閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器及電阻應變片固定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器及電阻應變片固定方法，通過在壓電陶瓷相對的兩側(cè)平面上設置電阻應變片，可以有效的消除壓電陶瓷在位移輸出時的遲滯和蠕變等非線性特性，保證壓電陶瓷正常位移輸出，提高輸出精度。同時可將位移輸出量通過電阻應變片進行反饋，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使得致動器的整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積較小。通過將壓電陶瓷設置于不銹鋼套管的內(nèi)部，不銹鋼套管可有效保護壓電陶瓷免受外界的震動、沖擊和慣性力等，以提高壓電陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性和可安裝性，保證壓電陶瓷的使用壽命。
【專利說明】閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器及電阻應變片固定方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微驅(qū)動應用【技術領域】，具體涉及一種實現(xiàn)閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器及電阻應變片固定方法。
【背景技術】
[0002]目前，壓電陶瓷致動器件所具有的優(yōu)點已得到廣泛的承認和應用。壓電陶瓷是利用壓電材料的逆壓電效應來工作的，僅依靠外加電場的大小就能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動、壓電陶瓷克服了以往機械式、液壓式、氣動式、電磁式等執(zhí)行器慣性大、響應慢、結(jié)構(gòu)復雜、可靠性差等不足，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、無機械摩擦、無間隙、分辨率高、響應快、無發(fā)熱、不受磁場干擾、可在低溫，真空度環(huán)境下使用等優(yōu)點，被廣泛應用于微定位技術中，例如物鏡精密定位、大行程納米對準系統(tǒng)、高精度顯微納米壓印、主動減震、掩模與晶圓對準、光刻、光學干涉、光纖對接、亞納米測量、光盤測試、光學測試、流體控制閥、聲學儀器換能器、線性電動機和微波聲學等領域，這種可控的精密微位移執(zhí)行器必將在今后諸多【技術領域】中發(fā)揮難以估量的作用。但是，一方面由于壓電陶瓷致動器為了實現(xiàn)較大的驅(qū)動范圍均采用片層粘疊結(jié)構(gòu)，而且是陶瓷類硬脆性材料，所以在使用中經(jīng)常由于端面受力不均、側(cè)面受剪切力、彎矩、扭矩、震動、沖擊和慣性力等因素造成壓電陶瓷的損壞，使得壓電陶瓷的耗損率非常高。另一方面由于壓電陶瓷存在的遲滯和蠕變等特性，導致在運動過程中位移的輸出呈非線性，移動精度較差。
[0003]為了提高壓電陶瓷的使用壽命，需對壓電陶瓷進行封裝處理，目前根據(jù)使用材料和封裝方式的不同分為機械封裝和柔性鉸鏈封裝兩種方式對壓電陶瓷進行封裝。其中，采用柔性鉸鏈封裝壓電陶瓷的方式存在一款專利“直驅(qū)式納米級精密定位平臺(專利號:201220411967.5)，該定位平臺包括:臺體、頂絲、頂塊、壓電陶瓷、螺釘?shù)龋_體內(nèi)開有凹槽并加工出柔性鉸鏈，壓電陶瓷裝在凹槽內(nèi)，壓電陶瓷的一端及頂塊的一端頂靠在臺體凹槽一端，頂絲穿過臺體頂靠在壓電陶瓷的底端(對其進行預緊)。工作中壓電陶瓷驅(qū)動柔性鉸鏈實現(xiàn)微納米定位。但此種結(jié)構(gòu)體積較大，零件數(shù)目較多，對柔性鉸鏈及工作臺的加工精度要求較高。還例如“一種柔性微定位平臺(專利號:201310103681.X)。
