專利名稱：大變形壓電陶瓷器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及壓電陶瓷器件，尤其涉及大變形壓電陶瓷器件。
壓電陶瓷器件具有尺寸小，線性好，可控制，全固化的特點。但是常規(guī)壓電陶瓷制成的器件變形量都很小，因此它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。一般用壓電陶瓷制成的偏轉(zhuǎn)器擺角在θ＝10～30°左右，制成的位移器位移量為微米級(并且在外觀尺寸上，普通壓電陶瓷器件也偏大，例如常規(guī)PZT器件，當(dāng)位移量為1微米時，其尺寸大致為20×20×50mm)。
為了實現(xiàn)大位移，通常有以下幾個方法1.采用多個壓電器件構(gòu)成疊堆利用壓電陶瓷的縱向效應(yīng)產(chǎn)生變形，將各片壓電元件的變形量串聯(lián)疊加以獲得較大的位移量。在工作電壓的作用下，工作電場方向平行于極化方向，各片陶瓷的變形方向相同。
壓電疊堆端面的總位移量為x＝N·d33·VN為壓電疊堆壓電單元器件的個數(shù)d33為壓電材料的壓電常數(shù)V為壓電疊堆的工作電壓用該種方案可獲得的位移量最大可達20～30um2.采用位移放大機構(gòu)將壓電變形形成的位移放大后輸出，因為用第一種方案可獲得的位移量仍是較小的，所以進一步采用杠桿等放大機構(gòu)，將位移放大后輸出，可以獲得更大的位移量。
本實用新型的目的是提供一種尺寸小、大擺角、大位移量的大變形壓電陶瓷器件為了達到上述目的，本實用新型采取下列措施。它具有壓電陶瓷雙晶片，壓電陶瓷雙晶片具有正變形壓電陶片1和負變形壓電陶瓷片2，各壓電陶瓷雙晶片在輸出端與相鄰的壓電陶瓷雙晶片經(jīng)墊片3剛性聯(lián)接，組成壓電陶瓷雙晶疊堆，相鄰兩壓電陶瓷雙晶片的變形方向相反。
本實用新型的優(yōu)點是1.變形動態(tài)范圍大不同于傳統(tǒng)的壓電變形器件，它可在一定頻率內(nèi)以任意波形工作，變形幅度可達1毫米以上，變形角可達8°(20℃)2.體積小，重量輕。
3.工作溫度范圍大該器件的工作溫度范圍為60～-200℃無復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，工作時靠PZT材料變形產(chǎn)生線位移和角位移，不存在相對滑動或相對滾動的運動付，不存在摩擦、潤滑、間隙等傳統(tǒng)光機掃描固有的缺陷；這些缺陷使其不能在低溫下使用。因為壓電材料的壓電性在低溫下依然存在，故在低溫下仍可正常工作，這是該器件最大的特色。
4.精度及重復(fù)性好因為該器件結(jié)構(gòu)中無相對滑動運動付，掃描運動是逆壓電變形和彈性變形共同作用的結(jié)果，工作過程是一彈性變形的過程，不存在摩擦、間隙等問題，不會出現(xiàn)機械掃描中出現(xiàn)的摩損、晃動等情況，因而可以達到較高的精度和重復(fù)性。
5.響應(yīng)快PZT材料在工作電場建立后即可發(fā)生變形，其響應(yīng)時間極快，從電場建立到壓電材料產(chǎn)生變形所需時間為10-9秒量級。
6.功耗小PZT變形過程通?？梢暈榻^熱過程，尤其于低頻工作時自身損耗小，發(fā)熱很小。該器件工作過程相當(dāng)于電容器的充放電過程，其功率損耗主要是材料的介質(zhì)損耗(主要原因是介質(zhì)漏導(dǎo)因素)引起的，一般介質(zhì)損耗為2～0.5％。
7.效率高該器件工作時施加一個電壓對應(yīng)產(chǎn)生一個偏轉(zhuǎn)角。PZT材料的電阻率很高而介電常數(shù)大，該器件可視為一個電容性器件，當(dāng)該器件轉(zhuǎn)到一個角度，維持該位置所需的功率很低。
8.驅(qū)動力大該器件能承擔(dān)較大的負載，可推動約1公斤重的反射鏡工作9.該器件產(chǎn)生的電磁干擾小因為壓電陶瓷是以電場作用工作的，而電場限制于器件的內(nèi)部，因此對外界的干擾小。
