專利名稱：高精度軸向驅(qū)動(dòng)的特種圓環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提供了一種特殊的圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，具體地說，本實(shí)用新型涉及一種可提供三點(diǎn)分別控制、實(shí)現(xiàn)高精度準(zhǔn)直和驅(qū)動(dòng)雙功能的特種圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。屬壓電陶瓷微位移器領(lǐng)域。
為了滿足光學(xué)上中心光通路的需要、按放電子控制線路和機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求，需要圓環(huán)狀的驅(qū)動(dòng)器。軸向位移具有高精度的單向性是決定光學(xué)儀器設(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵，大孔徑則才能滿足對大尺寸光學(xué)部件作精密加工和測試。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料和國際上著名的壓電微位移器生產(chǎn)廠商(例如美國的Buleigh公司，德國的PL公司等)的技術(shù)資料，該類大孔徑圓環(huán)狀壓電微位移驅(qū)動(dòng)器以往產(chǎn)用了三種結(jié)構(gòu)形式；a.內(nèi)外壁全電極的整圓環(huán)結(jié)構(gòu)，b.外電極三等分的整圓環(huán)結(jié)構(gòu)和c.由分立式圓環(huán)片組裝的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。它們的結(jié)構(gòu)表示于

圖1。上述三種結(jié)構(gòu)有一共同點(diǎn)是基于利用壓電陶瓷橫向位移模式(圓環(huán)內(nèi)外壁被制電極、施加電場，圓環(huán)端面產(chǎn)生位移，即位移電場)，而不是利用慣用的壓電微位移器位移平行電場的縱向位移模式。器件的縱、橫向應(yīng)變或位移可根據(jù)壓電方程得到；S3＝d33·E3或ΔL3＝d33·V3(1)S1＝d31·E3或ΔL1＝L1·d33·V3/L3(2)式中S3、S1分別為縱向和橫向應(yīng)變，d33、d11分別為縱向和橫向壓電系數(shù)，L3、L1分別為縱向和橫向長度，ΔL3、ΔL1分別為縱向和橫向位移，E3為縱向電場。由于壓電材料的橫向壓電系數(shù)d31遠(yuǎn)小于縱向壓電系數(shù)d33，d31＝(1/2-1/3)·d33，因而對高度相同的微位移器，以上三種橫向應(yīng)變的圓環(huán)的應(yīng)變或位移較小，只能通過增加器件的長度L1或增高電壓V3達(dá)到一定位移量ΔL1的要求(見方程2)。因此可見這三種結(jié)構(gòu)的圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器不可避免地都存在著體積大(因高度高)、重量重、工作電壓高等嚴(yán)重缺點(diǎn)。其次，對于橫向應(yīng)變，其變形呈負(fù)電壓特征，即應(yīng)變或位移的符號(hào)與電壓的符號(hào)正好相反；環(huán)壁加正向電壓，環(huán)端面則產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變(圓環(huán)高度收縮)，反之環(huán)壁加負(fù)電壓，圓環(huán)端面伸長。由于壓電陶瓷若施加反向負(fù)電壓易于使其壓電性能變劣，甚至完全退極化，所以通常只能采用施加正電壓的位移?？梢妼τ谝酝N橫向位移模的圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器只能利用其負(fù)應(yīng)變的收縮位移，從而限制了某些應(yīng)用，至少對其使用帶來了不方便。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種可利用壓電陶瓷縱向位移模、三點(diǎn)分別控位的特種圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，克服以往基于利用橫向位移模圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器存在的位移量小、體積大、重量重、工作電壓高、應(yīng)變?yōu)樨?fù)電壓特性等缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型的特種圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)表示于圖2，它是由三個(gè)圓弧形的多層結(jié)構(gòu)的壓電堆式微位移器1和上下兩塊特種金屬環(huán)片2構(gòu)成。