[發明專利]一種多層陶瓷共燒壓電驅動器、壓電馬達及其制備方法

有效

• 申請號: 202010095835.5
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111313747B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 董蜀湘;李占淼;高翔宇;辛旭東;楊繼昆;羅亮
• 申請（專利權）人: 北京大學;北京航天芯智匯物聯科技有限公司
• 主分類號: H02N2/00
• 分類號: H02N2/00;H02N2/02;H02N2/04;H02N2/06
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種多層陶瓷共燒壓電驅動器、壓電馬達及其制備方法。本發明基于超材料基元序構思想設計了由(2×2)矩陣序構致動基元構成的矩形壓電驅動器，每個致動基元均為頭對頭厚度極化、電學上并聯的厚度型多層壓電陶瓷。對一個對角線上的兩個致動基元施加驅動電場，或者對兩個對角線上的致動基元施加反平行驅動電場，不對稱應變效應使壓電驅動器產生一個平面內d₃₄準切變模態非諧振傾斜駐波振動，通過摩擦耦合將該振動轉化為滑動組件的水平線性運動，獲得納米步進壓電馬達。該壓電驅動器采用多層陶瓷共燒工藝制備，體積小，結構簡單，可以在較寬的非諧振頻率下工作，受環境溫度變化影響小，在精密驅動與定位領域有很廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及精密驅動與定位技術，具體涉及一種基于超材料多致動基元序構思想設計的d₃₄準切變模態可多層共燒驅動器及其共燒制備方法，以及一種工作在d₃₄準切變模態、非諧振式納米步進壓電馬達，該壓電馬達在寬范圍具有納米尺度精密驅動與定位功能。

背景技術

壓電馬達是一種能夠利用逆壓電效應，將電能轉換為機械能的精密驅動和執行器件。由于壓電馬達本身具有的結構緊湊、無電磁輻射、定位精度高、無噪聲等優點，其在高精制造業、微機電系統開發、光通訊、光學系統定位、生物醫學操作等領域中扮演著越來越重要的角色。隨著國家對這些高精尖技術的重視與發展，對壓電馬達的分辨率及設計方法提出了越來越高的要求。

根據工作模態的不同，可以將壓電馬達分為諧振式壓電馬達和非諧振式壓電馬達。由于諧振式壓電馬達工作在其諧振頻率下，但壓電材料本身對環境溫度變化、負載都很敏感，其諧振頻率很容易受環境影響而產生漂移，因此造成馬達工作性能不穩定。同時，諧振式壓電馬達的位移分辨率往往較低，很難滿足較高定位精度的要求。因此，非諧振式壓電步進馬達因其工作頻帶較寬、對環境溫度變化不敏感，且步進位移分辨率高，在精密驅動與定位中發揮著越來越重要的作用。

非諧振式壓電步進馬達主要包括慣性馬達、蠕動馬達。慣性馬達是通過壓電體的快、慢伸縮調控一對摩擦副之間的摩擦力，或者利用壓電體的快、慢伸縮產生不同的慣性力來產生步進運動的。例如，當壓電體驅動一個與之摩擦接觸的物體時，被驅動物體在壓電體緩慢伸長和快速收縮時產生的位移是不同的。慣性馬達正是利用這個位移差來產生步進運動，但是其步進過程都具有“回拖”行為，磨損情況也比較嚴重。蠕動馬達仿照尺蠖蟲的運動方式，可以實現長行程小步距運動，但是其結構復雜、體積大、加工困難，至少需要三路獨立的壓電致動元件來實現抱緊、松開、伸縮等步驟。作為非諧振壓電馬達的基本致動(驅動)元件，多層壓電致動器是使器件小型化、易集成的有效手段，可以解決器件尺寸大、結構復雜的問題；同時其低驅動電壓、多功能化的優點也更適合在精密控制等領域里廣泛應用。除了目前普遍使用的壓電d₃₃縱向應變多層致動器，可以產生橫向位移的切變型多層結構壓電致動器也是壓電馬達所需要的另一個基本致動元件。但對于傳統的d₁₅模態切變型多層致動器來說，由于各壓電陶瓷層(片)的極化方向與驅動電場方向互為垂直，多層致動器的制備只能采取粘接法，這種方法不僅制備效率低，還因環氧樹脂的低剛度特性易造成界面位移損失；另外，因為施加的電場方向與各壓電陶瓷片的極化方向垂直，在高電場也易造成電疇翻轉而失效。

發明內容

為解決上述技術問題，一方面，本發明提供了一種基于超材料基元矩陣序構思想，設計了由(2×2)矩陣序構壓電致動基元構成的可共燒多層壓電陶瓷，以及利用(2×2)矩陣壓電致動基元的序構協同作用產生所需要的d₃₄準切變模態的方法；本發明同時也提供了d₃₄準切變模態多層陶瓷共燒驅動器及其制備方法。本發明提出的基于致動基元矩陣序構的矩形結構多層陶瓷結構，因其各層壓電陶瓷片的極化方向與電場施加方向一致，故可以通過一般的流延制片、印刷電極、疊片共燒等成熟工藝方法進行制備，從而解決傳統d₁₅切變模態多層致動器(或驅動器)只能采取陶瓷片與金屬電極薄片交替粘接(環氧樹脂)法進行制備的技術瓶頸，減少粘接界面存在的位移損失、蠕變以及回滯等問題，進而提高切變型多層致動器的穩定性和位移精度。