[发明专利]变形压电陶瓷器件

说明书

本发明涉及压电陶瓷器件，尤其涉及变形压电陶瓷器件。

压电陶瓷器件具有尺寸小，线性好，可控制，全固化的特点。但是常规压电陶瓷制成的器件变形量都很小，因此它的应用范围受到一定的限制。一般用压电陶瓷制成的偏转器摆角在θ＝10～30°左右，制成的位移器位移量为微米级(并且在外观尺寸上，普通压电陶瓷器件也偏大，例如：常规PZT器件，当位移量为1微米时，其尺寸大致为20×20×50mm)。

为了实现大位移，通常有以下几个方法：

1.采用多个压电器件构成叠堆：利用压电陶瓷的纵向效应产生变形，将各片压电元件的变形量串联叠加以获得较大的位移量。在工作电压的作用下，工作电场方向平行于极化方向，各片陶瓷的变形方向相同。

压电叠堆端面的总位移量为：

x＝N·d₃₃·V

N为压电叠堆压电单元器件的个数

d₃₃为压电材料的压电常数

V为压电叠堆的工作电压用该种方案可获得的位移量最大可达20～30μm

2.采用位移放大机构将压电变形形成的位移放大后输出。因为用第一种方案可获得的位移量仍是较小的，所以进一步采用杠杆等放大机构，将位移放大后输出，可以获得更大的位移量。

本发明的目的是提供一种尺寸小、大摆角、大位移量的大变形压电陶瓷器件。

为了达到上述目的，本发明采取下列措施。它具有压电陶瓷双晶片，压电陶瓷双晶片具有正变形压电陶片1和负变形压电陶瓷片2，各压电陶瓷双晶片在输出端与相邻的压电陶瓷双晶片经垫片3刚性联接，组成压电陶瓷双晶叠堆，相邻两压电陶瓷双晶片的变形方向相反。

本发明的优点是：

1.变形动态范围大：不同于传统的压电变形器件，它可在一定频率内以任意波形工作，变形幅度可达1毫米以上，变形角可达8°(20℃)。

2.体积小，重量轻。

3.工作温度范围大：该器件的工作温度范围为60～-200℃。无复杂的机械结构，工作时靠PZT材料变形产生线位移和角位移，不存在相对滑动或相对滚动的运动，不存在摩擦、润滑、间隙等传统光机扫描固有的缺陷；这些缺陷使其不能在低温下使用。因为压电材料的压电性在低温下依然存在，故在低温下仍可正常工作，这是该器件最大的特色。

4.精度及重复性好：因为该器件结构中无相对滑动运动，扫描运动是逆压电变形和弹性变形共同作用的结果，工作过程是一弹性变形的过程，不存在摩擦、间隙等问题，不会出现机械扫描中出现的摩损、晃动等情况，因而可以达到较高的精度和重复性。

5.响应快：PZT材料在工作电场建立后即可发生变形，其响应时间极快，从电场建立到压电材料产生变形所需时间为10^-9秒量级。

6.功耗小：PZT变形过程通常可视为绝热过程，尤其于低频工作时自身损耗小，发热很小。该器件工作过程相当于电容器的充放电过程，其功率损耗主要是材料的介质损耗(主要原因是介质漏导因素)引起的，一般介质损耗为2～0.5％。

7.效率高：该器件工作时施加一个电压对应产生一个偏转角。PZT材料的电阻率很高而介电常数大，该器件可视为一个电容性器件，当该器件转到一个角度，维持该位置所需的功率很低。

8.驱动力大：该器件能承担较大的负载，可推动约1公斤重的反射镜工作。

9.该器件产生的电磁干扰小：因为压电陶瓷是以电场作用工作的，而电场限制于器件的内部，因此对外界的干扰小。    

下面结合附图作详细说明：

图1是变形压电陶瓷器件结构示意图；

图2是变形压电陶瓷器件纵向变形原理示意图；

图3是单组变形压电陶瓷器件形成的PZTA结构示意图；

图4是差动变形压电陶瓷器件形成的PZTA结构示意图；

变形压电陶瓷器件的压电陶瓷片厚度为0.2～8mm，通常为0.4～0.8mm，长度为4～60mm，通常为10～30mm。压电陶瓷采用锆钛酸铅(PZT)系压电陶瓷，正变形压电陶瓷片与负变形压电陶瓷片采用DW-1低温胶粘接或采用压电陶瓷烧结联结。各陶瓷双晶片刚性联接所用的垫片采用锆钛酸铅系压电陶瓷，铝，铜材料。

本发明的工作原理如下：变形压电陶瓷器件为压电陶瓷双晶片叠堆结构，各压电陶瓷双晶片产生的角变形串联迭加，同时也将各片的位移迭加，各陶瓷双晶片在输出端点与相邻的双晶片刚性联结，相邻两个陶瓷压电双晶片的变形方向相反，这样陶瓷双晶片之间的角位移相合叠加，最终在叠堆的输出端获得较大的角位移和线位移输出。