专利名称：大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于需要精密微小位移输出的压电陶瓷微位移驱动器，更具体 地说，本发明涉及一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法。
背景技术：
精密位移输出与控制在机械、仪表等许多技术领域和装置中应用极其广泛。压电 陶瓷微位移驱动器作为一种具有优异性能的微位移驱动器得到了广泛重视，发展和应用迅 速。但是迄今为止，压电陶瓷微位移驱动器基本上局限于较小负荷要求的应用场合，一般负 荷最大能力在数百N范围。其结构形式为多片晶片叠置，或者制作成独石结构，以多片叠置 式结构居多。负荷能力大的压电陶瓷微位移驱动器可以应用在诸如叠加式力标准机、火箭 喷气发动机推力测量原位校准等方面，有利于提高精度、简化结构、降低成本、提高工作效 率。这些装置一般需要的负荷能力都在kN以上，由于还没有承受大负荷的压电陶瓷微位移 驱动器的结构设计与制作方法，应用受到了制约。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了大负荷压电陶瓷微位移驱动器。同时还提供 了制造大负荷压电陶瓷微位移驱动器的方法。为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的所述的大负荷压电陶 瓷微位移驱动器包括弹性膜片、上压板、M组结构相同的1号压电组件、1号下底板与定位套。定位套的下端装入1号下底板的中心通孔内成动配合，采用螺钉将两者紧固连 接。M组结构相同的1号压电组件以定位套为中心沿圆周方向均布在1号下底板上成接触 连接，上压板套装在定位套的上端成动配合，上压板和M组结构相同的1号压电组件的上端 面成接触连接，1号下底板和上压板之间用细长的紧固螺钉连接。联接1号下底板和上压 板的细长的紧固螺钉之间及其它构件距离1号压电组件的最小距离为大于等于5mm，1号压 电组件之间的距离为大于等于5mm。弹性膜片通过螺钉和上压板与定位套的上端面紧固连 接，M取大于等于3的自然数。技术方案中所述的1号压电组件包括球面垫圈副、nX2片压电陶瓷晶片、η片铜箔 负电极与η片铜箔正电极，η取大于1的自然数。ηΧ2片压电陶瓷晶片沿压电陶瓷晶片的 回转轴线方向叠置。每两片压电陶瓷晶片之间设置有紫铜箔负电极和紫铜箔正电极，紫铜 箔负电极与紫铜箔正电极相间设置。分别将紫铜箔负电极与紫铜箔正电极电线连接为1号 压电组件的负电极与正电极。在最上端的压电陶瓷晶片上放置一个球面垫圈副。在压电陶 瓷晶片的周边涂抹绝缘和防电晕硅胶；所述的压电陶瓷晶片是直径尺寸为Φ20 Φ55πιπι、 厚度为3 6mm的圆盘形结构件。所述的球面垫圈副是直径与压电陶瓷晶片直径相同的圆 盘形结构件。球面垫圈副由两个结构件组成，两个结构件之间为球面接触配合，即一个结构 件做成向里凹的球面，另一个结构件做成向外凸的球面。所述的紫铜箔负电极与紫铜箔正电极是厚度为0. 03 0. 06mm的厚度均勻的直径和压电陶瓷晶片直径相同的圆形结构件；所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法包括如下步骤1.制作弹性膜片、上压板、M组结构相同的1号压电组件、1号下底板与定位套，M 取大于等于3的自然数。2.将M组结构相同的1号压电组件，以圆周方向均布的方式放置在1号下底板的 上平面上，保证1号压电组件之间及1号压电组件与外部其它构件的最小距离为大于等于 5mm ο3.将定位套与1号下底板安装固定，保证定位套的几何中心与放置在1号下底板 上的1号压电组件分布圆中心重合。4.将上压板套装在定位套的上端，采用细长的紧固螺钉紧固1号下底板和上压 板，使M组结构相同的1号压电组件的上端面与下端面分别和上压板的下端平面与1号下 底板的上端平面均勻地紧密接触。5.分别用导线连接M组结构相同的1号压电组件的负电极和正电极，封装晶片外 露部分，同时将铜箔正电极裸露导体涂硅胶封闭。6.弹性膜片通过螺钉紧固连接在上压板和定位套的上端面上，用平面磨床将上压 板的上表面与1号下底板底平面磨平，保证平面度精度等级为六级以上，磨削时不得浇注 冷却液。技术方案中所述的1号压电组件的制作方法包括如下步骤1.将nX2片尺寸相同的已进行极化处理的圆盘形的压电陶瓷晶片按正极与负极 相间和同极性接触原则，沿压电陶瓷晶片的回转轴线方向叠置，每两片压电陶瓷晶片之间 放置铜箔负电极和铜箔正电极。2.在上述步骤所构成压电组件的最上端的压电陶瓷晶片上叠置球面垫圈副，对所 构成的压电组件施加大小为额定载荷10 %的轴向预紧力。3.将铜箔负电极和铜箔正电极分别用导线连接为压电组件的负电极和正电极。4.将压电陶瓷晶片的周边以及铜箔正电极裸露导体涂抹绝缘和防电晕硅胶。5.硅胶固化后撤销预紧力即制成所述的1号压电组件⑷。另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器还包括上底板、2号环形上压板、1号环形上 压板、N组结构相同的2号压电组件、1号环形下压板、2号环形下压板与2号下底板。大负荷压电陶瓷微位移驱动器放置在2号下底板的中心处，1号环形下压板与2号 环形下压板由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中1号下底板的周围成间 隙配合。