[0004]有鑒于此，有必要提出一種新型壓電陶瓷致動器，以有效的消除壓電陶瓷在位移輸出時的遲滯和蠕變等非線性特性，提高輸出精度，提高壓電陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性和可安裝性，并實現(xiàn)位移輸出的有效反饋，達到閉環(huán)控制的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器及電阻應變片固定方法，以有效的消除壓電陶瓷在位移輸出時的遲滯和蠕變等非線性特性，提高輸出精度，提高壓電陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性和可安裝性，并實現(xiàn)位移輸出的有效反饋，達到閉環(huán)控制的目的。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，包括底座、套管、位于所述套管內(nèi)部的壓電陶瓷，以及設置于所述壓電陶瓷上方的預緊裝置，所述預緊裝置與所述套管固定連接，所述壓電陶瓷相對的兩側(cè)平面上設置有電阻應變片；
[0007]所述壓電陶瓷的一端固定于所述底座上，另一端上固定連接有連接頭，所述預緊裝置中心位置處開有通孔，所述連接頭的上端穿過所述通孔；
[0008]外加電場時，壓電陶瓷依靠電場的大小實現(xiàn)驅(qū)動，繼而帶動連接頭實現(xiàn)前后移動，與此同時，電阻應變片產(chǎn)生形變，繼而發(fā)生電阻變化，將壓電陶瓷的形變量進行反饋。
[0009]優(yōu)選的，所述預緊裝置為預緊彈簧，所述預緊彈簧固定于所述套管上。
[0010]優(yōu)選的，所述預緊裝置包括固定連接于所述套管上的預緊頭，所述連接頭的下端與所述預緊頭之間設置有預緊彈簧。
[0011]優(yōu)選的，所述預緊彈簧為碟形彈簧。
[0012]優(yōu)選的，所述預緊頭與所述套管螺紋旋接。
[0013]優(yōu)選的，所述底座與所述套管可拆卸固定。
[0014]優(yōu)選的，所述套管為不銹鋼材料。
[0015]優(yōu)選的，所述電阻應變片上連接有電極引線，所述壓電陶瓷上連接有屏蔽線，所述套管下端開設有用于引出所述電極引線與屏蔽線的開口槽。
[0016]一種用于固定所述的電阻應變片的方法，具體步驟如下:
[0017](一)、將壓電陶瓷表面的熱塑管剝落，然后采用打磨工具對壓電陶瓷相對的兩側(cè)平面上待貼位置處進行打磨，去除壓電陶瓷表面的污垢覆蓋層，直至表面平整有光澤；
[0018](二)、再用細砂布磨出與電阻應變片粘貼方向成30° -60°的條紋，以增強粘結(jié)力；
[0019](三)、在壓電陶瓷相對兩側(cè)平面上劃出電阻應變片安裝的準確位置；
[0020](四)、用除垢棉蘸揮發(fā)性溶劑對兩處貼片部位進行反復擦洗，直至除垢棉上見不到污垢為止；
[0021](五)、待揮發(fā)性溶劑揮發(fā)后，在兩處貼片位置滴粘合膠，將電阻應變片粘合上去并將粘合膠涂勻，待粘合膠初步固化后即可松開，電阻應變片固定于壓電陶瓷的表面上；
[0022](六)、最后將電極引線焊接固定于電阻應變片上。
[0023]優(yōu)選的，步驟二中磨出的條紋與電阻應變片的粘貼方向呈45°。
[0024]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明公開的閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器及電阻應變片固定方法的優(yōu)點是:通過在壓電陶瓷相對的兩側(cè)平面上設置電阻應變片，可以有效的消除壓電陶瓷在位移輸出時的遲滯和蠕變等非線性特性，保證壓電陶瓷正常位移輸出，提高輸出精度。同時可將位移輸出量通過電阻應變片進行反饋，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使得致動器的整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積較小。通過將壓電陶瓷設置于不銹鋼套管的內(nèi)部，不銹鋼套管可有效保護壓電陶瓷免受外界的震動、沖擊和慣性力等，以提高壓電陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性和可安裝性，保證壓電陶瓷的使用壽命。
