一种大变形比片式压电驱动器结构的制作方法

本发明属于机械领域，涉及一种可精密定位的驱动器结构，适用于低功耗、高精度、高分辨率、微流量的流体控制系统。

背景技术：

压电驱动器作为一种智能材料执行器，具有位移分辨率高、输出力大、功耗低、响应快等优点，已经成为未来高精度流量控制的首选驱动方式，在无拖曳航天器、全电推平台上都有着广泛的应用前景。然而，压电陶瓷驱动器输出位移小的问题已成为制约其使用的一个关键瓶颈(一般为1/1000的变形比)。目前，虽然通过一些位移放大机构(如柔性铰链等)可以使得压电驱动器的输出位移放大3～4倍，但这也增加了整个压电驱动机构的体积。

申请号为CN201410506958.8的中国专利公开了一种基于压电叠堆的微位移驱动器，其包括位移传送杆，位移传送杆穿过端盖的轴向通孔，位移传送杆呈阶梯圆柱状，位移传送杆的阶梯面与端盖的上表面接触，弹簧套在位移传送杆上且置于端盖与锁紧螺母之间并处于压缩状态，端盖与套筒活动连接，压电叠堆驱动器的下端面置于套筒内底部的凹槽中，压电叠堆驱动器的上端面与位移传送杆的下端面接触。此微位移驱动器的不足之处在于不能提供大的变形比，其变形比为1/1000左右，如果需要增加行程则需要大大增加产品体积。

申请号为CN201510603083.8的中国专利公开了一种双悬臂梁振子无阀压电泵，包括上泵体、下泵体、上压电振子、下压电振子、压紧弹簧、锥形进口、锥形出口、密封圈。上压电振子和下压电振子左端联结在一起，形成一个“v”型；上压电振子的右端固定于上泵体，下压电振子的右端由压紧弹簧压紧；当压电泵处于非工作状态时，下压电振子和下泵体的支承平面完全接触。该压电泵的不足之处在于没有预压紧力，存在空程现象，且单片行程仍偏小。

2010年02期《纳米技术与精密工程》上，文章《圆形压电单晶片驱动式主动阀泵试验》介绍了一种圆形压电单晶片驱动器，可用于主动式阀泵上。其由上阀体、下阀体、压电振子驱动器、O型圈组成，阀门处于常开状态。当振子振动时，介质经过入口进入并流到出口。该阀泵结构的不足之处仍然是行程偏少，如果采用密封结构则会损失行程，不能实现有效开闭。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大变形比、无空程、可拓扑的片式压电驱动器。

本发明的技术解决方案是：一种大变形比片式压电驱动器结构，包括内衬壁、压板、内压环、弹簧、外压环、外套、底座以及至少一个片式压电驱动单元，所述的片式压电驱动单元又包括粘结在一起的压电陶瓷片和金属片；金属片的中心设有通孔，金属片通过所述通孔与内衬壁套接在一起，金属片的外边缘与外套套接在一起；当所述片式压电驱动单元的数量为两个或以上时，各片式压电驱动单元通过内衬壁和外套由上而下依次叠放；底座内设有空腔，片式压电驱动单元、内衬壁、外套构成的结构放置在底座的空腔中，最下一级的金属片与底座搭接在一起，压板压在最上一级的金属片上；弹簧放置在压板上，弹簧的一端通过内压环压紧，压板与内压环之间固定连接，弹簧的另一端通过外压环压在底座上，外压环与底座之间固定连接，压板将弹簧的预压力提供给片式压电驱动单元，压电陶瓷片的驱动引线从底座侧壁所开的小孔中引出。

所述压电陶瓷片的材料为具有压电功能的陶瓷，内衬壁、压板、内压环、弹簧、外压环、外套、底座的材料为金属。

所述的压电陶瓷片和金属片之间的粘结层的厚度为4μm～5μm。

所述的压电陶瓷片在和金属片完成粘结后还经过极化处理。

所述的片式压电驱动单元的位移输出方向为轴向。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明压电驱动器在相同的长度条件下有着数倍于常规叠堆压电材料的变形比。如由于压电材料固有特性的限制，在保证可靠性的前提下，现有压电驱动器的输出位移和长度的比值为1/1000。而本发明中由5个基本驱动单元的压电驱动器其位移可达150μm，其纵向长度为20mm，变形比为7.5/1000。在相同的位移输出要求下大大减少了驱动器的体积，从而减少了产品的体积；