沿圆周方向分别在1号环形下压板与2号环形下压板的上表面均布N组结构相同 的2号压电组件，1号环形上压板与2号环形上压板由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷 微位移驱动器中上压板的周围成间隙配合，1号环形上压板与2号环形上压板的下端平面 分别和1号环形下压板与2号环形下压板上的N组结构相同的2号压电组件的上端面相接 触。上底板放置在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中上压板、1号环形上压板与2号环形上压 板的上端面上，2号下底板和1号环形下压板与2号环形下压板的下端面采用螺钉紧固，上 底板和1号环形上压板与2号环形上压板的上端面采用螺钉紧固，N取大于等于3的自然 数。所述的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法包括如下步骤
1.制作大负荷压电陶瓷微位移驱动器、上底板、1号环形上压板、2号环形上压板、 1号环形下压板、2号环形下压板、N组结构相同的2号压电组件与2号下底板。2.将制作好的大负荷压电陶瓷微位移驱动器和1号环形上压板、2号环形上压板、 1号环形下压板、2号环形下压板与N组结构相同的2号压电组件进行组装，大负荷压电陶 瓷微位移驱动器置于2号下底板的中心部位，1号环形下压板与2号环形下压板由里至外依 次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中1号下底板的周围成间隙配合。沿圆周方向分别 在1号环形下压板与2号环形下压板的上表面均布N组结构相同的2号压电组件，1号环 形上压板与2号环形上压板由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器中上压板 的周围成间隙配合。1号环形上压板与2号环形上压板的下端平面分别和1号环形下压板 与2号环形下压板上的N组结构相同的2号压电组件的上端面相接触，上底板放置在大负 荷压电陶瓷微位移驱动器中上压板、1号环形上压板与2号环形上压板的上端面上。2号下 底板和1号环形下压板与2号环形下压板的下端面采用螺钉紧固，上底板和1号环形上压 板与2号环形上压板的上端面采用螺钉紧固。3.将上述安装好的另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器进行电极连接，外露晶片 和铜箔正电极裸露导体涂抹硅胶。4.硅胶固化后进行封装，用平面磨床将上底板上表面与下底板的底面磨平，保证 平面度精度等级为六级以上，磨削时不得浇注冷却液。与现有技术相比本发明的有益效果是1.本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器可以在承受IOkN以上、IOMN以下 载荷的条件下，运用逆压电效应原理输出可控微小位移，极大突破了目前已知的压电微位 移驱动器的承载能力。2.本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法解决了以较小尺寸 晶片制作承受大负荷压电陶瓷微位移驱动器的难题。运用目前技术可以做到的尺寸的晶 片，通过合理设计和工艺方法，即可以制作出承受巨大负荷的微位移驱动器。3.本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器应用于需要承受巨大负荷条件下 产生和改变输出位移的场合，实现微小位移的精密控制。例如，应用于叠加式力标准机中作 为力发生装置，通过精密控制微小位移达到精确控制力值的目的，控制力值灵敏度为指示 仪表的一个分度。
下面结合附图对本发明作进一步的说明图1是本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器结构组成主视图上的全剖视 图；图2是图1中A-A处的剖视图；图3是图1中I处的局部放大视图；图4是本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器中的1号压电组件结构组成的 主视图；图5是本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器中的1号压电组件结构组成的 俯视图6是另一种本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器结构组成主视图上的 全剖视图；图7是图6中B-B处的剖视图；图8是运用本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的叠加式力标准机工作 原理图；图9是表示本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器中的压电陶瓷微位移结 构原理的主视图；图中1.螺钉，2.弹性膜片，3.上压板，4. 1号压电组件，5.紧固螺钉，6. 1号下底 板，7.定位套，8.球面垫圈副，9.压电陶瓷晶片，10.铜箔负电极，11.铜箔正电极，12.上底 板，13. 2号环形上压板，14. 1号环形上压板，15. 2号压电组件，16. 1号环形下压板，17. 2号 环形下压板，18. 2号下底板，19.大负荷压电陶瓷微位移驱动器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细的描述本发明所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法提供了可以在IOkN至 5MN范围的大负荷条件下工作的压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法。1.关于压电陶瓷微位移驱动器参阅图9，压电式微位移驱动器是由压电材料按一定规则和方法构成的装置，根据 逆压电效应原理工作。当对它施加电场时它将沿极化方向产生微小位移。改变电场强度大 小可以改变位移的大小，改变电场方向可以改变位移方向。建立在逆压电效应基础上的压电陶瓷微位移驱动器，在作用于压电陶瓷微位移驱 动器上的作用力均勻分布在压电陶瓷微位移驱动器表面上时，它的输出位移可用下式表 示