[0025]本發(fā)明在微納操作、微小型機器人、生物微操作、光學以及精密驅(qū)動系統(tǒng)等領域因其結(jié)構(gòu)微小、響應快、驅(qū)動力大、質(zhì)量輕、驅(qū)動功率低和工作頻率寬，不發(fā)熱等優(yōu)點而擁有廣泛的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】[0026]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為本發(fā)明公開的一種閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為內(nèi)螺紋型連接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3為平頭型連接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖4為球頭型連接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖5為外螺紋型連接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖6為電阻應變片的安裝示意圖。
[0033]圖中的數(shù)字或字母所代表的相應部件的名稱:
[0034]1、底座2、套管3、壓電陶瓷4、電阻應變片5、連接頭6、預緊彈簧7、預緊頭8、開口槽31、屏蔽線41、電極引線71、通孔
【具體實施方式】
[0035]現(xiàn)有技術中壓電陶瓷致動器為了實現(xiàn)較大的驅(qū)動范圍均采用片層粘疊結(jié)構(gòu)，而且是陶瓷類硬脆性材料，易損壞，所以在使用中耗損率非常高。另一方面由于壓電陶瓷存在的遲滯和蠕變等特性，導致在運動過程中位移的輸出呈非線性，移動精度較差。目前一般采用對壓電陶瓷進行封裝的方式來提高壓電陶瓷的使用壽命，其中有一款采用柔性鉸鏈封裝壓電陶瓷的方式“直驅(qū)式納米級精密定位平臺(專利號:201220411967.5)，但此種結(jié)構(gòu)體積較大，零件數(shù)目較多，對柔性鉸鏈及工作臺的加工精度要求較高。
[0036]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供了一種閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器及電阻應變片固定方法，以有效的消除壓電陶瓷在位移輸出時的遲滯和蠕變等非線性特性，提高輸出精度，提高壓電陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性和可安裝性，并實現(xiàn)位移輸出的有效反饋，達到閉環(huán)控制的目的。
[0037]下面將通過【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0038]請一并參見圖1至圖6，如圖所示，一種閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，包括底座1、套管2、位于套管2內(nèi)部的壓電陶瓷3，以及設置于壓電陶瓷3上方的預緊裝置，預緊裝置與套管2固定連接，壓電陶瓷3相對的兩側(cè)平面上粘接有電阻應變片4。其中壓電陶瓷為矩形結(jié)構(gòu)，電阻應變片粘接在壓電陶瓷3的兩個相對的長側(cè)面上，結(jié)構(gòu)緊湊。
[0039]為了提高壓電陶瓷位移輸出的精度，需要對壓電陶瓷的輸出位移進行測量以此實現(xiàn)閉環(huán)控制。目前應用于微驅(qū)動領域的位移傳感器有:電阻應變式位移傳感器，電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，雙頻激光干涉儀等。由于電阻應變式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，成本低，易于集成等特點，所以本發(fā)明采用此類傳感器來實現(xiàn)對壓電陶瓷的閉環(huán)控制。通過設置電阻應變片，有效的消除壓電陶瓷在位移輸出時的遲滯和蠕變等非線性特性，提高輸出精度，提高壓電陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性和可安裝性，并實現(xiàn)位移輸出的有效反饋，達到閉環(huán)控制的目的。
[0040]壓電陶瓷3的一端固定于底座I上，另一端上固定連接有連接頭5，預緊裝置中心位置處開有通孔71，連接頭上端穿過通孔。外加電場時，壓電陶瓷3依靠電場的大小實現(xiàn)驅(qū)動，繼而帶動連接頭5實現(xiàn)前后微量移動。
[0041]預緊裝置包括固定連接于套管2上的預緊頭7，連接頭5的下端與預緊頭7之間設置有預緊彈簧6。通過設置預緊裝置對壓電陶瓷施加了 一定預緊力，可以避免壓電陶瓷受外部拉伸力的損壞。
