拉伸型疊層壓電致動器制造技術

本發明專利技術公開了一種拉伸型疊層壓電致動器，包括壓電元件、絕緣件、連接件、驅動電源和控制單元，壓電元件在長度方向的尺寸遠大于厚度和寬度方向的尺寸，用來輸出拉伸致動位移；連接件一端連接壓電元件，另一端設有螺紋開口用來連接工作裝置或力傳感器；絕緣件用來提供絕緣保護，防止高壓擊穿造成破壞；驅動電源用來給壓電元件提供高壓電場，控制單元用來對驅動電源進行控制。本發明專利技術利用壓電材料的d

Stretching type laminated electric actuator

The invention discloses a tensile type laminated piezoelectric actuator, including piezoelectric element, insulation parts, connectors, power supply and control unit, the piezoelectric element in the length direction of the size is much larger than the direction of thickness and width size, is used to output the tensile displacement; a connecting member connected piezoelectric element, the other one end of a threaded opening for working device or connection force sensor; INSULATIONS used to provide insulation protection, prevent the damage caused by high voltage breakdown; driving power for piezoelectric element with high voltage electric field, the control unit for controlling power supply. The present invention utilizes D of piezoelectric material

【技術實現步驟摘要】
拉伸型疊層壓電致動器
本專利技術屬于精密驅動元件
，特別涉及一種拉伸型疊層壓電致動器。
技術介紹
目前，壓電致動器主要分為兩類：可輸出推力的d33型疊層壓電致動器和單/雙壓電晶片壓電致動器。d33型疊層壓電致動器由許多層尺寸固定的壓電薄片組成，壓電薄片通常為圓形或方形，利用壓電材料的d33效應，在電場作用下產生縱向伸長位移，通過多層壓電薄片輸出位移的疊加，得到較大的縱向伸長位移，見圖1所示。單/雙壓電晶片致動器是由壓電陶瓷和懸臂梁組成的復合結構，通常包括一個長條形金屬懸臂梁和一或兩個長條形壓電晶片，施加電場后，壓電晶片可以收縮或伸長，利用懸臂梁的放大效應，在懸臂梁自由端得到較大的致動位移，見圖2所示。但是以上兩類壓電致動器也有各自的缺點，疊層壓電致動器不能直接輸出拉伸位移，如果想要輸出拉伸位移，需利用杠桿原理，附加其他機械結構實現。而對單/雙壓電晶片壓電致動器，雖然可以輸出拉伸位移，但是輸出的力非常小，只有幾牛左右。而在有些的應用中，比如脆性材料斷裂行為原位測試平臺中，要求加載裝置非常緊湊，這不但要求致動器能夠直接輸出拉力，還要求輸出的力足夠大，在這種情況下，以上兩類致動器均不適用。
技術實現思路
針對現有技術存在的不足，本專利技術利用壓電材料d31效應，提供了一種可以直接輸出拉伸致動、且可輸出較大拉力的拉伸型疊層壓電致動器。為解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案：一、一種壓電元件，其是由第一壓電單元和第二壓電單元在厚度方向交替層疊組成的疊層結構體，壓電元件最外側的兩壓電單元同時為第一壓電單元或第二壓電單元，疊層結構體中第一壓電單元和第二壓電單元的總數不小于2；第一壓電單元的上表面和下表面分別帶有第一內部電極和第二內部電極，第二壓電單元的上表面和下表面分別帶有第二內部電極和第一內部電極；第一壓電單元和第二壓電單元呈長條狀，尺寸均為a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm。二、一種利用上述壓電元件的拉伸型疊層壓電致動器，包括壓電元件、絕緣件、連接件、驅動電源和控制單元，所述的壓電元件是由第一壓電單元和第二壓電單元在厚度方向交替層疊組成的疊層結構體，壓電元件最外側的兩壓電單元同時為第一壓電單元或第二壓電單元，疊層結構體中第一壓電單元和第二壓電單元的總數不小于2；第一壓電單元的上表面和下表面分別帶有第一內部電極和第二內部電極，第二壓電單元的上表面和下表面分別帶有第二內部電極和第一內部電極；第一壓電單元和第二壓電單元呈長條狀，尺寸均為a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm；所有的第一內部電極均引出到第一導電件，所有的第二內部電極均引出到第二導電件，驅動電源通過第一導電件和第二導電件分別向第一內部電極和第二內部電極施加驅動電壓；兩連接件分別設于壓電元件兩端，用來將壓電元件與工作裝置或力傳感器連接；連接件和壓電元件間設有絕緣件，用來對連接件進行絕緣保護。