專利名稱：壓電驅動器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓電驅動器技術，尤其涉及一種圓環(huán)形壓電驅動器及其制作方法。
背景技術：
基于逆壓電效應的壓電驅動器具有尺寸小、線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率響應好、能耗低、無噪聲、不受電磁干擾等特點，是一種理想的微位移新型固態(tài)執(zhí)行器，非常適用于精確定位、小負載、大轉矩、高精度的機械裝置，特別是在激光通訊、生物工程、納米加工、自動控制、機器人等高新技術領域，發(fā)揮著越來越重要的作用。同時，隨著航空航天、石油化工、地質勘探、核能發(fā)電 、汽車制造工業(yè)的迅速發(fā)展，壓電驅動器在這些領域的應用需求也越來越多，但是，這些領域通常具有高低溫等苛刻的環(huán)境，因此，可在極端苛刻環(huán)境下穩(wěn)定工作的高性能壓電驅動器的需求越來越多。通常，壓電驅動器按驅動方式不同，可分為剛性位移驅動器和諧振位移驅動器，而剛性位移驅動器包括多層式驅動器、單(雙)晶片驅動器、彩虹式(Rainbow)驅動器、月牙式(Moonie)驅動器和鈸式(Cymbals)驅動器等。其中，多層式驅動器是將多個壓電陶瓷片通過有機粘結劑粘接或低溫共燒等方法制成，具有承載力大、響應速度快、位移重復性好、體積效率高、驅動控制相對簡單等優(yōu)點，但是其位移量較小、電容量高。壓電雙晶片驅動器的典型結構是由兩個長條壓電晶片中間夾一金屬薄片，并通過環(huán)氧樹脂有機粘結劑粘接而成為一體的結構，這種結構的驅動器能夠產(chǎn)生幾十個微米到幾個毫米的形變量，然而其自由端僅能承受較小的應力。綜上，現(xiàn)有壓電驅動器為多層復合結構，而非一體成型的結構，使得壓電驅動器結構和制作工藝復雜，產(chǎn)品質量不易保證；同時，由于多層復合結構的壓電驅動器中，通常有粘結劑粘結而成，當壓電驅動器在高低溫苛刻環(huán)境下工作時，易出現(xiàn)高溫軟化、低溫斷裂等不良反應，導致粘結劑失效，進一步導致壓電驅動器工作性能下降、影響壓電驅動器的正常使用；此外，多層復合結構的壓電驅動器中，各個部分的熱膨脹系數(shù)并不相同，這樣壓電驅動器在高低溫苛刻環(huán)境下工作時，會因各部分熱膨脹系統(tǒng)不同而引起應力集中，同樣會降低壓電驅動器的性能、影響壓電驅動器的正常使用。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種壓電驅動器及其制作方法，可有效克服現(xiàn)有多層復合結構壓電驅動器存在的結構復雜，在高低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)工作性能下降的問題，可有效簡化壓電驅動器的結構，可適用于高低溫環(huán)境下的工作需要。本發(fā)明提供一種壓電驅動器，包括圓環(huán)形結構的壓電板，所述壓電板的上表面設置有上電極，所述壓電板的下表面設置有下電極，且所述壓電板沿徑向方向極化。本發(fā)明提供一種壓電驅動器的制作方法，包括將壓電材料制備成圓環(huán)形結構的壓電板；
在所述壓電板的內壁和外壁上分別設置電極，并對所述壓電板進行極化，使得所述壓電板沿徑向方向極化； 在極化后的所述壓電板的上表面設置上電極，在所述壓電板的下表面設置下電極。本發(fā)明提供的壓電驅動器及其制作方法，通過采用獨立的圓環(huán)形壓電板，使得壓電驅動器的結構簡單，制作工藝簡單，產(chǎn)品質量容易保證；本實施例壓電驅動器也可有效避免傳統(tǒng)復合結構壓電驅動器中由于需要用有機粘結劑粘接而不能承受極端苛刻環(huán)境的固有缺陷，提高了壓電驅動器的機電轉換效率，且也可避免傳統(tǒng)壓電驅動器結構中因各部分熱膨脹系數(shù)不一致而引起的應力集中問題，可有效確保壓電驅動器在高低溫苛刻環(huán)境下工作時的工作性能，提高壓電驅動器工作的穩(wěn)定性和可靠性。本實施例壓電驅動器尺寸設計靈活，可根據(jù)需要制作合適尺寸的壓電驅動器，且可適用于更高溫度范圍的工作場景下，具有較高的環(huán)境適應能力。