[0042]其中，預緊彈簧為碟形彈簧。碟形彈簧緩沖吸振能力強，能以小變形承受大載荷，適合于軸向空間要求小的場合。
[0043]預緊頭7與套管2螺紋旋接。本發(fā)明中，可根據(jù)預緊頭7的旋和松緊以及碟形彈簧使用的數(shù)量和不同組合方式(對合和疊合)來控制機械封裝壓電陶瓷預緊力的大小。
[0044]底座I與套管2可拆卸固定。具體固定方式可為螺紋旋接固定或卡接固定等，便于將底座與套管分離取放壓電陶瓷。
[0045]套管2為不銹鋼材料。保證壓電陶瓷外部結(jié)構(gòu)的強度。
[0046]電阻應變片4上連接有電極引線41，壓電陶瓷3上連接有屏蔽線31，套管2下端開設有用于引出電極引線41與屏蔽線31的開口槽8。電極引線可將電阻應變片的變化量反饋給系統(tǒng)的控制部分，使得用戶可清楚的知悉壓電陶瓷的位移。
[0047]一種用于固定電阻應變片的方法，具體步驟如下:
[0048](一)、將壓電陶瓷表面的熱塑管剝落，然后采用打磨工具對壓電陶瓷相對兩側(cè)平面上待貼位置處進行打磨，去除壓電陶瓷表面的污垢覆蓋層，直至表面平整有光澤；其中打磨工具一般為銼刀、砂布等。
[0049](二)、再用細砂布磨出與電阻應變片粘貼方向成30° -60°的條紋，以增強粘結(jié)力；其中條紋的方向與粘貼方向優(yōu)選為呈45°。
[0050](三)、在壓電陶瓷相對兩側(cè)平面上劃出電阻應變片安裝的準確位置；主要采用直尺與劃針進行操作。
[0051](四)、用除垢棉蘸揮發(fā)性溶劑對兩處貼片部位進行反復擦洗，直至除垢棉上見不到污垢為止；除垢棉一般可為潔凈棉紗或脫脂棉球等，揮發(fā)性溶劑通常采用丙酮。
[0052](五)、待揮發(fā)性溶劑揮發(fā)后，在兩處貼片位置滴一點502膠，將電阻應變片粘合上去并將膠水涂勻，然后用鑷子撥動電阻應變片，調(diào)整位置和角度。定位后，在電阻應變片上墊一層聚乙烯或四氟乙烯薄膜，用手指擠壓出多余的膠水和氣泡。待膠水初步固化后即可松開。粘貼好的電阻應變片應保證位置準確，粘結(jié)牢固、膠層均勻、無氣泡和整潔干凈。
[0053](六)、最后采用電烙鐵將電極引線焊接固定于電阻應變片的端子上。焊接要迅速，時間不能過長，焊點要求光滑，不能虛焊，多余的電極引線可剪斷。
[0054]粘接固定好電阻應變片后，采用萬用表檢查應變片兩引線間電阻是否良好，用熱塑管將壓電陶瓷和電阻應變片保護起，防止電阻應變片受潮。
[0055]此外，在粘接電阻應變片之前需先檢測電阻應變片有無銹斑，缺陷，損壞，引線是否完好；檢測電阻阻值，是否有斷路和短路。并進行阻值分選，阻值相差不能超過±0.5。
[0056]帶電阻應變片的壓電陶瓷的封裝步驟如下:
[0057](—)、用環(huán)氧樹脂膠將粘接有電阻應變片4的壓電陶瓷3固定粘貼在底座I上，并保證壓電陶瓷3垂直于底座I且置于中央。
[0058](二)、將連接頭5、預緊頭7、預緊彈簧6、壓電陶瓷3、套管2、底座I按如圖1所示
安裝在一起。
[0059](三)、用環(huán)氧樹脂膠將預緊頭7和底座I的螺紋部分分別與套管2的螺紋部分粘接在一起，然后根據(jù)所用預緊彈簧的數(shù)量和組合方式(對合和疊合)以及壓電陶瓷3的剛度來調(diào)節(jié)預緊頭7的旋和圈數(shù)來獲得一定的預緊力，使得此結(jié)構(gòu)能夠抵抗一定的拉力。
[0060](四)、用硅膠將屏蔽線31和電極引線41與底座I開口槽8處的縫隙填滿。
[0061](五)、檢查此種封裝型壓電陶瓷的位移是否能夠達到規(guī)定的要求，若不能則將預緊頭2調(diào)松。
[0062](六)、將位移已合格的封裝型壓電陶瓷進行固化處理，使得膠水完全凝固。
[0063]此外，預緊裝置還可僅采用預緊彈簧，預緊彈簧固定于套管上。僅通過預緊彈簧對壓電陶瓷進行預緊并限位。
[0064]本發(fā)明公開了一種閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器及電阻應變片固定方法，通過在壓電陶瓷相對的兩側(cè)平面上設置電阻應變片，可以有效的消除壓電陶瓷在位移輸出時的遲滯和蠕變等非線性特性，保證壓電陶瓷正常位移輸出，提高輸出精度。同時可將位移輸出量通過電阻應變片進行反饋，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使得致動器的整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積較小。通過將壓電陶瓷設置于不銹鋼套管的內(nèi)部，不銹鋼套管可有效保護壓電陶瓷免受外界的震動、沖擊和慣性力等，以提高壓電陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性和可安裝性，保證壓電陶瓷的使用壽命。
