拉伸型叠层压电致动器的制作方法

本发明属于精密驱动元件技术领域，特别涉及一种拉伸型叠层压电致动器。

背景技术：

目前，压电致动器主要分为两类：可输出推力的d₃₃型叠层压电致动器和单/双压电晶片压电致动器。d₃₃型叠层压电致动器由许多层尺寸固定的压电薄片组成，压电薄片通常为圆形或方形，利用压电材料的d₃₃效应，在电场作用下产生纵向伸长位移，通过多层压电薄片输出位移的叠加，得到较大的纵向伸长位移，见图1所示。单/双压电晶片致动器是由压电陶瓷和悬臂梁组成的复合结构，通常包括一个长条形金属悬臂梁和一或两个长条形压电晶片，施加电场后，压电晶片可以收缩或伸长，利用悬臂梁的放大效应，在悬臂梁自由端得到较大的致动位移，见图2所示。

但是以上两类压电致动器也有各自的缺点，叠层压电致动器不能直接输出拉伸位移，如果想要输出拉伸位移，需利用杠杆原理，附加其他机械结构实现。而对单/双压电晶片压电致动器，虽然可以输出拉伸位移，但是输出的力非常小，只有几牛左右。而在有些的应用中，比如脆性材料断裂行为原位测试平台中，要求加载装置非常紧凑，这不但要求致动器能够直接输出拉力，还要求输出的力足够大，在这种情况下，以上两类致动器均不适用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明利用压电材料d₃₁效应，提供了一种可以直接输出拉伸致动、且可输出较大拉力的拉伸型叠层压电致动器。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一、一种压电元件，其是由第一压电单元和第二压电单元在厚度方向交替层叠组成的叠层结构体，压电元件最外侧的两压电单元同时为第一压电单元或第二压电单元，叠层结构体中第一压电单元和第二压电单元的总数不小于2；第一压电单元的上表面和下表面分别带有第一内部电极和第二内部电极，第二压电单元的上表面和下表面分别带有第二内部电极和第一内部电极；第一压电单元和第二压电单元呈长条状，尺寸均为a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm。

二、一种利用上述压电元件的拉伸型叠层压电致动器，包括压电元件、绝缘件、连接件、驱动电源和控制单元，所述的压电元件是由第一压电单元和第二压电单元在厚度方向交替层叠组成的叠层结构体，压电元件最外侧的两压电单元同时为第一压电单元或第二压电单元，叠层结构体中第一压电单元和第二压电单元的总数不小于2；第一压电单元的上表面和下表面分别带有第一内部电极和第二内部电极，第二压电单元的上表面和下表面分别带有第二内部电极和第一内部电极；第一压电单元和第二压电单元呈长条状，尺寸均为a×b×c，其中，a:b:c＝(50～100)：(5～10)：1，c不大于2mm；

所有的第一内部电极均引出到第一导电件，所有的第二内部电极均引出到第二导电件，驱动电源通过第一导电件和第二导电件分别向第一内部电极和第二内部电极施加驱动电压；

两连接件分别设于压电元件两端，用来将压电元件与工作装置或力传感器连接；连接件和压电元件间设有绝缘件，用来对连接件进行绝缘保护。

进一步的，内部电极不完全覆盖压电单元的长度方向，同时，内部电极完全或部分覆盖压电单元的宽度方向；这里，内部电极为第一内部电极或第二内部电极，压电单元为第一压电单元或第二压电单元；其中，第一压电单元上表面上，电极区域位于非电极区域的第一侧；其下表面上，电极区域位于非电极区域的第二侧；第二压电单元下表面上，电极区域位于非电极区域的第一侧；其上表面上，电极区域位于非电极区域的第二侧。这里，第一侧和第二侧为相对侧。

进一步的，第一导电件和第二导电件分别设于压电元件两端面。

进一步的，连接件为U型连接件。

进一步的，连接件的材料是铝合金。

进一步的，压电单元的材料是组分在准同型相界附近的PZT压电陶瓷。

进一步的，第一导电件和第二导电件均为铜片。

进一步的，绝缘片的材料是氧化铝陶瓷。

进一步的，连接件的材料是铝合金。

本发明中，压电元件在长度方向的尺寸远大于厚度和宽度方向的尺寸，用来输出拉伸致动位移。连接件一端连接压电元件，另一端设有螺纹开口用来连接工作装置或力传感器。绝缘件用来提供绝缘保护，防止高压击穿造成破坏。驱动电源用来给压电元件提供高压电场，控制单元用来对驱动电源进行控制。

本发明具有如下优点和有益效果：

(1)传统的叠层致动器是基于压电材料的纵向效应(即d₃₃效应)，而本发明是基于压电材料的横向效应(即d₃₁效应)，可直接输出拉伸致动，且具有较大的输出力，非常适用于微型拉伸测试设备等拉伸致动需要精确控制的场合。