圖I為本發(fā)明實施例一提供的壓電驅動器的主視圖；圖2為圖I中壓電驅動器的俯視圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實施實例提供的壓電驅動器所測得的電壓-微位移曲線圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的壓電驅動器工作時的變形示意圖；圖5為本發(fā)明實施例二提供的壓電驅動器的制作方法流程示意圖。
具體實施例方式鑒于現(xiàn)有壓電驅動器存在的結構復雜的問題，本發(fā)明提供一種結構簡單，制作方便的壓電驅動器，該壓電驅動器為圓環(huán)形結構。下面將以具體實例對本發(fā)明技術方案做詳細的說明。圖I為本發(fā)明實施例一提供的壓電驅動器的主視圖；圖2為圖I中壓電驅動器的俯視圖。如圖I和圖2所示，本實施例壓電驅動器包括壓電板I，該壓電板I為圓環(huán)形結構，該圓環(huán)形結構的壓電板I的內徑和外徑的比例小于或等于0.9 ;該壓電板I沿徑向方向極化，具體地，如圖2所示，極化方向為從外到內的徑向方向極化，或從內到外的徑向方向極化；圖2所不的箭頭方向為極化方向；該壓電板I的上表面11上設置有上電極111,下表面12上設置有下電極121。本實施例提供的壓電驅動器為單個圓環(huán)形壓電板結構，結構簡單，可在施加在上下電極上的驅動電壓作用下，在壓電板的中心部分產(chǎn)生上下位移運動。本實施例中，壓電板為圓環(huán)形結構，且極化方向為徑向方向，這樣，在圓環(huán)形結構的壓電板的上下表面施加激勵電壓后，上下表面就會產(chǎn)生方向相反的伸張或收縮變形，即上表面沿徑向方向伸張時，下表面就會沿徑向方向收縮，這樣，壓電板整體就會在該兩個相反方向的變形作用下，迫使其中心部分產(chǎn)生垂直于壓電板表面的較大位移運動，從而實現(xiàn)壓電驅動器的直線運動。本實施例中，壓電板結構簡單，實現(xiàn)方便，可便于壓電驅動器的制作；且制作壓電板的材料可為任何具有壓電效應的材料，例如鋯鈦酸鉛壓電材料、無鉛壓電材料(如鈦酸鋇、鈮酸鉀鈉等)、鉍系高居里點(如鈦酸鉍鈉)壓電材料，或者高性能壓電單晶(如鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛等)材料。實際應用中，可根據(jù)需要選擇合適的壓電材料，對此本實施例并不做特別限制。圖3為根據(jù)本發(fā)明實施實例提供的壓電驅動器所測得的電壓-微位移曲線圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的壓電驅動器工作時的變形示意圖。如圖3所示，其中橫坐標表示電場強度，縱坐標表示微位移，可以看出，在相同的測試電場強度下，隨著溫度升高，本實施例提供的圓環(huán)形壓電驅動器位移增大，且能夠在200°C下穩(wěn)定工作；如圖4所示，當在壓電驅動器的上下電極施加激勵電壓時，就會在壓電板的中部產(chǎn)生沿垂直方向運動的位移運動，其中A表示壓電驅動器未變形前的形狀，B表示壓電驅動器發(fā)生變形后的形狀。通過實際測量和實驗，可以確定，本實施例壓電驅動器可工作在高溫等苛刻環(huán)境下，從而可滿足航空航天、石油化工、地質勘探、核能發(fā)電、汽車制造工業(yè)等技術領域中。