权利要求
1.一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器，其特征在于，所述的大负荷压电陶瓷微位移驱 动器包括弹性膜片O)、上压板(3)、M组结构相同的1号压电组件G)、l号下底板(6)与 定位套(7)；定位套(7)的下端装入1号下底板(6)的中心通孔内成动配合，采用螺钉将两者紧固 连接，M组结构相同的1号压电组件⑷以定位套(7)为中心沿圆周方向均布在1号下底 板(6)上成接触连接，上压板C3)套装在定位套(7)的上端成动配合，上压板C3)和M组结 构相同的1号压电组件的上端面成接触连接，1号下底板(6)和上压板C3)之间用细 长的紧固螺钉连接，联接1号下底板(6)和上压板(3)的细长的紧固螺钉之间及其它构件 距离1号压电组件的最小距离为大于等于5mm，1号压电组件(4)之间的距离为大于等 于5mm，弹性膜片( 通过螺钉和上压板C3)与定位套(7)的上端面紧固连接，M取大于等 于3的自然数。
2.按照权利要求1所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器，其特征在于，所述的1号压电 组件(4)包括球面垫圈副(8)、nX2片压电陶瓷晶片(9)、n片铜箔负电极(10)与η片铜箔 正电极(11)，η取大于1的自然数；ηΧ2片压电陶瓷晶片(9)沿压电陶瓷晶片(9)的回转轴线方向叠置，每两片压电陶 瓷晶片(9)之间设置有紫铜箔负电极(10)和紫铜箔正电极(11)，紫铜箔负电极(10)与紫 铜箔正电极(11)相间设置，分别将紫铜箔负电极(10)与紫铜箔正电极(11)电线连接为1 号压电组件的负电极与正电极，在最上端的压电陶瓷晶片(9)上放置一个球面垫圈副 (8)，在压电陶瓷晶片(9)的周边涂抹绝缘和防电晕硅胶。
3.按照权利要求2所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器，其特征在于，所述的压电陶 瓷晶片(9)是直径尺寸为Φ 20 Φ 55mm、厚度为3 6mm的圆盘形结构件；所述的球面垫圈副(8)是直径与压电陶瓷晶片(9)直径相同的圆盘形结构件，球面垫 圈副(8)由两个结构件组成，两个结构件之间为球面接触配合，即一个结构件做成向里凹 的球面，另一个结构件做成向外凸的球面；所述的紫铜箔负电极(10)与紫铜箔正电极(11)是厚度为0. 03 0. 06mm的厚度均勻 的直径和压电陶瓷晶片(9)直径相同的圆形结构件。
4.一种权利要求1所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法，其特征在于，所 述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法包括如下步骤1)制作弹性膜片(2)、上压板(3)、M组结构相同的1号压电组件、1号下底板(6) 与定位套(7)，M取大于等于3的自然数；2)将M组结构相同的1号压电组件G)，以圆周方向均布的方式放置在1号下底板(6) 的上平面上，保证1号压电组件(4)之间及1号压电组件(4)与外部其它构件的最小距离 为大于等于5mm;3)将定位套(7)与1号下底板(6)安装固定，保证定位套(7)的几何中心与放置在1 号下底板(6)上的1号压电组件(4)分布圆中心重合；4)将上压板(3)套装在定位套(7)的上端，采用细长的紧固螺钉(5)紧固1号下底板 (6)和上压板(3)，使M组结构相同的1号压电组件的上端面与下端面分别和上压板 (3)的下端平面与1号下底板(6)的上端平面均勻地紧密接触；5)分别用导线连接M组结构相同的1号压电组件的负电极和正电极，封装晶片外露部分，同时将铜箔正电极11裸露导体涂硅胶封闭；6)弹性膜片( 通过螺钉(1)紧固连接在上压板C3)和定位套(7)的上端面上，用平 面磨床将上压板(3)的上表面与1号下底板(6)底平面磨平，保证平面度精度等级为六级 以上，磨削时不得浇注冷却液。
5.按照权利要求4所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法，其特征在于，所 述的1号压电组件的制作方法包括如下步骤1)将nX2片尺寸相同的已进行极化处理的圆盘形的压电陶瓷晶片(9)按正极与负极 相间和同极性接触原则，沿压电陶瓷晶片(9)的回转轴线方向叠置，每两片压电陶瓷晶片 (9)之间放置铜箔负电极(10)和铜箔正电极(11)；2)在上述步骤所构成压电组件的最上端的压电陶瓷晶片(9)上叠置球面垫圈副(8)， 对所构成的压电组件施加大小为额定载荷10%的轴向预紧力；3)将铜箔负电极(10)和铜箔正电极(11)分别用导线连接为压电组件的负电极和正电极；4)将压电陶瓷晶片(9)的周边以及铜箔正电极(11)裸露导体涂抹绝缘和防电晕硅胶；5)硅胶固化后撤销预紧力即制成所述的1号压电组件(4)。