(2)本发明包括压力预紧装置，为压电驱动器提供了预紧力。该发明消除了压电驱动器内部各片式压电驱动单元的空程，从而提高了压电驱动器的输出位移。此外，压电驱动器在交变力作用下容易失效，而预紧力的存在可以使得压电驱动器避免交变力使用环境，提高其使用寿命；

(3)本发明是一种可拓扑的结构，可以根据实际位移的输出需要来增加片式压电驱动单元的数目，从而满足大位移输出要求，解决了单片片式压电驱动单元行程仍不能满足位移输出要求的问题。尤其是在有着密封要求的流体部组件中，可以通过适当增加片式压电驱动单元数目来增大输出位移，弥补由于密封造成的输出位移损失，从而满足密封要求。输出位移可以通过压电陶瓷片、金属片及驱动器数目来进行调节。通过改变压电陶瓷片的厚度、内径、外径，金属片的材料、厚度、内径、外径以及压电驱动单元的数目就可以调节压电驱动器的输出位移，同时也可以兼顾输出位移、寿命、可靠性三个指标；

(4)本发明结构简单、紧凑、可拓扑性强。通过研究改进，采用片型压电陶瓷片结合弹性元件的方式形成基础驱动单元，并通过串联结构实现多个驱动单元的位移叠加，形成了大变形比、紧凑型片式压电驱动器。压电驱动单元拓扑方便，可以适用于不同开度要求的流体控制部组件。采用本驱动器结构设计的高精度流量调节阀。

该大变形比新型片式压电驱动器结构适用于低功耗、高精度、高分辨率、微流量的流体控制系统。微流控系统通常需要同时满足小体积、高精度、低功耗的要求。如无拖曳航天器的高精度比例控制、医疗领域的麻醉剂、胰岛素注射等，都对体积和驱动位移输出有一定要求。

附图说明

图1为本发明片式压电驱动器结构示意图；

图2为本发明片式压电驱动单元结构示意图；

图3为本发明弹簧预压结构示意图；

图4为本发明底座结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明大变形比新型片式压电驱动器结构的结构示意图，主要包括压电陶瓷片1、金属片2、内衬壁3、压板4、内压环5、弹簧6、外压环7、外套8和底座9。其中压电陶瓷片1为压电陶瓷材料，其余为金属材料。

本发明是基于片式压电驱动单元的串联式驱动器结构。如图2所示，片式压电驱动单元包括压电陶瓷片1和金属片2，两者通过粘结剂粘结而成。单片片式压电驱动单元通电时产生向上的位移，可以根据行程计算所需的片式压电驱动单元的数目。各片式压电驱动单元通过内衬壁3、外套8首尾相连。通过压在底座9上的弹簧6给各片式压电驱动单元提供预紧力，由此提供预压力及消除机构死区。不加电时，压电驱动器机构处于初始状态；加电后，压电陶瓷片1会使金属片2发生向上的翘曲变形，各片式压电驱动单元从而产生变形，并通过驱动器结构实现位移在轴向方向上的叠加，为微流体控制部组件提驱动力及驱动位移。供给压电陶瓷片1的电压不同，整个片式压电驱动单元会发生不同程度形状的翘曲。

由于压电陶瓷本身硬且脆，所产生的位移很小，因此一般不把压电陶瓷本身作为压电振子直接使用，通常是把压电陶瓷与某种金属弹性材料粘接在一起,形成复合驱动器。当外界电场施加在复合驱动器的电极上，压电材料层将发生径向和轴向的变形。如果施加电场方向与压电材料的极化方向平行反向时，压电材料层就会产生径向伸长，而在极化方向上轴向缩短。由于压电陶瓷层的下表面与金属弹性材料薄膜层的上表面紧密的结合在一起，当压电陶瓷层发生径向变形时，压电陶瓷层的下表面受到金属弹性材料薄膜层的阻力，受力达到平衡状态后，整个复合驱动器表现为弯曲变形状态。

