[发明专利]层叠状剪切压电陶瓷促动器

说明书

技术领域

本发明涉及压电陶瓷促动器，特别是一种层叠状剪切压电陶瓷促动器及其驱动方式。

背景技术

压电陶瓷促动器是一种机电耦合元件，因其体积小(几立方毫米～几十立方毫米)、位移分辨率高(纳米级)、响应速度快(几十微秒)、输出力大、换能效率高等优点，是目前微位移技术中比较理想的驱动元件，广泛应用在光学精密工程、微机电系统、纳米制造技术、微电子技术、纳米生物工程等领域中。

压电陶瓷促动器利用压电材料的逆压电效应，施加一定的电场，实现形变位移的输出。在大部分应用中，通常利用压电陶瓷纵向逆压电效应和横向逆压电效应，但一般单片压电陶瓷的变形量都很小，因此应用范围受到一定限制，为了得到大的变形量往往利用几片或者多片压电陶瓷基片采用机械上串连、电路上并连，然后胶结或烧结方式制成层叠状促动器。

在压电材料中，剪切模式压电系数(d₁₅)比纵向模式压电系数(d₃₃)和横向模式(d₃₁)压电系数大的多，在相同的电场作用下，可产生更大的应变；并且剪切模式可以施加双极性电压，输出位移形变量具有对称性。

如图1所示，d为压电陶瓷形变位移量，L为压电陶瓷高度，E为所施加电场，P为压电陶瓷极化方向；U为所施加电压；当施加电场方向与压电陶瓷的极化方向垂直时，压电陶瓷产生剪切应变。形变位移量d＝d₁₅EL，其中E=UL,]]>则有d=d15ULL=d15U.]]>

发明内容

本发明的目的是提供一种层叠状剪切压电陶瓷促动器，以获得较大的形变位移量和足够小的位移分辨率。

本发明的技术解决方案如下：

一种层叠状剪切压电陶瓷促动器，由促动器主体、上端层、下端层、外部输入正电极端口和外部输入负电极端口构成：

所述的促动器主体的构成是：多块板状压电陶瓷薄片按极化方向相反交替地层叠在一起，且该多块板状压电陶瓷薄片的每两块板状压电陶瓷薄片之间交替地嵌设有板状的内部正电极及内部负电极而结合在一起，所述的的内部负电极引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片的一个端面并全部连接到所述的外部输入负电极端口，所述的内部正电极引出到所述的多块板状压电陶瓷薄片的另一个端面形成若干个外部输入正电极，该若干个外部输入正电极间相互绝缘，再与所述的外部输入正电极端口相连，所述的促动器主体的上端面和下端面分别与所述的上端层和下端层固接。

所述的内部正电极构成若干个外部输入正电极是根据自然数或二进制递增方式配置的。

所述的上端层和下端层是由压电陶瓷片或者陶瓷片构成，以胶结或烧结方式分别固接在促动器主体上下两端面上。所述的上端层和下端层用于电气隔离和耦合外部机械固定件。

我们知道：为了得到大的形变量，同时减小驱动电压。将多片压电陶瓷薄片采用机械上串连，则总的形变位移量d_total＝Nd₁₅U，N为压电陶瓷薄片的层数，从上述公式可以看出，只要改变压电陶瓷薄片的层数和外加电压，就可以控制压电陶瓷促动器的形变量。

从而最大变形量为d_max＝Nd₁₅U

最小分辨率为d_resolution＝d₁₅U

在改变外加电场的同时，选择相应的外部输入正电极，可以改变施加电压的压电陶瓷薄片层数，从而可以灵活的控制压电陶瓷促动器产生形变位移量。

本发明的技术效果：

本发明层叠状剪切压电陶瓷促动器在保证足够大形变位移总量的同时，降低了对压电陶瓷驱动电源的要求，并保证了足够小的位移分辨率；并且各个方向都具有非常好的刚性，因此具有更好的设计灵活性、更高的谐振频率和更低的功耗。