[0065]本發(fā)明在微納操作、微小型機器人、生物微操作、光學以及精密驅(qū)動系統(tǒng)等領域因其結(jié)構(gòu)微小、響應快、驅(qū)動力大、質(zhì)量輕、驅(qū)動功率低和工作頻率寬，不發(fā)熱等優(yōu)點而擁有廣泛的應用前景。
[0066]對所公開的實施例的上述說明，使本領域?qū)I(yè)技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權利要求】
1.一種閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，其特征在于，包括底座、套管、位于所述套管內(nèi)部的壓電陶瓷，以及設置于所述壓電陶瓷上方的預緊裝置，所述預緊裝置與所述套管固定連接，所述壓電陶瓷相對的兩側(cè)平面上設置有電阻應變片； 所述壓電陶瓷的一端固定于所述底座上，另一端上固定連接有連接頭，所述預緊裝置中心位置處開有通孔，所述連接頭的上端穿過所述通孔； 外加電場時，壓電陶瓷依靠電場的大小實現(xiàn)驅(qū)動，繼而帶動連接頭實現(xiàn)前后移動，與此同時，電阻應變片產(chǎn)生形變，繼而發(fā)生電阻變化，將壓電陶瓷的形變量進行反饋。
2.如權利要求1所述的閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述預緊裝置為預緊彈簧，所述預緊彈簧固定于所述套管上。
3.如權利要求1所述的閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述預緊裝置包括固定連接于所述套管上的預緊頭，所述連接頭的下端與所述預緊頭之間設置有預緊彈黃。
4.如權利要求2或3所述的閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述預緊彈簧為碟形彈簧。
5.如權利要求3所述的閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述預緊頭與所述套管螺紋旋接。
6.如權利要求1所述的閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述底座與所述套管可拆卸固定。
7.如權利要求1所述的閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述套管為不銹鋼材料。
8.如權利要求1所述的閉環(huán)控制的封裝型壓電陶瓷致動器，其特征在于，所述電阻應變片上連接有電極引線，所述壓電陶瓷上連接有屏蔽線，所述套管下端開設有用于引出所述電極引線與屏蔽線的開口槽。
9.一種用于固定權利要求1所述的電阻應變片的方法，其特征在于，具體步驟如下: (一)、將壓電陶瓷表面的熱塑管剝落，然后采用打磨工具對壓電陶瓷相對的兩側(cè)平面上待貼位置處進行打磨，去除壓電陶瓷表面的污垢覆蓋層，直至表面平整有光澤； (二)、再用細砂布磨出與電阻應變片粘貼方向成30°-60°的條紋，以增強粘結(jié)力； (三)、在壓電陶瓷相對兩側(cè)平面上劃出電阻應變片安裝的準確位置； (四)、用除垢棉蘸揮發(fā)性溶劑對兩處貼片部位進行反復擦洗，直至除垢棉上見不到污垢為止； (五)、待揮發(fā)性溶劑揮發(fā)后，在兩處貼片位置滴粘合膠，將電阻應變片粘合上去并將粘合膠涂勻，待粘合膠初步固化后即可松開，電阻應變片固定于壓電陶瓷的表面上； (六)、最后將電極引線焊接固定于電阻應變片上。
10.如權利要求9所述的用于固定電阻應變片的方法，其特征在于，步驟二中磨出的條紋與電阻應變片的粘貼方向呈45°。
【文檔編號】H02N2/02GK103595292SQ201310586696
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權日:2013年11月19日
【發(fā)明者】鐘博文, 王振華, 孫立寧, 金子祺, 錢哲 申請人:蘇州大學