压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法
【专利摘要】本发明适用于压电驱动【技术领域】，公开了一种压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法。压电复合管驱动装置包括基体管和套设于基体管的内侧壁或/和外侧壁且用于驱动基体管产生轴向变形的压电管。本发明所提供的压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法，提供了一种压电复合管驱动装置，压电管固定在薄壁基体管外层、内层或内外层，通过驱动该压电管而使基体管产生一定的轴向驱动力和位移量，从而构成一个独立的压电驱动器，具有重量轻、结构简单、制作方便、动态驱动效果好、承载力强、驱动力和位移量可灵活设计等优点，可满足各种微纳米精确定位系统、微振动主动控制及隔振系统等对驱动元件的不同需求，具有良好的通用性。
【专利说明】压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压电驱动【技术领域】，尤其涉及一种压电复合管驱动装置及压电复合管 驱动装置的制造方法。
【背景技术】
[0002] 压电驱动器具有响应速度快、能耗低等特点，广泛用作各类智能材料与结构中的 驱动元件，特别适用于用作各类微振动主动控制及主动隔离系统中的驱动元件。
[0003] 目前常用的压电驱动器主要有：压电片、压电堆以及一些专用压电驱动结构。其 中，压电片是最简单的一类压电驱动器，可制作成长条形或圆柱形等几种，通常根据具体驱 动要求，将其直接粘贴到相应的结构上，以实现驱动要求；压电堆是目前使用较多的一类压 电驱动器，它通过将多片压电片叠加在一起而形成一个独立的压电驱动器件。现有技术中 的压电驱动器，压电片驱动器的驱动力和位移量较弱，其应用与具体结构有关，应用场合受 限；压电堆驱动器存在制作成本高、重量大、机械强度欠佳等不足，难以满足大部分微振动 主动控制及主动隔振系统的需要；而其他一些专用压电驱动器则驱动性能单一、结构特殊， 通用性不好，难以满足各类微振动主动控制及主动隔振系统的需要。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了 一种压电复合管驱动装置及 压电复合管驱动装置的制造方法，该压电复合管驱动装置重量轻、结构简单、制作方便、动 态驱动效果好且承载力强。
[0005] 本发明的技术方案是：一种压电复合管驱动装置，包括呈管状的基体管，还包括套 设于所述基体管的内侧壁或/和外侧壁且用于驱动所述基体管以使所述基体管产生轴向 变形的压电管，所述压电管电连接有用于向所述压电管提供驱动电压的驱动器。
[0006] 作为本技术方案的进一步改进，所述基体管的截面呈圆环状。
[0007] 作为本技术方案的进一步改进，所述基体管采用铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合 金或塑料材料制成。
[0008] 作为本技术方案的进一步改进，所述压电管通过粘接物粘接于所述基体管的内侧 或/和外侧。
[0009] 作为本技术方案的进一步改进，所述基体管内侧或外侧粘接有至少两个所述压电 管，各所述压电管并联连接或串联连接。
[0010] 作为本技术方案的进一步改进，所述压电管包括至少两段弧形压电段，各所述弧 形压电段合围形成所述压电管，各所述弧形压电段粘接于所述基体管的内侧或/和外侧。
[0011] 作为本技术方案的进一步改进，每个所述压电管包括四段弧形压电段。
[0012] 作为本技术方案的进一步改进，所述粘接物为绝缘胶水。
[0013] 作为本技术方案的进一步改进，所述基体管与所述压电管之间设置有凹凸配合结 构。
[0014] 本发明还提供了一种用于制造上述压电复合管驱动装置的制造方法，包括以下步 骤：设置呈管状的基体管，在所述基体管的内侧壁或/和外侧壁粘接用于驱动所述基体管 以使所述基体管产生轴向变形的压电管，于所述压电管上连接驱动器；
[0015] 或者，包括以下步骤：先制备基体管，然后在基体管的外侧或内侧喷设压电材料而 成型所述压电管，再于所述压电管上连接驱动器；
[0016] 或者，包括以下步骤：先制备压电管，然后在压电管的外侧或/和内侧喷设基体管 材料而成型基体管，再于所述压电管上连接驱动器。
[0017] 本发明所提供的压电复合管驱动装置及压电复合管驱动装置的制造方法，提供了 一种压电复合管驱动装置，压电管固定在薄壁基体管外层、内层或内外层，通过驱动该压电 管而使基体管产生一定的驱动力和位移量，从而构成一个独立的压电驱动器，具有重量轻、 结构简单、制作方便、动态驱动效果好（幅频特性曲线）、承载力强、驱动力和位移量可灵活 设计的优点，可以满足各种微振动主动控制及主动隔振系统对驱动元件的不同需求，具有 良好的通用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附 图。
[0019] 图1是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的主视图；
[0020] 图2是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的左视图；
