专利名称：压电套环式小体积大位移压电驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电套环式小体积大位移压电驱动器，属于主动控制或新型 驱动器技术领域。
背景技术：
利用压电材料逆压电效应制成的压电驱动器，己经在机械传动、振动控制、 超精密加工、光学、程等诸多领域有着广泛的应用。压电驱动器具有精度高、 响应快、结构简单、高频响应好、易于控制等优点，但同时也存在明显的不足， 其作为驱动器来说驱动变形小，在实际工程应用时无法满足需要。如何提高压 电驱动器的输出位移和驱动力，是目前压电驱动器领域研究的主要方向之一。 主要的设计方法可分为三大类 一是改进己有压电材料的制作工艺或寻找新型 成分的压电材料，从压电材料本身提高其应用价值，但这种方法效果不明显； 二是通过改进基于压电材料的驱动器的外部结构，提高驱动器的性能，常用的 方法是利用杠杆的位移放大原理增加驱动位移，但这类结构以驱动力成倍下降 为代价；三是利用压电叠堆作为驱动元件，相较于双晶片等其它压电驱动元件， 在相同的驱动电压下具有较大的驱动力输出、较短的响应时间及负载下较好的 稳定性。其缺点是输出位移仍较小，且由于它是利用很多片状压电材料叠层粘 贴而成，故不能承受大的拉伸力的作用。本发明是一种既可用小体积产生大位 移输出，又不降低其驱动力，且可以同时承受拉伸力和压縮力的一种采用多层 压电套环结构的新型驱动器。
发明内容
一种压电套环式小体积大位移压电驱动器，其特征在于利用压电环套层 结构设计，对多层空心圆柱形压电驱动元件分别施加不同极性的电场，使各层空心圆柱形压电驱动元件产生的位移叠加，作为本发明的一种压电套环式小体积大 位移压电驱动器的输出位移。
本发明的一种压电套环式小体积大位移压电驱动器，由N个直径不等的套 在一起的空心圆柱形压电驱动元件组成，最外层为第l层，最内层为第N层，从 第1层到第N层直径依次减小，其中N为^2的整数；上述第1层与第2层的顶 端连接在一起，第2层与第3层的底部连接在一起，其他层也依此间隔方式相连;
第1层为固定端则第N层为位移输出端；上述奇数层空心圆柱形压电驱动元件与
偶数层空心圆柱形压电驱动元件的电极连接方式反相。
空心圆柱形压电驱动元件作为本发明中驱动器的驱动来源，其驱动力的产生
主要是利用了压电材料的逆压电效应。逆压电效应是指对压电材料施加电场而出
现的机械变形现象。空心圆柱形压电驱动元件由薄壁金属圆柱管及在其上粘贴的
空心圆柱形压电材料构成。空心圆柱形压电驱动元件主要利用了压电应变常数
dM，产生剪切应变，输出位移。
由于奇数层空心圆柱形压电驱动元件与偶数层空心圆柱形压电驱动元件的
电极连接是反相的。当第一层空心圆柱形压电驱动元件在电场作用下伸长时，带
动顶端最外层的卡槽及粘贴在其上的第二层空心圆柱形压电驱动元件向上运动； 第二层空心圆柱形压电驱动元件在自身电场作用下縮短，由于顶端被固定，所以 底部向上收縮；第二层空心圆柱形压电驱动元件的收縮，使得与之相连的第三层 空心圆柱形压电驱动元件也向上运动，同时第三层空心圆柱形压电驱动元件还在 自身电场作用下伸长，所以第三层空心圆柱形压电驱动元件的输出位移为自身伸 长量、第一层空心圆柱形压电驱动元件的伸长量、第二层空心圆柱形压电驱动元 件的收縮量的叠加；以此类推，中心第五层空心圆柱形压电驱动元件的输出位移 为其自身伸长量、第一、三层空心圆柱形压电驱动元件的伸长量及第二、四层空 心圆柱形压电驱动元件的收縮量的叠加。收縮驱动与以上过程正好相反。故本发 明的一种压电套环式小体积大位移压电驱动器为普通空心圆柱形压电驱动元件 输出位移的N倍，其中N为空心圆柱形压电元件的数目。这样成倍增大了单位长 度方向上的驱动位移，且增大的倍数与驱动器所复合的空心圆柱形压电驱动元件 层数成正比。