綜上，本發(fā)明實施例提供的壓電驅動器，為一個獨立的圓環(huán)形壓電元件，結構簡單，制作工藝簡單，產(chǎn)品質量容易保證；本實施例壓電驅動器也可有效避免傳統(tǒng)復合結構壓電驅動器中由于需要用環(huán)氧樹脂有機粘結劑粘接而不能承受極端苛刻環(huán)境的固有缺陷，提高了壓電驅動器的機電轉換效率，且也可避免傳統(tǒng)壓電驅動器結構中因各部分熱膨脹系數(shù) 不一致而引起的應力集中問題，可有效確保壓電驅動器在高低溫苛刻環(huán)境下工作時的工作性能，提高壓電驅動器工作的穩(wěn)定性和可靠性。本實施例壓電驅動器尺寸設計靈活，可根據(jù)需要制作合適尺寸的壓電驅動器，且可適用于更高溫度范圍的工作場景下，具有較高的環(huán)境適應能力。圖5為本發(fā)明實施例二提供的壓電驅動器的制作方法流程示意圖。如圖5所示，本實施例壓電驅動器制作方法可包括如下步驟步驟101、將壓電材料制備成圓環(huán)形結構的壓電板；步驟102、在壓電板的內壁和外壁上分別設置電極，并對壓電板進行極化，使得壓電板沿徑向方向極化；步驟103、在極化后的壓電板的上表面設置上電極，在壓電板的下表面設置下電極。本實施例中，可將壓電材料直接制成圓環(huán)形結構，并在圓環(huán)結構的內壁和外壁上設置電極，并利用該兩個電極在高溫下對壓電板進行高電壓極化，使得壓電板的極化方向為沿壓電板的徑向方向，其具體極化處理方式與傳統(tǒng)壓電驅動器極化方式類似，在此不再贅述。本實施例中，在壓電板的內壁和外壁，以及上下表面設置的電極均為銀電極，且壓電板的內壁和外壁上的銀電極可通過焙燒的方式制備得到，壓電板的上下表面的銀電極可通過濺射或化學電鍍的方式制備得到。本實施例中，對壓電板進行高溫極化時，極化溫度可為40(T50(TC，電場強度為f5kV/cm，極化時間為15 30分鐘，這樣，可沿圓環(huán)形壓電板的徑向方向對壓電板進行極化，具體的極化方向可參見圖2中的箭頭所示方向。本實施例中，在對壓電板進行極化后，可利用砂紙打磨掉圓環(huán)形結構壓電板的內壁和外壁上的銀電極，并對壓電板進行超聲清洗、烘干等流程后，再在壓電板的上下表面制備電極。為便于對本發(fā)明實施例有更好地了解，下面對本發(fā)明實施例對采用壓電陶瓷材料和壓電單晶材料制備壓電驅動器的具體應用進行說明。(I)采用壓電陶瓷材料采用壓電陶瓷材料制備壓電驅動器時，可包括以下步驟步驟201、采用固相反應法制備壓電陶瓷粉末；本實施例中，采用鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體材料,且該鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體的化學式為(1-x)BiScO3-XPbTiO3，其中:0. 2 ( x〈l，優(yōu)選地本實施例X取值為0. 36。在制備壓電陶瓷粉末時，可根據(jù)鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體的化學式，按照化學計量比配置得到所需的壓電陶瓷粉末。步驟202、將上述的壓電陶瓷粉末，即鈧酸鉍-鈦酸鉛固溶體粉末取出，加入39T5%的聚乙烯醇粘結劑，充分混合，造粒并過80目篩后，取出適量粉末放入模具中，在IOOlOOMPa的壓力下成型，得到所需要尺寸的圓形素坯，即壓電圓環(huán)片；步驟203、將上述圓形素坯先燒除掉其中含有的粘結劑有機物，同時使素坯具有一定的機械強度；步驟204、在圓形素坯的幾何中心處打孔，形成圓環(huán)形結構的壓電板，該圓環(huán)形壓電板的內、外徑的比例為小于或等于0. 9 ；上述步驟202-204中，也可通過模具直接制備所需要尺寸的圓環(huán)形結構的壓電板；步驟205、在90(Tl20(rC溫度范圍內進行燒結，得到致密、均一的圓環(huán)形壓電板；步驟206、在圓環(huán)形壓電板的內壁和外壁上焙燒銀電極，之后對其進行高溫極化，極化溫度為40(T500°C，電場強度為I飛kV/cm，極化時間為15 30分鐘；步驟207、用砂紙打磨掉圓環(huán)形壓電板的內壁和外壁的銀電極，經(jīng)超聲清洗、烘干等流程后在驅動器上下表面通過濺射或化學電鍍等方法制備銀電極。