[0021] 图3是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的主视图；
[0022] 图4是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的左视图；
[0023] 图5是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的理论分析示意图；
[0024] 图6是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的幅频特性曲线图；
[0025] 图7是本发明实施例提供的压电复合管驱动装置的相频特性曲线图；
[0026] 图8是现有技术提供的压电堆的幅频特性曲线图；
[0027] 图9是现有技术提供的压电堆的相频特性曲线图。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0029] 需要说明的是，当元件被称为"固定于"或"设置于"另一个元件，它可以直接在另 一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是"连接于"另一个元件，它可 以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0030] 还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是 以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
[0031] 如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种压电复合管驱动装置，包括呈管状的 基体管100,还包括套设于所述基体管100的内侧壁或/和外侧壁且用于驱动所述基体管 100以使所述基体管100产生轴向变形的压电管200,所述压电管200电连接有用于向所述 压电管200提供驱动电压的驱动器300。通过驱动器300向压电管200加电，使压电管200 产生相应的轴向变形，通过驱动该压电管200而使基体管100产生一定的驱动力和位移量， 从而构成一个独立的压电驱动器300,且利用了基体管100的支撑强度，驱动力和位移量较 强，使压电管200受力情况得以改善，装置的机械强度高，且降低了制作成本，减轻了重量， 可以满足大部分微振动主动控制及主动隔振系统对驱动元件的需要，适用范围广，可靠性 商。
[0032] 具体地，所述基体管100的截面可以呈圆环状等，其便于加工，当然基体管100的 截面也可呈矩形、椭圆形等，均属于本发明的保护范围。
[0033] 或者，也可以在两个套设的基体管100中间夹设至少一个所述压电管200,即压电 管200的内侧与其中一个基体管100的外侧粘接，压电管200的外侧与另一个基体管100 的内侧粘接，也属于本发明的保护范围。可以理解地，还可以上述两个基体管1〇〇及设置于 两个基体管100之间的压电管200的基础上，继续在内侧或外侧套设压电管200和基体管 100,其数量和层数可根据实际情况设定。例如，基体管100设置有至少三个，各基体管100 的大小不同且高度可相等，各基体管100依次套设，相邻的基体管100之间可嵌设有压电管 200。或者，基体管100设置有至少两个，各基体管100的大小不同且高度可相等，各基体管 100依次套设，相邻的基体管100之间可嵌设有压电管200,最内层的基体管100的内侧也 可粘接有压电管200,最外层的基体管100也可设置有压电管200。
[0034] 具体地，所述基体管100可以采用铜、铜合金、铝、铝合金或塑料等材料制成，本实 施例中，基体管100采用铜材料制成，基体管100可为铜管，其性能佳且成本低。
[0035] 具体地，所述压电管200通过粘接物粘接于所述基体管100的内侧或/和外侧，此 连接方式可靠。具体应用中，所述粘接物可为绝缘胶水等，其固化后形成粘接层。可以理解 地，压电管200也可通过其它方式固定连接或成型于所述基体管100的内侧壁、外侧壁。
[0036] 具体地，所述基体管100内侧或外侧可以粘接有至少两个所述并联连接的压电管 200,以提商驱动力。
[0037] 具体的，压电管200的端部不凸出于基体管100的端部。
[0038] 具体地，如图3和图4所示，所述压电管200包括至少两段弧形压电段210,各所 述弧形压电段210合围形成所述压电管200,各所述弧形压电段210粘接于所述基体管100 的内侧或/和外侧，以便于装配。
[0039] 本实施例中，每个所述压电管200包括四段弧形压电段210。可采用四等分的方 法，将整个压电管200等分成四等分，再粘贴于基体管100的外表面，有利于加工制作，方便 压电管200粘贴；减少了圆周方向上的径向变形，提高了驱动元件工作可靠性；该对称粘贴 结构不影响压电复合管轴向驱动力和位移量。
[0040] 具体应用中，可以在所述基体管100与所述压电管200之间设置有凹凸配合结构， 例如，在压电管200的内侧一体设置有凸起结构，相应地在基体管100的侧壁设置有与凸起 结构匹配的凹陷结构，以进一步提高装置的可靠性。凸起结构可呈环状或块状等，基体管 100的侧壁相应地设置有环形凹槽、凹穴等，凸起结构可以插入凹陷结构内。