三個(gè)圓弧形的多層結(jié)構(gòu)的壓電堆式微位移器1以120°三等分地分布固定在上下兩金屬圓環(huán)片之間，金屬環(huán)片2起了連接三個(gè)獨(dú)立圓弧形多層結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷堆式微位移器1、從而構(gòu)成整個(gè)圓環(huán)驅(qū)動(dòng)器的作用，并通過金屬環(huán)片產(chǎn)生合一的軸向位移驅(qū)動(dòng)。金屬圓環(huán)片是由低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度的輕質(zhì)鋁合金材料制成，金屬圓環(huán)片內(nèi)外壁制有螺紋，系供連接起保護(hù)及安裝固定圓環(huán)驅(qū)動(dòng)器作用的外殼所用。
本實(shí)用新型的三個(gè)圓弧形多層結(jié)構(gòu)的壓電堆式微位移器具體組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3-1中12是構(gòu)成分立式圓弧形多層結(jié)構(gòu)的壓電微位.移器的壓電組成基片的形狀。它為規(guī)則的圓弧形，圓弧弧度為60°-90°圓弧，中心直徑與金屬環(huán)片2的中心直徑一致。首先根據(jù)最終需要制備的圓環(huán)驅(qū)動(dòng)器的直徑尺寸要求、位移量和需施加的電壓、電容量等性能參數(shù)要求以及采用的壓電陶瓷的收縮率，專門設(shè)計(jì)加工圓弧形陶瓷片干壓成型的特種鋼模，壓電陶瓷粉料干壓成型圓弧形片后，經(jīng)燒成和冷加工制成。然后如圖3-2所示被制特殊形狀要求的表面銀電極，表面電極由上下弧面電極121、122和局部邊電極123、124組成，邊電極只能占側(cè)面高度的一半以下，其中121與124、122與123分別相連接。被過電極的基片12通過強(qiáng)場極化處理，進(jìn)行性能測量和篩選后供組裝圓弧形多層結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷堆式微位移器1使用。
已極化有壓電極性的圓弧形壓電陶瓷片的連接形式如圖3-3所示；各圓弧形壓電陶瓷組成片間的連接是直接通過它們上下表面銀電極121和122的緊密接觸和借助于特種環(huán)氧樹脂的粘合而實(shí)現(xiàn)。各弧片的同極性面粘連在一起，并使它們的正負(fù)極性的邊電極分別依次地分置在弧形壓電陶瓷堆的兩側(cè)，各壓電弧片在電學(xué)上相互并聯(lián)，而它們的位移和驅(qū)動(dòng)力則得到疊加，使整壓電堆提供縱向位移模結(jié)構(gòu)。組裝是在特殊設(shè)計(jì)加工的模具內(nèi)加壓加溫條件下進(jìn)行。弧形壓電堆制得后用導(dǎo)線分別焊接左右兩組正負(fù)電極，形成整個(gè)圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電堆1的正負(fù)電極。
在分立式圓弧形多層結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷堆式微位移器的最上和最下組成片11和13系由高絕緣、高機(jī)械強(qiáng)度和低熱膨系數(shù)的特種陶瓷材料構(gòu)成，從而保證了1與2之間的電絕緣。三個(gè)分立的圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電陶瓷堆的上下圓弧表面經(jīng)處理后用特種環(huán)氧以120°均勻間隔地固定在上下特種金屬環(huán)片2之間，組裝是在特殊設(shè)計(jì)加工的模具內(nèi)加壓加溫條件下進(jìn)行。所制得的特種圓環(huán)驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)時(shí)間、溫度老化處理后，進(jìn)行位移-電場等性能測量和標(biāo)定后供應(yīng)用。