以下結(jié)合附圖作詳細說明

圖1是大變形壓電陶瓷器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是大變形壓電陶瓷器件縱向變形原理示意圖；圖3是單組大變形壓電陶瓷器件形成的PZTA結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是差動大變形壓電陶瓷器件形成的PZTA結(jié)構(gòu)示意圖；大變形壓電陶瓷器件的壓電陶瓷片厚度為0.2～8mm，通常為0.4～0.8mm，長度為4～60mm，通常為10～30mm。壓電陶瓷采用鋯鈦酸鉛(PZT)系壓電陶瓷，正變形壓電陶瓷片與負變形壓電陶瓷片采用DW-1低溫膠粘接或采用壓電陶瓷燒結(jié)聯(lián)結(jié)。各陶瓷雙晶片剛性聯(lián)接所用的墊片采用鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，鋁，銅材料。
本實用新型的工作原理如下大變形壓電陶瓷器件為壓電陶瓷雙晶片疊堆結(jié)構(gòu)，各壓電陶瓷雙晶片產(chǎn)生的角變形串聯(lián)迭加，同時也將各片的位移迭加，各陶瓷雙晶片在輸出端點與相鄰的雙晶片剛性聯(lián)結(jié)，相鄰兩個陶瓷壓電雙晶片的變形方向相反，這樣陶瓷雙晶片之間的角位移移相合疊加，最終在疊堆的輸出端獲得較大的角位移和線位移輸出。
圖2示出了各陶瓷雙晶片的變形方向，設(shè)共有n層壓電陶瓷雙晶片構(gòu)成的疊堆，a、b、c、d…等各結(jié)點的聯(lián)接是剛性聯(lián)接。在結(jié)點處相鄰兩雙晶片的位移，角位移相等。
以下計算壓電雙晶疊堆中每端點的縱向位移及偏轉(zhuǎn)角位移設(shè)壓電雙晶疊堆的第一個雙晶片的自由端點和基座相聯(lián)固定，壓電雙晶疊堆的最后一片雙晶片的自由端為輸出端。構(gòu)成雙晶疊堆的雙晶片的變形長度為L，厚度為t，壓電常數(shù)d31電壓V。
單片雙晶片產(chǎn)生的位移和角位移為Zo＝3/2·d31·V·L2/t2θo＝3·d31·V·L/t2a點的線位移Za＝3/2·d31·V·L2/t2＝Zo角位移θa＝3·d31·V·L/t2＝θob點的位移不僅包含本片的變形，還包括a接點的傾角對b點的位移貢獻。b點的角位移為本片變形引起的角位移和a點的角位移之和Zb＝Za-Zo-θo·L＝-2Zoθb＝θa+θo＝2θo同理可得，c點的位移和角位移為Zo＝Zb+Zo+θb·L＝3Zoθc＝θb+θo＝3θo依次類推其它各結(jié)點的位移值和角位稱值，對于由n層壓電雙晶構(gòu)成的疊堆，在輸出端的位移量和角位移量為Zn＝(-1)n+1·n·Zoθn＝n·θo+壓電雙晶疊堆在加電壓變形時，在其輸出端面既可輸出角位移又可輸出線位移。因壓電雙晶疊堆的結(jié)構(gòu)可使其中的各壓電雙晶逆壓電變形產(chǎn)生的角位移相互疊加，最終在疊堆的輸出端面可以獲得較大的角位移和線位移。利用壓電雙晶疊堆的這一性質(zhì)，可實現(xiàn)較大掃描幅度的壓電角掃描。以壓電雙晶疊堆為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，我們設(shè)計、試驗了兩種結(jié)構(gòu)形式的PZTSA掃描器。這兩種結(jié)構(gòu)形式的PZTA掃描器分別采用一組和二組壓電雙晶疊堆作為變形器件，其掃描運動的形成分別是直接利用壓電雙晶疊堆的角變形形成掃描及利用壓電雙晶疊堆的端面位移，由兩組壓電雙晶疊堆差動運動而形成掃描。以下分別介紹兩種形式的PZTA(大變形壓電器件)掃描器的結(jié)構(gòu)。
1.單壓電雙晶疊堆形式的PZTA掃描器該種結(jié)構(gòu)形式的PZTA掃描器是直接利用壓電雙晶疊堆6在工作電壓作用下產(chǎn)生的角變形，帶動掃描反射鏡4轉(zhuǎn)動形成掃描，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