( 2)采用壓電單晶材料采用壓電單晶材料制備壓電驅動器時，可包括以下步驟步驟301、通過線切割將壓電單晶切割成結晶取向一致的壓電單晶板材。本實施例中，可根據(jù)需要，通過線切割工藝，將壓電單晶切割成具有一定結晶取向的壓電單晶板材。步驟302、通過超聲或激光切割，將壓電單晶板材的幾何外形變?yōu)閳A環(huán)形結構的壓電板，該圓環(huán)形結構的壓電板的內外徑的比例小于或等于0. 9 ；步驟303、在該圓環(huán)形結構的壓電板的內壁和外壁上焙燒銀電極，之后可在室溫至居里溫度范圍內對其進行高電壓極化；步驟304、用砂紙打磨掉圓環(huán)形結構的壓電板的內壁和外壁的銀電極，并經(jīng)過超聲清洗、烘干等流程后，在壓電板的上下表面通過濺射或化學電鍍等方法制備銀電極。本領域普通技術人員可以理解，當采用其他材料制備本實施例的壓電驅動器時，可具有相同或類似的制作過程，對此本實施例并不做特別限制。最后應說明的是以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范 圍。
權利要求
1.一種壓電驅動器，其特征在于，包括圓環(huán)形結構的壓電板，所述壓電板的上表面設置有上電極，所述壓電板的下表面設置 有下電極，且所述壓電板沿徑向方向極化。
2.根據(jù)權利要求1所述的壓電驅動器，其特征在于，所述壓電板為由壓電陶瓷材料制 備得到的壓電板。
3.根據(jù)權利要求1所述的壓電驅動器，其特征在于，所述壓電板為由壓電單晶材料制 備得到的壓電板。
4.一種壓電驅動器的制作方法，其特征在于，包括將壓電材料制備成圓環(huán)形結構的壓電板；在所述壓電板的內壁和外壁上分別設置電極，并對所述壓電板進行極化，使得所述壓 電板沿徑向方向極化；在極化后的所述壓電板的上表面設置上電極，在所述壓電板的下表面設置下電極。
5.根據(jù)權利要求4所述的壓電驅動器制作方法，其特征在于，所述壓電材料為壓電陶 瓷材料；所述將壓電材料制備成圓環(huán)形結構的壓電板包括利用固相反應法制備壓電陶瓷固溶體粉末，并進行造粒，壓片壓制得到壓電圓環(huán)片， 得到圓環(huán)形結構的壓電板，或者，先壓制得到壓電圓片，再在所述壓電圓片的幾何中心處打 孔，形成圓環(huán)形結構的壓電板；在900 1200°C溫度范圍對所述圓環(huán)形結構的壓電板進行燒結。
6.根據(jù)權利要求4所述的壓電驅動器的制作方法，其特征在于，所述壓電材料為壓電 單晶;所述將壓電材料制備成圓環(huán)形結構的壓電板包括通過線切割將壓電單晶切割成結晶取向一致的壓電單晶板材；通過超聲或激光切割，將所述壓電單晶板材的幾何外形變?yōu)閳A環(huán)形結構的壓電板。
7.根據(jù)權利要求4或5或6所述的壓電驅動器的制作方法，其特征在于，所述在極化后 的所述壓電板的上表面設置上電極，在所述壓電板的下表面設置下電極之前還包括利用砂紙打磨掉所述壓電板的內壁和外壁上的電極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種壓電驅動器及其制作方法。該壓電驅動器包括圓環(huán)形結構的壓電板，所述壓電板的上表面設置有上電極，所述壓電板的下表面設置有下電極，且所述壓電板沿徑向方向極化。本發(fā)明實施例提供的壓電驅動器采用單個圓環(huán)形結構的壓電板，結構簡單，制作方便，可適用于高低溫等苛刻環(huán)境下的工作需要。
文檔編號H01L41/22GK102664233SQ20121013902
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權日2012年5月7日
發(fā)明者董蜀湘, 陳建國 申請人:北京大學