本實(shí)用新型提供的由分立的圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電陶瓷堆式構(gòu)成的特種圓環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器，由于它與以往壓電環(huán)驅(qū)動(dòng)器不同，利用了縱向模的壓電位移，它比以往同類圓環(huán)狀驅(qū)動(dòng)器具有一系列的優(yōu)點(diǎn)；體積小、重量輕、機(jī)械穩(wěn)定性好、工作電壓低、適合制備大孔徑的三點(diǎn)式控位圓環(huán)狀驅(qū)動(dòng)器，由于它的應(yīng)變具有正電壓特性，對電源匹配和應(yīng)用操作帶來了方便。本實(shí)用新型提供的特種壓電驅(qū)動(dòng)器，配以三線獨(dú)立輸出的程控驅(qū)動(dòng)電源，可容易地獲得高精度軸向準(zhǔn)直和驅(qū)動(dòng)，也可以改變軸向以一恒定角度作驅(qū)動(dòng)。它是大孔徑、高精度干涉掃描儀、多光束P-F腔等精密光學(xué)儀器設(shè)備中的關(guān)鍵部件，它們可用于精密光學(xué)部件(如大型天文望遠(yuǎn)鏡的鏡頭等)的加工制造和質(zhì)量性能檢測。若利用平移驅(qū)動(dòng)角度的改變，也可用于激光Q開關(guān)等高級光通訊技術(shù)的應(yīng)用。本實(shí)用新型提供的特種圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)也完全可應(yīng)用于由電致伸縮陶瓷制成的圓環(huán)狀驅(qū)動(dòng)器。
下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)與進(jìn)步采用了位移-電場高線性度、低蠕變的鎢青銅型結(jié)構(gòu)的PBNN壓電陶瓷(分子式為(PbBaSr)4(NaLi)2Nb10O30)制備高精度軸向驅(qū)動(dòng)的圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。PBNN的壓電常數(shù)d33為200×10-12M/V，介電常數(shù)和介電損耗分別為1100和0.5％。由三個(gè)分立的圓弧狀壓電堆式位移器構(gòu)成的圓環(huán)狀壓電驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)徑為56mm、外徑為70mm、總高度約為30mm。具體實(shí)施步驟如下(1)PBNN壓電陶瓷粉體，在特制的圓環(huán)狀的鋼模中成型，1100-1200℃燒成，制得圓弧狀壓電陶瓷基片12的尺寸為；60°弧度，Φ(中心)＝59mm、寬度＝4mm、厚度＝2mm。在每個(gè)組成基片12上被制上下面電極；121、122和左右局部邊電極123、124，(邊電極只占側(cè)面高度的一半以下)，并使121和124連通，122和123連通，(見圖3-2)。然后極化處理，極化條件為180℃、3000-4000V/mm、20-30分鐘。經(jīng)溫度和時(shí)間老化處理后作壓電、介電性能測量和嚴(yán)格篩選，供組裝圓弧狀多層壓電堆式微位移器1用。(2)圓弧狀多層壓電堆式微位移器1是由12片圓弧狀壓電基片構(gòu)成(見圖3-3)，它們的組裝是在特殊的模具中進(jìn)行。各圓弧狀壓電基片的同極性面用特種粘合劑粘接在一起，并使它們的正負(fù)極性的邊電極分別、依次地分置在弧形壓電堆的兩側(cè)，然后用導(dǎo)線引出的正負(fù)極。在圓弧形壓電堆的上下安置有高絕緣、高強(qiáng)度、低熱膨脹的特種陶瓷保護(hù)片11、13。經(jīng)對大量的圓弧狀多層壓電堆式微位移器的位移-電壓特性和介電特性的檢測和篩選，得到三只性能一致的圓弧型壓電堆微位移器1，供組裝圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。(3)將三個(gè)獨(dú)立的圓弧狀的壓電堆式微位移器1組裝圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是在特殊的模具中進(jìn)行。壓電堆用特種的環(huán)氧粘合劑，依120°三等分地粘結(jié)在兩鋁合金驅(qū)動(dòng)環(huán)2之間。經(jīng)溫度和時(shí)間老化處理后，進(jìn)行位移-電壓特性測量和標(biāo)定。
本實(shí)施例所組裝得的總圓環(huán)驅(qū)動(dòng)器的電場應(yīng)變特性與三獨(dú)立的圓弧狀壓電堆式微位移器的極為一致(見圖4、表1)，它的位移-電壓線性度優(yōu)良、滯后和蠕變小、控位精度優(yōu)于5nm，電壓位移系數(shù)為2.22×10-3μm/v，性能重復(fù)穩(wěn)定。圓環(huán)驅(qū)動(dòng)器在電場作軸向驅(qū)動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生的極微小軸向偏離，可通過三維程控電源進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，以達(dá)到高精度的軸向準(zhǔn)直/驅(qū)動(dòng)。圖4的橫坐標(biāo)為電壓，單位為伏；縱坐標(biāo)為位移，單位為微米。表1 組裝前后主要物理量的對比