图1是压电套环式小体积大位移压电驱动器结构图，
图2是压电套环式小体积大位移压电驱动器连线及变形方向原理图。
附图中的标号说明l.外壳，2.空心圆柱形压电驱动元件I ， 3.空心圆柱
形压电驱动元件n，4.空心圆柱形压电驱动元件m， 5.空心圆柱形压电驱动元
件W， 6.空心圆柱形压电驱动元件V， 7，输出端装配孔，.8.上端盖，9.环形卡槽I， IO.环形卡槽II， ll.环形卡槽III， 12.环形卡槽IV， 13.底座，14.底座装配孔。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述
图1为压电套环式小体积大位移压电驱动器结构图，以图中的五层压电套环式小体积大位移压电驱动器为例，空心圆柱形压电驱动元件2和空心圆柱形压电
驱动元件3的顶端通过环形卡槽9粘贴在一起、空心圆柱形压电驱动元件4和空心圆柱形压电驱动元件5的顶端通过环形卡槽10粘贴在一起、空心圆柱形压电驱动元件3和空心圆柱形压电驱动元件4的底端通过环形卡槽12粘贴在一起、空心圆柱形压电驱动元件5和空心圆柱形压电驱动元件6的底端遇过环形卡槽11粘贴在一起。压电套环式小体积大位移压电驱动器可通过底座13的底座装配孔14进行外部固定，通过输出端装配孔7作为位移和驱动力的输出端与被驱动部件相连接。外壳1与上端盖8对空心圆柱形压电驱动元件起保护作用。
图2为压电套环式小体积大位移压电驱动器连线及变形方向原理图，本发明的一种压电套环式小体积大位移压电驱动器通过对相邻的两层空心圆柱形压电驱动元件通以反向电场，使得多层空心圆柱形压电驱动元件的输出位移相叠加。以图中的五层压电套环式小体积大位移压电驱动器为例，其中空心圆柱形压电驱
动元件i 、空心圆柱形压电驱动元件m、空心圆柱形压电驱动元件V的电极上施
加的电压相同，且与空心圆柱形压电驱动元件II、空心圆柱形压电驱动元件IV的电极上施加的电压反相。如对空心圆柱形压电驱动元I件施加正向电场，空心圆柱形压电驱动元件I伸长时带动环形卡槽I向上运动，环形卡槽I的运动带动与
之粘贴在一起的空心圆柱形压电驱动元件n向上运动；与此同时，应该对空心圆
柱形压电驱动元件n施加反向电场，使空心圆柱形压电驱动元件n缩短，由于空心圆柱形压电驱动元件ii的顶端被环形卡槽i与空心圆柱形压电驱动元件n粘
5贴在一起，所以表现为空心圆柱形压电驱动元件n的底部向上收縮；空心圆柱形压电驱动元件n收縮时带动环形卡槽iv向上运动，环形卡槽iv的运动带动空心圆柱形压电驱动元件in也向上运动，同时空心圆柱形压电驱动元件m还在自身电场作用下伸长，所以空心圆柱形压电驱动元件m的输出位移除了自身伸长量，还复合有空心圆柱形压电驱动元件i的伸长量及空心圆柱形压电驱动元件n的收缩量；依此类推，空心圆柱形压电驱动元件v的输出位移为其自身伸长量，空心圆柱形压电驱动元件i、空心圆柱形压电驱动元件m、空心圆柱形压电驱动元件v的伸长量及空心圆柱形压电驱动元件n 、空心圆柱形压电驱动元件v的收縮量的叠加结果。本发明的一种压电套环式小体积大位移压电驱动器通过层叠的结构设