金属片2通过其内径与内衬壁3套接在一起，金属片2通过其外径与外套8套接在一起。这样，片式压电驱动单元通过内衬壁3、外套8首尾连接起来，在最下端的片式驱动单元和底座9的底部套接，在最上端的片式压电驱动单元和压板4连接。压板4将弹簧6的预压力提供给片式压电驱动单元。弹簧6的内径部位压在压板4与内压环5之间，弹簧6的外径部位压在外压环7与底座9之间。压板4与内压环5压紧弹簧6后，通过焊接或螺接的方式紧固起来。同理，外压环7与底座9压紧弹簧6后，也通过焊接或螺接的方式紧固起来，从而形成提供预压弹簧力的机构。

如图3所示，为弹簧预压结构的示意图。弹簧6是一种片式弹簧，当弹簧6发生变形时，就会产生与变形方向相反、大小成比例的弹簧力。由上述可知，当弹簧6压内径部位压在压板4与内压环5之间，弹簧6的外径部位压在外压环7与底座9之间时，通过设置压板4和底座9的相关尺寸，弹簧6内径部分和外径部分将产生高度差，即产生变形量，从而得到所需的预紧力。弹簧预压结构主要具有两个作用：1)为各片式压电驱动单元提供预紧力，将弹簧预压力提供给片式压电驱动单元，从而消除空程以及改善压电陶瓷驱动器的受力条件；2)是整个大变形比新型片式压电驱动器的位移与驱动力的输出端。压板4中间的通孔可以方便本发明中的压电驱动器机构和流体部组件中的阀芯阀杆通过并连接。

如图4所示，底座9的侧面上设有压电陶瓷片1的引线出口，便于将压电陶瓷片1的驱动引线引出。底座9为桶状结构，底座9中间设有空腔，压电陶瓷片1、金属片2、内衬壁3、压板4、内压环5、弹簧6、外压环7、外套8构成的结构放置在底座9的空腔中，最下一级的金属片2与底座9搭接在一起。通过改变压电陶瓷片1的厚度、内径、外径，金属片2的材料、厚度、内径、外径以及片式压电驱动单元的数目就可以调节压电驱动器的输出位移。

片式压电驱动单元的中间也有通孔，这便于作为驱动器时驱动阀杆、阀芯，也可在作为压电阀时留作流体通道。底座9在底部下端设有外螺纹，便于方便的和流体控制部组件实现连接。

安装时，首先将压电陶瓷片1与金属片2分别进行粘接，其粘接剂厚度为4μm～5μm，在高温下压制后完成胶接。压制后重新对压电陶瓷片1进行极化处理。然后将弹簧6放置在压板4上，通过内压环5压紧，压板4与内压环5之间通过焊接连接。完成后，进行大变形比新型片式压电驱动器的装配，依次将单片片式压电驱动单元、内衬壁3、外套8放入底座9内部的空腔中，压电陶瓷片1的引线从底座9旁边所开的小孔中引出。安装完毕后，将装好弹簧6及内压环5的压板4放置在最上一级的金属片2上。最后使用外压环7将弹簧6的一端压在底座9上，外压环7与底座9之间采用焊接连接。这样组成完整的压电驱动器。

本发明压电驱动器的工作过程如下：

片式压电驱动单元不加电的状态下，弹簧6处于压缩状态，各片式压电驱动单元处于预紧状态。

给压电陶瓷片1通电后，压电陶瓷片1将发生径向的变形，其径向变形将引起金属片2的弯曲变形。由于各片式压电驱动单元通过内衬壁3、外套8首尾相连，因此其变形也通过这种方式叠加起来，最后将位移叠加至压板4。如果将微流体控制部组件的阀芯与压板4连接，则该压电驱动器则可以驱动阀芯进行运动。大变形比新型片式压电驱动器的变形与驱动电压的大小成比例关系。电压越大则其变形越大，电压越小则其变形也相应的越小。因此，可以通过控制电压的大小来控制压电驱动器输出位移的大小。

当降低压电陶瓷片1的供电电压，即可对压电驱动器的输出位移进行控制。同样，驱动电压的大小和本发明大变形比新型片式压电驱动器的输出位移成比例关系。当驱动电压降至0后，压电驱动器的输出也将回归至零位。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。