[0041] 本发明实施例还提供了一种压电复合管驱动装置的制造方法，可用于制造上述的 压电复合管驱动装置。制造方法包括以下步骤：设置呈管状的基体管100,在所述基体管 100的内侧壁或/和外侧壁粘接用于驱动所述基体管100以使所述基体管100产生轴向变 形的压电管200,于所述压电管200上连接驱动器300。或者，也可采用如下方法，先制备 基体管100,再在基体管100的外侧或内侧喷设压电材料，可实行逐层喷设的层积方式，最 终在基体管100的内侧或外侧成型得到压电管200。或者，还可采用如下方法，包括以下步 骤：先制备压电管200,然后在压电管200的外侧或/和内侧喷设基体管材料而成型基体管 100,再于所述压电管200上连接驱动器300。
[0042] 具体制造时，可以先将压电管200沿圆周方向切割成四等份，然后用绝缘胶将其 粘贴于基体管100的外表面或/和内表面。如此在每个基体管100上按一定间隔粘贴四个 压电管200，并完成一个铜-压电复合管驱动器的制作。
[0043] 通过将压电管200驱动元件切割成四等分粘贴于基体管100外表面，是因为PZT 压电材料脆性较大，由于d32应变效应的存在，使得在圆周方向产生伸/缩应变，如果保持 圆周整体结构，则在外加交变电场作用下，可能会使压电管200产生径向扩大与缩小变形， 长期工作则可能导致压电管200驱动功能的失效和碎裂。因此，本设计采用四等分的方法， 将整个压电管200等分成四等分，再粘贴于铜管外表面。此方法的优点有：
[0044] (1)有利于加工制作，方便压电管200粘贴；
[0045] (2)减少了圆周方向上的径向变形，提高了驱动元件工作可靠性；
[0046] (3)该对称粘贴结构不影响基体_压电复合管轴向驱动力和位移量。
[0047] 以下对本发明实施例提供的压电复合管驱动装置进行分析，根据线性应变理论， 对基体-压电复合管驱动器的静态驱动性能进行理论推导和分析，该静态驱动性能主要包 括驱动力和应变量。
[0048] 如图5所示，由于压电管200与薄壁基体管100之间是用粘贴剂粘贴，粘贴剂形成 粘接层300,故当压电驱动元件受激励电压作用时会产生拉伸形变（压缩变形情况类似）， 从而在剪切力Q作用下，会引起薄壁基体管100拉伸变形。压电驱动元件所受压缩力为P p， 薄壁基体管100所受拉伸力为pM。
[0049] 由图5,得：
【权利要求】
1. 一种压电复合管驱动装置，其特征在于，包括呈管状的基体管，还包括套设于所述基 体管的内侧壁或/和外侧壁且用于驱动所述基体管W使所述基体管产生轴向变形的压电 管，所述压电管电连接有用于向所述压电管提供驱动电压的驱动器。
2. 如权利要求1所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述基体管的截面呈圆环 状。
3. 如权利要求1所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述基体管采用铜、铜合 金、铅、铅合金、铁、铁合金或塑料材料制成。
4. 如权利要求1所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述压电管通过粘接物粘 接于所述基体管的内侧或/和外侧。
5. 如权利要求1所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述基体管内侧或外侧粘 接有至少两个所述压电管，各所述压电管并联连接或串联连接。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述压电管包 括至少两段弧形压电段，各所述弧形压电段合围形成所述压电管，各所述弧形压电段粘接 于所述基体管的内侧或/和外侧。
7. 如权利要求6所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，每个所述压电管包括四段 弧形压电段。
8. 如权利要求4所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述粘接物为绝缘胶水。
9. 如权利要求1至5中任一项所述的压电复合管驱动装置，其特征在于，所述基体管与 所述压电管之间设置有凹凸配合结构。
10. -种用于制造如权利要求1至9中任一项所述压电复合管驱动装置的制造方法， 其特征在于，包括W下步骤；设置呈管状的基体管，在所述基体管的内侧壁或/和外侧壁粘 接用于驱动所述基体管W使所述基体管产生轴向变形的压电管，于所述压电管上连接驱动 器； 或者，包括W下步骤：先制备基体管，然后在所述基体管的外侧或内侧喷设压电材料而 成型所述压电管，再于所述压电管上连接驱动器； 或者，包括W下步骤：先制备压电管，然后在压电管的外侧或/和内侧喷设基体管材料 而成型基体管，再于所述压电管上连接驱动器。
【文档编号】H02N2/00GK104467517SQ201410614193
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】孙亚飞, 陈新达, 李迎, 高西成, 王基维, 陈勖 申请人:孙亚飞