專利名稱：層疊狀剪切壓電陶瓷促動器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及壓電陶瓷促動器，特別是一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動器及其 驅動方式。
背景技術：
壓電陶瓷促動器是一種機電耦合元件，因其體積小(幾立方毫米 幾十立方毫 米)、位移分辨率高(納米級)、響應速度快(幾十微秒)、輸出力大、換能效率高等優點， 是目前微位移技術中比較理想的驅動元件，廣泛應用在光學精密工程、微機電系統、 納米制造技術、微電子技術、納米生物工程等領域中。
壓電陶瓷促動器利用壓電材料的逆壓電效應，施加一定的電場，實現形變位移 的輸出。在大部分應用中，通常利用壓電陶瓷縱向逆壓電效應和橫向逆壓電效應， 但一般單片壓電陶瓷的變形量都很小，因此應用范圍受到一定限制，為了得到大的 變形量往往利用幾片或者多片壓電陶瓷基片采用機械上串連、電路上并連，然后膠 結或燒結方式制成層疊狀促動器。
在壓電材料中，剪切模式壓電系數(d15)比縱向模式壓電系數(d33)和橫向模 式(d31)壓電系數大的多，在相同的電場作用下，可產生更大的應變；并且剪切模 式可以施加雙極性電壓，輸出位移形變量具有對稱性。
如圖1所示，c/為壓電陶瓷形變位移量，丄為壓電陶瓷高度，￡為所施加電場， 尸為壓電陶瓷極化方向；t/為所施加電壓；當施加電場方向與壓電陶瓷的極化方向
垂直時，壓電陶瓷產生剪切應變。形變位移量6/ =《5五￡，其中￡ = | ，則有 "c/15 *丄"15f/ 。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動器，以獲得較大的形變 位移量和足夠小的位移分辨率。
本實用新型的技術解決方案如下
一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動器，由促動器主體、上端層、下端層、外部輸入 正電極端口和外部輸入負電極端口構成
所述的促動器主體的構成是多塊板狀壓電陶瓷薄片按極化方向相反交替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片的每兩塊板狀壓電陶瓷薄片之間交替地嵌設 有板狀的內部正電極及內部負電極而結合在一起，所述的的內部負電極引出到所述 的多塊板狀壓電陶瓷薄片的一個端面并全部連接到所述的外部輸入負電極端口，所 述的內部正電極引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片的另一個端面形成若干個外部 輸入正電極，該若干個外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端 口相連，所述的促動器主體的上端面和下端面分別與所述的上端層和下端層固接。
所述的內部正電極構成若干個外部輸入正電極是根據自然數或二進制遞增方式 配置的。
所述的上端層和下端層是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構成，以膠結或燒結方式分 別固接在促動器主體上下兩端面上。所述的上端層和下端層用于電氣隔離和耦合外 部機械固定件。
我們知道為了得到大的形變量，同時減小驅動電壓。將多片壓電陶瓷薄片采 用機械上串連，則總的形變位移量《,。,=^^15[/， 7V為壓電陶瓷薄片的層數，從上
述公式可以看出，只要改變壓電陶瓷薄片的層數和外加電壓，就可以控制壓電陶瓷 促動器的形變量。
從而最大變形量為^^ =i\^15t/
最小分辨率為《。^-^U
在改變外加電場的同時，選擇相應的外部輸入正電極，可以改變施加電壓的壓 電陶瓷薄片層數，從而可以靈活的控制壓電陶瓷促動器產生形變位移量。 本實用新型的技術效果
本實用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動器在保證足夠大形變位移總量的同時，降 低了對壓電陶瓷驅動電源的要求，并保證了足夠小的位移分辨率；并且各個方向都 具有非常好的剛性，因此具有更好的設計靈活性、更高的諧振頻率和更低的功耗。
本實用新型在光學工程、精密機械、國防科技等方面有著廣闊的應用前景。
圖1是壓電陶瓷剪切逆壓電效應示意圖
圖2是本實用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動器結構示意圖
圖3是本實用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動器結構具體實施例的結構示意圖
具體實施方式
下面結合實施例和附圖，對本實用新型進行進一步說明。
先請參閱圖2，圖2是本實用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動器結構示意圖。由 圖可見，本實用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動器，由促動器主體l、上端層7-l、下端層7-2、外部輸入正電極端口 5和外部輸入負電極端口 6構成
所述的促動器主體1的構成是多塊板狀壓電陶瓷薄片3按極化方向P相反交 替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片3的每兩塊板狀壓電陶瓷薄片之間交 替地嵌設有板狀的內部正電極2及內部負電極4而以膠結或燒結方式結合在一起， 所述的的內部負電極4引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片3的一個端面并全部連 接到所述的外部輸入負電極端口 6，所述的內部正電極2引出到所述的多塊板狀壓
電陶瓷薄片3的另一個端面形成若干個外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2........ 5-n，
該若干個外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口 5相連，所 述的促動器主體1的上端面和下端面分別與所述的上端層7-1和下端層7-2固接。
所述的內部正電極2構成n個外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2.......、 5-n是根
據自然數或二進制遞增方式配置的。