(2)本发明提供了一种新的致动器结构，其致动特性有别于传统的叠层致动器，丰富了现有压电致动器的种类。

(3)本发明结构和制作工艺简单，成本相对较低。

附图说明

图1为传统的d₃₃型叠层压电致动器及原理示意图；

图2为传统的双压电晶片压电致动器及其原理示意图；

图3为本发明致动器的具体结构示意图；

图4为图3中致动器的装配过程示意图；

图5为本发明致动器的工作原理示意图。

图中，1-压电元件，2-绝缘件，3-连接件，4-驱动电源，5-控制单元。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式，并结合附图对本发明技术方案及其技术效果做进一步说明。

参见图3，压电元件(1)是由第一压电单元和第二压电单元在厚度方向交替层叠组成的叠层结构体，第一压电单元指一种极化方向的压电单元，第二压电单元指另一种极化方向的压电单元。叠层结构体中第一压电单元和第二压电单元的总数量记为n，n≥2，即压电元件(1)可以由一个第一压电单元和一个第二压电单元构成，也可以由多个第一压电单元和多个第二压电单元构成。第一压电单元的上表面和下表面分别带有第一内部电极和第二内部电极，第二压电单元的上表面和下表面分别带有第二内部电极和第一内部电极。这里，上表面和下表面指压电单元在厚度方向的两个相对表面。第一压电单元和第二压电单元呈长条状，即压电单元在长度方向的尺寸远大于在厚度方向和宽度方向的尺寸，本实施例中第一压电单元和第二压电单元的尺寸为60mm*10mm*1mm。

参见图4，本发明致动器的具体组装过程为：沿厚度方向对各压电单元进行极化，图中箭头代表极化方向。第一压电单元和第二压电单元的极化方向相反，将第一压电单元上表面和下表面的内部电极分别记为第一内部电极和第二内部电极，即图4中标注的“电极”，将第二压电单元上表面和下表面的内部电极分别记为第二内部电极和第一内部电极。利用环氧树脂将多个第一压电单元和多个第二压电单元交替着粘接成叠层结构的压电元件，第一压电单元和第二压电单元间第一内部电极与第一内部电极接触，第二内部电极与第二内部电极接触，上下最外侧两压电单元同时为第一压电单元或第二压电单元。这里，第一内部电极指正极或负极，第二内部电极指负极或正极。

组装完成压电元件(1)，压电元件(1)内部电极构成指型结构。等环氧树脂凝固后，采用铜片在压电元件(1)两侧面引出各层内部电极，用于连接驱动电源(4)。压电元件(1)的两端面和上下表面的两端粘贴绝缘件(2)，本实施例中，绝缘件(2)为氧化铝陶瓷片。采用环氧树脂将连接件(3)粘接于压电元件(1)两端，绝缘件(2)用来将连接件(3)与压电元件(1)、铜片隔离，防止高压击穿造成破坏，从而有效保护操作人员及装置的安全。本实施例中，连接件(3)为铝合金金属帽。

参见图5，本发明致动器工作时，施加电压方向与压电单元初始极化方向相同。当电压通过铜片施加到压电元件上时，由于压电材料的d₃₁效应，电场作用下压电材料会在X₁方向发生横向收缩，即在垂直于外加电场的方向发生变形，收缩长度ΔL₁＝E₃·d₃₁₁·L₁，其中，E₃表示X₃方向作用在压电单元上的电场，L₁表示压电单元在X₁方向的长度；d₃₁₁为压电常数。通过收缩长度公式可以看出，相同电场强度下，通过增加L₁，即可增加致动器的输出位移。

对于单片压电单元，虽然电场作用下可以沿着X₁方向输出较大的收缩位移，但是由于压电材料抗拉强度较低，输出力较小。为此，参考传统叠层压电致动器，将多片压电单元粘结起来。对单片压电单元，在恒位移加载下，输出拉力F＝S·c₁₁₁₁·d₃₁₁·E₃，其中，S为压电单元的端面面积；c₁₁₁₁为弹性常数。理想情况下，由n层压电单元组成的压电元件，其总输出力可认为是n层压电单元输出力的线性叠加，即nF。

从以上分析可看出，与d₃₃型叠层压电致动器不同，本发明d₃₁型叠层压电致动器叠加的是输出力，不是输出位移。本发明d₃₁型叠层压电致动器可直接输出拉伸位移，且具有较大的输出力，作为加载单元，非常适合用于微型拉伸测试设备等拉伸致动需要精确控制的场合。

本文中所描述的具体实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了压电元件、绝缘装置、约束装置、驱动电源、控制单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。