6.按照权利要求1所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器，其特征在于，所述的大负荷 压电陶瓷微位移驱动器还包括上底板(1 、2号环形上压板(1 、1号环形上压板(14)、N 组结构相同的2号压电组件(15)、1号环形下压板(16)、2号环形下压板(17)与2号下底 板(18)；大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)放置在2号下底板(18)的中心处，1号环形下压板 (16)与2号环形下压板(17)由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中1 号下底板(6)的周围成间隙配合，沿圆周方向分别在1号环形下压板(16)与2号环形下压 板(17)的上表面均布N组结构相同的2号压电组件(15)，1号环形上压板(14)与2号环 形上压板(1 由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中上压板C3)的周 围成间隙配合，1号环形上压板(14)与2号环形上压板(1 的下端平面分别和1号环形下 压板(16)与2号环形下压板(17)上的N组结构相同的2号压电组件(15)的上端面相接 触，上底板(1 放置在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中上压板(3)、1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)的上端面上，2号下底板(18)和1号环形下压板(16)与2号 环形下压板(17)的下端面采用螺钉紧固，上底板(1 和1号环形上压板(14)与2号环形 上压板(1 的上端面采用螺钉紧固，N取大于等于3的自然数。
7.—种权利要求6所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法，其特征在于，所 述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器的制作方法包括如下步骤1)制作大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)、上底板(1 、1号环形上压板(14)、2号环 形上压板(13)、1号环形下压板(16)、2号环形下压板(17)、N组结构相同的2号压电组件(15)与2号下底板(18)；2)将制作好的大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)和1号环形上压板(14)、2号环形 上压板(13)、1号环形下压板(16)、2号环形下压板(17)与N组结构相同的2号压电组件 (15)进行组装，大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)置于2号下底板(18)的中心部位，1号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动 器(19)中1号下底板(6)的周围成间隙配合，沿圆周方向分别在1号环形下压板(16)与2 号环形下压板(17)的上表面均布N组结构相同的2号压电组件(15)，1号环形上压板(14) 与2号环形上压板(1 由里至外依次套装在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中上压板 (3)的周围成间隙配合，1号环形上压板(14)与2号环形上压板(13)的下端平面分别和1 号环形下压板(16)与2号环形下压板(17)上的N组结构相同的2号压电组件(15)的上端 面相接触，上底板(1 放置在大负荷压电陶瓷微位移驱动器(19)中上压板(3)、1号环形 上压板(14)与2号环形上压板(1 的上端面上，2号下底板(18)和1号环形下压板(16) 与2号环形下压板(17)的下端面采用螺钉紧固，上底板(1 和1号环形上压板(14)与2 号环形上压板(1 的上端面采用螺钉紧固；3)将上述安装好的大负荷压电陶瓷微位移驱动器进行电极连接，外露晶片和铜箔正电 极裸露导体涂抹硅胶；4)硅胶固化后进行封装，用平面磨床将上底板(1 上表面与下底板(18)的底面磨平， 保证平面度精度等级为六级以上，磨削时不得浇注冷却液。
全文摘要
本发明公开了大负荷压电陶瓷微位移驱动器及其制作方法。所述的大负荷压电陶瓷微位移驱动器包括弹性膜片(2)、上压板(3)、M组1号压电组件(4)、1号下底板(6)与定位套(7)。定位套(7)的下端装入1号下底板(6)的中心通孔内成动配合，M组1号压电组件(4)以定位套(7)为中心均布在1号下底板(6)上，上压板(3)套装在定位套(7)的上端，上压板(3)和M组1号压电组件(4)上端面相接触，1号下底板(6)和上压板(3)之间用细长的紧固螺钉连接，弹性膜片(2)通过螺钉和上压板(3)与定位套(7)的上端面紧固连接。本发明还提供了另一种大负荷压电陶瓷微位移驱动器的技术方案及两种微位移驱动器的制作方法。
文档编号H01L41/09GK102148325SQ20101058349
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者张学成, 张晟, 明绍寒 申请人:吉林大学