所述的上端層7-1和下端層7-2是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構成。
所述的內部正電極2和負電極4最好是由銀鉑合金(AgPd)構成，并且交替地 伸出到相對的面上，直到到達各個表面。
本實施例根據二進制方式配置對應壓電陶瓷的層數，2°=1， 2^2， 22=4，……， 將所對應壓電陶瓷薄片層數所連接的內部正電極2引出，構成外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2至5-n;上述外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2至5-n之間相互絕緣，并構成 外部輸入正電極端口 5。
這樣可以選通任意的多個外部輸入正電極5-0， 5-1， 5-2或5-n，以得到施加電 壓的多層的壓電陶瓷薄片。
所述的上端層7-1和下端層7-2， 一方面使外加電壓與外界絕緣，另一方面形成 了力耦合面，用于容納不同的機械固定件。
再請參閱圖3，圖3是本實用新型層疊狀剪切壓電陶瓷促動器結構一個具體實 施例，如上所述，圖3與圖2相同的編號具有相同的結構及功能。在圖3中，本實 施例中n=3，本實施例的層疊狀剪切壓電陶瓷促動器，由促動器主體1、上端層7-1、 下端層7-2、外部輸入正電極端口 5和外部輸入負電極端口 6構成
所述的促動器主體1的構成是多塊板狀壓電陶瓷薄片3按極化方向P相反交 替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片3的每兩塊板狀壓電陶瓷薄片3之間 交替地嵌設有板狀的內部正電極2及內部負電極4而以膠結或燒結方式結合在一起， 所述的的內部負電極4引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片3的一個端面并全部連 接到所述的外部輸入負電極端口 6，所述的內部正電極2引出到所述的多塊板狀壓 電陶瓷薄片3的另一個端面形成若干個外部輸入正電極5-0、 5-1、 5-2、 5-3，該若干 個外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口 5相連，所述的促動器主體1的上端面和下端面分別與所述的上端層7-1和下端層7-2固接。
在本實施例中，通過數字方法控制多路模擬開關8來實現外部輸入正電極的選 擇。內部負電極4全部連接到外部輸入負電極端口 6并接地；本實施例中11=3，則 內部正電極2引出所構成的外部輸入正電極5-0, —端連接有l (2G=1)層壓電陶瓷 片，另一端連接到多路模擬開關8;所述外部輸入正電極5-l， 一端連接有2(2'-2) 層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關8;所述外部輸入正電極5-2， 一端連接 有4(22=4)層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關8;所述外部輸入正電極5-3， 一端連接有8 (23=8)層壓電陶瓷片，另一端連接到多路模擬開關8;上述多路模擬 開關8另一輸入端連接電壓U。則可以控制多路模擬開關8，有選擇性的選通若干 外部輸入正電極到外加電壓U，即以數字驅動方式改變壓電陶瓷薄片層數。 則層疊狀剪切壓電陶瓷促動器形變位移為
c^("2。+"2、"22 + ff^23Xt/，式中/， _/， A:，附分別等于0或1，取 決于對應外部輸入正電極是否與外加電壓U選通。 則最大形變位移為
層疊狀剪切壓電陶瓷促動器形變位移分辨率為 《w" = "15"，取決于外加電壓U的最小分辨率。
從上所述，在控制施加電壓的同時，可以以數字驅動方式改變壓電陶瓷薄片層 數，可以更靈活的改變壓電陶瓷促動器形變量。
權利要求1、一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動器，其特征在于由促動器主體(1)、上端層(7-1)、下端層(7-2)、外部輸入正電極端口(5)和外部輸入負電極端口(6)構成所述的促動器主體(1)的構成是多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)按極化方向(P)相反交替地層疊在一起，且該多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的每兩塊板狀壓電陶瓷薄片(3)之間交替地嵌設有板狀的內部正電極(2)及內部負電極(4)而以膠結或燒結方式結合在一起，所述的的內部負電極(4)引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的一個端面并全部連接到所述的外部輸入負電極端口(6)，所述的內部正電極(2)引出到所述的多塊板狀壓電陶瓷薄片(3)的另一個端面形成若干個外部輸入正電極(5-0、5-1、5-2、......、5-n)，該若干個外部輸入正電極間相互絕緣，再與所述的外部輸入正電極端口(5)相連，所述的促動器主體(1)的上端面和下端面分別與所述的上端層(7-1)和下端層(7-2)固接。
2、 根據權利要求1所述的層疊狀剪切壓電陶瓷促動器，其特征在于所述的內部正電極(2)構成若干個外部輸入正電極(5-0、 5-1、 5-2........ 5-n)是根據自然數或二進制遞增方式配置的。
3、 根據權利要求1所述的層疊狀剪切壓電陶瓷促動器，其特征在于所述的上 端層(7-1)和下端層(7-2)是由壓電陶瓷片或者陶瓷片構成。
專利摘要一種層疊狀剪切壓電陶瓷促動器，由促動器主體、上端層、下端層、外部輸入正電極端口和外部輸入負電極端口構成，其特點是根據壓電陶瓷剪切逆壓電效應原理，將具有相反極化方向的壓電陶瓷薄片相互交錯的膠結或燒結在一起；以二進制方式配置對應壓電陶瓷薄片層數，構成外部輸入電氣端口，在改變外加電場的同時，還可以以數字方式驅動促動器產生相應的形變。本實用新型在光學工程、精密機械、國防科技等方面有著廣闊的應用前景。
文檔編號H03H9/15GK201323208SQ200820155608
公開日2009年10月7日 申請日期2008年11月19日 優先權日2008年11月19日
發明者朱健強, 勇 王, 斌 王 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所