權(quán)利要求1.一種高精度軸向驅(qū)動(dòng)的特種圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器包括多個(gè)陶瓷微位移器構(gòu)成，其特征在于(1)驅(qū)動(dòng)器由三個(gè)分立式圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電堆微位移器(1)和二塊特種金屬圓弧片(2)組成；(2)三個(gè)壓電微位移器(1)以120°均勻分布在兩塊特種金屬圓弧片(2)之間，兩者組成整體驅(qū)動(dòng)器，輸出合一的位移和驅(qū)動(dòng)力；(3)三個(gè)分立式圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電堆微位移器(1)中的壓電基片(12)為規(guī)則的圓弧形，圓弧弧度60°-90°，圓弧中心直徑與金屬環(huán)片(2)的中心直徑一致，壓電基片的表面電極由上下弧面電極(121)、(122)和局部邊電極(123)、(124)構(gòu)成，邊電極(123)、(124)只能占側(cè)面高度的1/2以下，上電極(121)與邊電極(124)、下電極(122)與邊電極(123)分別連接；(4)三個(gè)分立式圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電堆微位移器(1)是由已極化的圓弧形多層壓電陶瓷基片(12)通過它們在電學(xué)上的并聯(lián)，位移疊加而成，即同極性面粘連一起，正負(fù)極左右分開，使整壓電堆提供縱向位移模結(jié)構(gòu)；(5)分立式圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電堆微位移器件的最上最下組成片(11)、(13)系由高絕緣強(qiáng)度、高機(jī)械強(qiáng)度和低熱膨系數(shù)的特種陶瓷材料構(gòu)成，從而保證(1)與(2)間的電絕緣。
2.按權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的壓電微位移器(1)中的各圓弧形壓電陶瓷基片(12)間的連接是直接通過它們上下表面銀電極(121)和(122)的緊密接觸和借助于特種環(huán)氧樹脂的粘合而實(shí)現(xiàn)的。
3.按權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的壓電陶瓷基片為60°弧度，Φ(中心)＝59mm、寬度＝4mm、厚度＝2mm，圓弧狀多層壓電堆式微位移器(1)由12片圓弧狀壓電陶瓷基片構(gòu)成。
4.按權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的特種金屬圓環(huán)片是由低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度的輕質(zhì)鋁合金材料制成，內(nèi)外壁制有螺紋。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種可提供三點(diǎn)分別控制、實(shí)現(xiàn)高精度準(zhǔn)直和驅(qū)動(dòng)雙功能的特種圓環(huán)狀壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。屬壓電陶瓷微位移器領(lǐng)域。它由三個(gè)相互獨(dú)立的圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電微位移器和上下兩金屬薄圓環(huán)組成。圓弧形多層結(jié)構(gòu)壓電微位移器由無金屬片作內(nèi)電極連接的特種縱向位移摸多層結(jié)構(gòu)壓電堆構(gòu)成。該驅(qū)動(dòng)器具有體積小、重量輕、工作電壓低、準(zhǔn)直性好、單一性軸向驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诟呔却罂讖綊呙韪缮鎯x,多光束P－F腔和激光Q開關(guān)等高級光學(xué)儀器設(shè)備。
文檔編號(hào)H02N2/02GK2364622SQ98224169
公開日2000年2月16日 申請日期1998年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月1日
發(fā)明者陳大任, 張望重, 李國榮, 朱梅根 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所