進一步的，內部電極不完全覆蓋壓電單元的長度方向，同時，內部電極完全或部分覆蓋壓電單元的寬度方向；這里，內部電極為第一內部電極或第二內部電極，壓電單元為第一壓電單元或第二壓電單元；其中，第一壓電單元上表面上，電極區域位于非電極區域的第一側；其下表面上，電極區域位于非電極區域的第二側；第二壓電單元下表面上，電極區域位于非電極區域的第一側；其上表面上，電極區域位于非電極區域的第二側。這里，第一側和第二側為相對側。進一步的，第一導電件和第二導電件分別設于壓電元件兩端面。進一步的，連接件為U型連接件。進一步的，連接件的材料是鋁合金。進一步的，壓電單元的材料是組分在準同型相界附近的PZT壓電陶瓷。進一步的，第一導電件和第二導電件均為銅片。進一步的，絕緣片的材料是氧化鋁陶瓷。進一步的，連接件的材料是鋁合金。本專利技術中，壓電元件在長度方向的尺寸遠大于厚度和寬度方向的尺寸，用來輸出拉伸致動位移。連接件一端連接壓電元件，另一端設有螺紋開口用來連接工作裝置或力傳感器。絕緣件用來提供絕緣保護，防止高壓擊穿造成破壞。驅動電源用來給壓電元件提供高壓電場，控制單元用來對驅動電源進行控制。本專利技術具有如下優點和有益效果：(1)傳統的疊層致動器是基于壓電材料的縱向效應(即d33效應)，而本專利技術是基于壓電材料的橫向效應(即d31效應)，可直接輸出拉伸致動，且具有較大的輸出力，非常適用于微型拉伸測試設備等拉伸致動需要精確控制的場合。(2)本專利技術提供了一種新的致動器結構，其致動特性有別于傳統的疊層致動器，豐富了現有壓電致動器的種類。(3)本專利技術結構和制作工藝簡單，成本相對較低。附圖說明圖1為傳統的d33型疊層壓電致動器及原理示意圖；圖2為傳統的雙壓電晶片壓電致動器及其原理示意圖；圖3為本專利技術致動器的具體結構示意圖；圖4為圖3中致動器的裝配過程示意圖；圖5為本專利技術致動器的工作原理示意圖。圖中，1-壓電元件，2-絕緣件，3-連接件，4-驅動電源，5-控制單元。具體實施方式下面將通過具體實施方式，并結合附圖對本專利技術技術方案及其技術效果做進一步說明。參見圖3，壓電元件(1)是由第一壓電單元和第二壓電單元在厚度方向交替層疊組成的疊層結構體，第一壓電單元指一種極化方向的壓電單元，第二壓電單元指另一種極化方向的壓電單元。疊層結構體中第一壓電單元和第二壓電單元的總數量記為n，n≥2，即壓電元件(1)可以由一個第一壓電單元和一個第二壓電單元構成，也可以由多個第一壓電單元和多個第二壓電單元構成。第一壓電單元的上表面和下表面分別帶有第一內部電極和第二內部電極，第二壓電單元的上表面和下表面分別帶有第二內部電極和第一內部電極。這里，上表面和下表面指壓電單元在厚度方向的兩個相對表面。第一壓電單元和第二壓電單元呈長條狀，即壓電單元在長度方向的尺寸遠大于在厚度方向和寬度方向的尺寸，本實施例中第一壓電單元和第二壓電單元的尺寸為60mm*10mm*1mm。參見圖4，本專利技術致動器的具體組裝過程為：沿厚度方向對各壓電單元進行極化，圖中箭頭代表極化方向。第一壓電單元和第二壓電單元的極化方向相反，將第一壓電單元上表面和下表面的內部電極分別記為第一內部電極和第二內部電極，即圖4中標注的“電極”，將第二壓電單元上表面和下表面的內部電極分別記為第二內部電極和第一內部電極。利用環氧樹脂將多個第一壓電單元和多個第二壓電單元交替著粘接成疊層結構的壓電元件，第一壓電單元和第二壓電單元間第一內部電極與第一內部電極接觸，第二內部電極與第二內部電極接觸，上下最外側兩壓電單元同時為第一壓電單元或第二壓電單元。這里，第一內部電極指正極或負極，第二內部電極指負極或正極。組裝完成壓電元件(1)，壓電元件(1)內部電極構成指型結構。等環氧樹脂凝固后，采用銅片在壓電元件(1)兩側面引出各層內部電極，用于連接驅動電源(4)。壓電元件(1)的兩端面和上下表面的兩端粘貼絕緣件(2)，本實施例中，絕緣件(2)為氧化鋁陶瓷片。采用環氧樹脂將連接件(3)粘接于壓電元件(1)兩端，絕緣件(2)用來將連接件(3)與壓電元件(1)、銅片隔離，防止高壓擊穿造成破壞，從而有效保護操作人員及裝置的安全。本實施例中，連接件(3)為鋁合金金屬帽。參見圖5，本專利技術致動器工作時，施加電壓方向與壓電單元初始極化方向相同。當本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種壓電元件，其特征是：所述的壓電元件是由第一壓電單元和第二壓電單元在厚度方向交替層疊組成的疊層結構體，壓電元件最外側的兩壓電單元同時為第一壓電單元或第二壓電單元，疊層結構體中第一壓電單元和第二壓電單元的總數不小于2；第一壓電單元的上表面和下表面分別帶有第一內部電極和第二內部電極，第二壓電單元的上表面和下表面分別帶有第二內部電極和第一內部電極；第一壓電單元和第二壓電單元呈長條狀，尺寸均為a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm。