计，其输出位移为普通空心圆柱形压电驱动元件的N倍，实现了驱动器位移的多级叠加。在实际应用中，可根据需要选择复合空心圆柱形压电驱动元件的层数N，
复合的层数越多，产生的位移就越大，驱动力不变。与利用杠杆的位移放大原理增加驱动位移的设计方法相比，克服了其驱动力下降的缺点。
本发明所述的压电驱动器，采用空心圆柱形压电驱动元件。以下为空心圆柱形驱动元件的一种具体实施方式
，空心圆柱形压电驱动元件包括薄壁金属圆柱管及在其上粘贴的空心圆柱形压电材料，其金属圆柱管的外圆表面与空心圆柱形压电材料的内圆表面成较小的间隙配合，并用胶将它们粘在一起。与单独的压电圆环相比，以上所述的一种空心圆柱形压电驱动元件的韧性得到增强。空心圆柱形压电驱动元件利用逆压电效应，通过控制输入的电压信号，就可以控制由于压电陶瓷内部正负电荷中心发生相对移动带来的机械变形大小。极化处理后的压电陶瓷通常只具有4" 43、 d^三个压电应变常数。在本发明中采用的空心压电驱动元件是利用d^产生位移；压电叠堆驱动器是利用&3产生位移。与空心圆柱形压电驱动元件相比，压电叠堆驱动器单位长度上的位移增加仅仅是利用压电材料的d33常数比cb!大这一原理，故位移增加不大。由于压电叠堆驱动器是利用很多片状压电材料叠层粘贴而成，故不能承受大的拉伸力的作用。而空心圆柱形压电驱动元件是利用剪切应变输出位移，所以利用其复合成的一种压电套环式小体积大位移压电驱动器克服了压电叠堆只能承受压縮力的缺点。本发明的一种压电套环式小体积大位移压电驱动器，克服了其它类型压电驱动器的缺点。能够在不减少驱动力的前提下成倍增加驱动位移，而且还能承受同样大小的拉压力作用压电套环式。适合于在保证驱动精度的前提下，要求输出位移大和对驱动器长度方 向严格限制的场合。
权利要求
1、一种压电套环式小体积大位移压电驱动器，其特征在于由N个直径不等的套在一起的空心圆柱形压电驱动元件组成，最外层为第1层，最内层为第N层，从第1层到第N层直径依次减小，其中N为≥2的整数；上述第1层与第2层的顶端连接在一起，第2层与第3层的底部连接在一起，其他层也依此间隔方式相连；第1层为固定端则第N层为位移输出端；上述奇数层空心圆柱形压电驱动元件与偶数层空心圆柱形压电驱动元件的电极连接方式反相。
2、 根据权利要求1所述的压电套环式小体积大位移压电驱动器，其特征在于上述空心圆柱形驱动元件包括薄壁金属圆柱管及在其上粘贴的空心圆柱形 压电材料。
全文摘要
一种压电套环式小体积大位移压电驱动器，属于主动控制或新型驱动器技术领域。其特征在于由N个直径不等的套在一起的空心圆柱形压电驱动元件组成，最外层为第1层，最内层为第N层，从第1层到第N层直径依次减小，其中N为≥2的整数；上述第1层与第2层的顶端连接在一起，第2层与第3层的底部连接在一起，其他层也依此间隔方式相连；第1层为固定端则第N层为位移输出端；上述奇数层空心圆柱形压电驱动元件与偶数层空心圆柱形压电驱动元件的电极连接方式反相。利用该方式使各层产生的位移叠加。
文档编号H01L41/083GK101478027SQ20081023619
公开日2009年7月8日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者强 刘, 朱莉娅, 陈仁文 申请人:南京航空航天大学