[發明專利]一種壓電致動器

在審

• 申請號: 202210190095.2
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114629374A
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 丁晨陽;楊奕瀟;徐云浪;康華洲;郭亮
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04;H02N2/06
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 王潔平

本發明公開了一種壓電致動器；其以壓電陶瓷PZT材料的逆壓電效應作為輸出，通過組合疊堆的不同極化運動方向實現多維致動，是精密尺度下的機電一體化設計產品；其在結構中包含至少一個組合疊堆，組合疊堆包含Z疊堆，X疊堆，Y疊堆各一個，共三個致動方向。本發明在尺蠖式運動方式下，壓電致動器中的組合疊堆分為至少兩個疊堆組，每組包含兩個組合疊堆，通過交替致動而持續輸出高精度位移。本發明能夠不依賴柔性導向放大機構等機械結構提供二維大行程致動，解決了常規壓電疊堆致動器不能多軸輸出的問題，極大滿足了微納機械工程與精密運動控制的需求。

技術領域

本發明涉及精密機械設計制造與自動化技術領域，尤其涉及一種壓電致動器。

背景技術

以壓電陶瓷PZT為逆壓電效應材料的壓電致動器，因精度高、響應快、出力大、無磁、性價比高等多種優勢而得到了廣泛的應用。在集成電路工業中，如光刻機工件臺定位和光學鏡頭調節均使用到壓電致動器。然而，壓電致動器也存在行程短、力與位移輸出方向單一等問題，不能滿足精密機械市場的設計與應用需求，因此可以對其疊堆結構、致動方式做出合理升級。

目前，現有的多軸壓電設備，通常是多個壓電疊堆互相耦合的復雜結構，或是使用柔性機構定量更改方向與行程，使系統產生了額外的非線性，而設備中有關行程改進則使用機械慣性結構的連續運動方式，精度不能滿足要求且動子出力較小，往往不符合壓電設備的實際應用條件。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種壓電致動器，以實現多維長行程高精度大出力精密運動控制。

本發明提供了一種壓電致動器，其包括至少一個組合疊堆；其中，組合疊堆包括一個Z疊堆、一個X疊堆、一個Y疊堆與絕緣層。定義Z疊堆的致動方向為Z向，X疊堆與Y疊堆的致動方向分別為X向和Y向。疊堆之間固接，每個疊堆包括至少一個壓電陶瓷單片，通常壓電陶瓷單片是PZT（鋯鈦酸鉛）材料致動應用的最小單位。其中，Z疊堆包括至少一個d33壓電陶瓷單片，X疊堆包括至少一個d15壓電陶瓷單片，Y疊堆包括至少一個d15壓電陶瓷單片，d15、d33為壓電陶瓷的壓電常數，用于描述壓電陶瓷對電壓的響應能力，其中d為壓電常數標識，第一個數字代表施加電場方向，第二個數字代表應變或應力方向。

壓電陶瓷的致動方向與極化工藝有關，在對壓電陶瓷單片施加電場時，壓電陶瓷會因逆壓電效應產生應力或應變。每個疊堆的理論致動行程等于所有單片致動行程總和。為保證組合疊堆的電學穩定性，以及X疊堆、Y疊堆、Z疊堆的獨立工作，不同致動方向的疊堆之間以及組合疊堆的兩端均有絕緣層。

可選的，壓電致動器中的組合疊堆， X疊堆與Y疊堆排布在Z疊堆的兩側，并固接，即Z疊堆居中的結構。

可選的，壓電致動器中的組合疊堆，X疊堆與Y疊堆連接，配置并固接在所述Z疊堆的一側，即Z疊堆不居中的結構。

可選的，壓電致動器中的組合疊堆，其X疊堆、Y疊堆、Z疊堆的致動方向相互正交。

本發明中的壓電致動器含一個組合疊堆時，單個組合疊堆本身能夠作為壓電致動器使用。

可選的，壓電致動器含至少兩個疊堆組時，可令壓電致動器產生分步運動的特征，每個疊堆組含至少一個組合疊堆。具體為壓電致動器含至少兩個疊堆組時的尺蠖式運動方式。不同的疊堆組交替完成相同動作，通常為Z疊堆改變組合疊堆對動子的預緊力，X疊堆與Y疊堆配合能夠沿X-Y平面上任一方向促使動子運動，即模擬行走姿態。

可選的，當壓電致動器含總計至少兩個組合疊堆，其在X-Y平面上的投影，排布在一個直線上。

可選的，當壓電致動器含至少兩個疊堆組，每個疊堆組含至少兩個組合疊堆時，總計至少四個組合疊堆在X-Y平面上的投影，排布在四邊形的四個頂點上。

可選的，壓電致動器含至少三個疊堆組，每個疊堆組中含至少兩個組合疊堆。總計至少六個組合疊堆在X-Y平面上的投影，排布在正六邊形的六個頂點上。