一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于精密驱动元件技术领域，特别涉及一种基于铁弹畴变的压电致动器。
【背景技术】
[0002]压电致动器由于具有响应速度快、控制精度高、输出力矩密度大、运行噪声低等特点，被广泛的用于精密定位、马达和振动抑制等领域。同时由于压电致动器性能对尺寸不敏感，在小尺寸(毫米?厘米)范围中，与传统的电磁致动器相比具有相对高的功率密度，大的驱动力，和相对高的效率等优势。
[0003]目前较为常用的压电致动器主要是多层压电致动器。多层压电致动器的优点在于驱动电压低，响应快，输出致动力较大；缺点在于致动应变较小(约0.1% )，为了实现较大的致动位移，通常的途径是增加致动器的层数。增加层数不仅使得致动器的制作工艺复杂，而且由于多层致动器在制作过程中容易引入缺陷，器件在服役过程中容易发生断裂失效，使得器件的可靠性难以保证。因此，有必要开发一种全新的压电致动器，实现即使不用叠层(或者叠层较少)也能实现较大的致动位移。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于:针对多层压电致动器的弊端，提供一种全新的压电致动器，实现即使不用叠层(或者叠层较少)也能实现较大的致动位移。
[0005]本发明的目的是这样实现的:一种基于铁弹畴变的压电致动器，包括长条型压电片、长条形约束片和驱动电源，其特征在于:在所述压电片较大的两个相对表面上沿长度方向各粘接有一所述约束片，所述压电片和约束片在该表面宽度方向的尺寸是一致的，而在长度方向上约束片对压电片施加有拉伸预应力；所述压电片沿该表面的长度方向极化；在压电片所述的两个相对表面上带有电极，电极通过导线和驱动电源连接。
[0006]在本发明的致动器中，约束片在和压电片粘接之前，在长度方向受到均匀的压缩，而后压电片两侧与受压缩的约束片粘接为一体，最后释放约束片的压缩力，从而给压电片施加了沿长度方向的拉伸预应力。
[0007]在本发明涉及的技术方案中，所述压电片并不限定于特定的材料，可以是压电陶瓷或铁电陶瓷，亦可以是压电单晶或铁电单晶。选材的原则是尽可能的选择自发应变大(自发应变大于0.35% )，矫顽场较小的铁电材料。
[0008]在本发明涉及的技术方案中，所述约束片可以是金属薄片，亦可以是其它弹性较好的非金属薄片。选材的原则是弹性较好(即变形在压电片自发应变范围内不发生屈服，仍然保持线弹性)，弹性模量恰当。
[0009]进一步的，本发明的致动器可以是包括一个压电片和两个约束片的单层结构；也可以是η块压电片和η+1块约束片组成的多层结构，其中压电片和约束片相间排列，η为自然数，η彡2 ;也可以是η块压电片(η为自然数，η彡2)和2块约束片组成的叠层结构，即压电片在长度方向上层叠，而约束片只是在长度方向上加长；还可以是上述多层结构和压电片叠层结构的混合结构，具有多块压电片和多块约束片，每两块约束片之间具有多块在长度方向上层叠的压电片。
[0010]本发明压电致动器的制备方法包括:在长条形压电片较大的两个相对表面上制作电极，且将压电片沿长度方向极化；对长条形约束片沿长度方向施加均匀的压应力；然后将施加压应力的约束片粘接到压电片较大的两个相对表面上，粘接好后，释放施加在约束片上的压应力。装配好后，压电片会受到一个极化方向的拉伸预应力。
[0011]本发明的优点在于:它提供了一种新的致动器结构，并且致动机理有别与传统的压电致动器。传统的压电致动器基于的是材料的压电效应，而本发明基于的是铁弹畴变产生的应变。本发明设计的预应力结构可以方便的实现电场撤去，电畴自恢复的功能，所以具有无源自锁的特点。本发明与传统的致动器相比，具有以下优点:结构相对简单，制作工艺相对简单；根据压电元件材料选取的不同，理论上可以实现高达0.17%?1.15%的超大致动应变，至少可以将传统压电致动器的致动应变提高70%以上；由于本发明采用的是长度方向致动，所以即使不用多层结构，也能实现较大的致动位移；由于本发明结构简单，含有更少的原件，所以容易小型化，成本也相对较低。
【附图说明】
[0012]图1为本发明实施例之一单层结构致动器的结构示意图。
[0013]图2是图1所示致动器的装配过程示意图。
[0014]图3显示了本发明致动器的工作原理。
[0015]图4为本发明实施例之二多层结构致动器的总体结构示意图。
[0016]图5为本发明实施例之三叠层结构致动器的总体结构示意图。
[0017]图6为本发明实施例之四多层叠层结构致动器的总体结构示意图。
[0018]图中:21a，21b，21c，21d，21e-约束片；22，22a，22b，22c，22d，22e，22f，22g，22h-压电元件片；50-与电压源连接的导线；P-电极化；L-致动器的初始长度；AL-致动器的位移；E-电场。
【具体实施方式】
[0019]附图非限制性地公开了本发明的部分实施例，下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步地说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
[0020]由图1可见:所示的致动器由压片元件22和两块约束片21a和21b构成。其中压电片22沿长度方向极化，图中P代表电极化，箭头代表极化方向。压电片22的两个较大的相对表面为电极面，图中粗黑线表示电极，电极通过导线50和驱动电压源相连。图2展示了图1所示致动器的装配过程。首先将约束片21a和21b沿长度方向施加均匀的压应力σ，然后将压电片22用环氧树脂和约束片21a和21b按如图2所示的方式粘接在一起，等环氧树脂凝固好后，释放施加在约束片21a和21b上的压应力。装配好后，压电片22会受到一个极化方向的拉伸预应力。
[0021]图3展示了图1所示致动器的工作原理。当一个合适工作频