變的大致動應變壓電致動器

有效

• 申請號: 201510031542.X
• 申請日: 2015-01-22
• 公開（公告）號: CN104538545B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 李法新;苗鴻臣
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L41/083
• 分類號: H01L41/083
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 李稚婷

技術領域

本發明屬于精密驅動元件技術領域，特別涉及一種基于鐵彈疇變的壓電致動器。

背景技術

壓電致動器由于具有響應速度快、控制精度高、輸出力矩密度大、運行噪聲低等特點，被廣泛的用于精密定位、馬達和振動抑制等領域。同時由于壓電致動器性能對尺寸不敏感，在小尺寸(毫米～厘米)范圍中，與傳統的電磁致動器相比具有相對高的功率密度，大的驅動力，和相對高的效率等優勢。

目前較為常用的壓電致動器主要是多層壓電致動器。多層壓電致動器的優點在于驅動電壓低，響應快，輸出致動力較大；缺點在于致動應變較小(約0.1％)，為了實現較大的致動位移，通常的途徑是增加致動器的層數。增加層數不僅使得致動器的制作工藝復雜，而且由于多層致動器在制作過程中容易引入缺陷，器件在服役過程中容易發生斷裂失效，使得器件的可靠性難以保證。因此，有必要開發一種全新的壓電致動器，實現即使不用疊層(或者疊層較少)也能實現較大的致動位移。

發明內容

本發明的目的在于：針對多層壓電致動器的弊端，提供一種全新的壓電致動器，實現即使不用疊層(或者疊層較少)也能實現較大的致動位移。

本發明的目的是這樣實現的：一種基于鐵彈疇變的壓電致動器，包括長條型壓電片、長條形約束片和驅動電源，其特征在于：在所述壓電片較大的兩個相對表面上沿長度方向各粘接有一所述約束片，所述壓電片和約束片在該表面寬度方向的尺寸是一致的，而在長度方向上約束片對壓電片施加有拉伸預應力；所述壓電片沿該表面的長度方向極化；在壓電片所述的兩個相對表面上帶有電極，電極通過導線和驅動電源連接。

在本發明的致動器中，約束片在和壓電片粘接之前，在長度方向受到均勻的壓縮，而后壓電片兩側與受壓縮的約束片粘接為一體，最后釋放約束片的壓縮力，從而給壓電片施加了沿長度方向的拉伸預應力。

在本發明涉及的技術方案中，所述壓電片并不限定于特定的材料，可以是壓電陶瓷或鐵電陶瓷，亦可以是壓電單晶或鐵電單晶。選材的原則是盡可能的選擇自發應變大(自發應變大于0.35％)，矯頑場較小的鐵電材料。

在本發明涉及的技術方案中，所述約束片可以是金屬薄片，亦可以是其它彈性較好的非金屬薄片。選材的原則是彈性較好(即變形在壓電片自發應變范圍內不發生屈服，仍然保持線彈性)，彈性模量恰當。

進一步的，本發明的致動器可以是包括一個壓電片和兩個約束片的單層結構；也可以是n塊壓電片和n+1塊約束片組成的多層結構，其中壓電片和約束片相間排列，n為自然數，n≥2；也可以是n塊壓電片(n為自然數，n≥2)和2塊約束片組成的疊層結構，即壓電片在長度方向上層疊，而約束片只是在長度方向上加長；還可以是上述多層結構和壓電片疊層結構的混合結構，具有多塊壓電片和多塊約束片，每兩塊約束片之間具有多塊在長度方向上層疊的壓電片。

本發明壓電致動器的制備方法包括：在長條形壓電片較大的兩個相對表面上制作電極，且將壓電片沿長度方向極化；對長條形約束片沿長度方向施加均勻的壓應力；然后將施加壓應力的約束片粘接到壓電片較大的兩個相對表面上，粘接好后，釋放施加在約束片上的壓應力。裝配好后，壓電片會受到一個極化方向的拉伸預應力。

本發明的優點在于：它提供了一種新的致動器結構，并且致動機理有別與傳統的壓電致動器。傳統的壓電致動器基于的是材料的壓電效應，而本發明基于的是鐵彈疇變產生的應變。本發明設計的預應力結構可以方便的實現電場撤去，電疇自恢復的功能，所以具有無源自鎖的特點。本發明與傳統的致動器相比，具有以下優點：結構相對簡單，制作工藝相對簡單；根據壓電元件材料選取的不同，理論上可以實現高達0.17％～1.15％的超大致動應變，至少可以將傳統壓電致動器的致動應變提高70％以上；由于本發明采用的是長度方向致動，所以即使不用多層結構，也能實現較大的致動位移；由于本發明結構簡單，含有更少的原件，所以容易小型化，成本也相對較低。

附圖說明

圖1為本發明實施例之一單層結構致動器的結構示意圖。

圖2是圖1所示致動器的裝配過程示意圖。

圖3顯示了本發明致動器的工作原理。

圖4為本發明實施例之二多層結構致動器的總體結構示意圖。

圖5為本發明實施例之三疊層結構致動器的總體結構示意圖。

圖6為本發明實施例之四多層疊層結構致動器的總體結構示意圖。