【技術特征摘要】
1.一種壓電元件，其特征是：所述的壓電元件是由第一壓電單元和第二壓電單元在厚度方向交替層疊組成的疊層結構體，壓電元件最外側的兩壓電單元同時為第一壓電單元或第二壓電單元，疊層結構體中第一壓電單元和第二壓電單元的總數不小于2；第一壓電單元的上表面和下表面分別帶有第一內部電極和第二內部電極，第二壓電單元的上表面和下表面分別帶有第二內部電極和第一內部電極；第一壓電單元和第二壓電單元呈長條狀，尺寸均為a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm。2.一種拉伸型疊層壓電致動器，包括壓電元件、絕緣件、連接件、驅動電源和控制單元，其特征是：所述的壓電元件是由第一壓電單元和第二壓電單元在厚度方向交替層疊組成的疊層結構體，壓電元件最外側的兩壓電單元同時為第一壓電單元或第二壓電單元，疊層結構體中第一壓電單元和第二壓電單元的總數不小于2；第一壓電單元的上表面和下表面分別帶有第一內部電極和第二內部電極，第二壓電單元的上表面和下表面分別帶有第二內部電極和第一內部電極；第一壓電單元和第二壓電單元呈長條狀，尺寸均為a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm；所有的第一內部電極均引出到第一導電件，所有的第二內部電極均引出到第二導電件，驅動電源通過第一導電件和第二導電件分別...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李應衛，朱大鵬，陸曉萱，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42