這種形式的PZTA掃描器采用一個壓電雙晶疊堆，壓電雙晶疊堆的下端面和基座固定在一起，掃描反射鏡經(jīng)過一聯(lián)接板5和壓電雙晶疊堆的輸出端面相聯(lián)接，其聯(lián)接為剛性聯(lián)接。聯(lián)接板5的作用是隔離壓電雙晶疊堆和掃描反射鏡的冷變形，使兩者在低溫下的冷變形差異不致引起掃描反射鏡反射面的面形變化。
當(dāng)壓電雙晶疊堆加電工作時，壓電雙晶疊堆的輸出端面發(fā)生角偏轉(zhuǎn)，通過過渡板，帶動掃描反射鏡轉(zhuǎn)過相同的角度。改變壓電雙晶疊堆上的驅(qū)動電壓，掃描反射鏡的轉(zhuǎn)角隨之改變，這樣即可形成掃描運動。
這種結(jié)構(gòu)的PZTA掃描器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工作可靠性好；該結(jié)構(gòu)在低溫下工作較為有利該種結(jié)構(gòu)的PZTA掃描器掃描反射鏡的擺角形成完全是壓電雙晶疊堆的逆壓電變形產(chǎn)生的，而壓電材料的壓電性在低溫下仍將維持，則此結(jié)構(gòu)的PZTA在低溫下仍可工作，且掃描結(jié)構(gòu)中無任何具有相對滑動、相對滾動的運動付和傳動機構(gòu)，這就避免了傳統(tǒng)光機掃描在低溫應(yīng)用中的固有缺陷，不會因在低溫下運動付的失效而使掃描失效，實驗證明該種結(jié)構(gòu)的PZTA掃描器在低溫(77°K)的環(huán)境中可以可靠地工作。
2.差動壓電雙晶疊堆形式的PZTA掃描器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示，掃描反射鏡通過鏡架固定在轉(zhuǎn)動軸7動端上，轉(zhuǎn)動軸靜端固定在支架上，掃描反射鏡4的反射面和轉(zhuǎn)動軸線重合。該種形式的PZTA掃描器中采用兩組相同結(jié)構(gòu)的壓電雙晶疊堆6，壓電雙晶疊堆向上與連軸器8相連，向下通過聯(lián)接板5與底座相連。在工作時，兩壓電雙晶疊堆施加相反極性的工作電壓，兩壓電雙晶疊堆的變形相反，兩者輸出端面的位移大小相等，方向相反，形成差動運動用彈性聯(lián)接器將兩壓電雙晶疊堆輸出端的差動位移傳至鏡架，使鏡架擺動，帶動反射鏡偏轉(zhuǎn) 掃描反射鏡的偏轉(zhuǎn)角和壓電雙晶疊堆的差動位移大小有關(guān)，驅(qū)動電壓變化使壓電雙晶疊堆的差動位移發(fā)生變化，掃描反射鏡的偏轉(zhuǎn)角隨之改變，這樣變可形成掃描。
PZTA是一種新型的電-機轉(zhuǎn)換的主動器件，它兼有高靈敏度和大量程的特點，且具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)一體化、不存在相對滑動和滾動的運動付、可靠性好、效率高、可控性好等優(yōu)點，它具有廣闊的應(yīng)用前景，可在光掃描精密定位、微位移器、光路調(diào)制控制、自動控制先等領(lǐng)域得以應(yīng)用。
(1)光掃描器同傳統(tǒng)的壓電變形器件相比，它的掃描范圍大、靈敏度高。作為常規(guī)掃描器，PZTA光掃描具有體積小、功耗低、可控性好、精高高等優(yōu)點，無相對滑動的部件，不存在磨擦、磨損、空隙等問題，并可利用改變工作波形的方法實現(xiàn)任意波形的掃描。目前，已在我國資源衛(wèi)星像補償掃描器上采用，進行試驗。
(2)精密定位PZTA可以實現(xiàn)較大的位移，作其相關(guān)原理可以制成壓電導(dǎo)軌，其位移可由驅(qū)動電壓決定，電壓和位移的關(guān)系是相應(yīng)的，具有較好的可控性，較易實現(xiàn)計算機的編程控制，這在微位移、高精度定位等方面將得以應(yīng)用。
(3)低溫工作臺因為PZTA在低溫下仍可正常工作，用其相關(guān)的原理實現(xiàn)低溫下的位移和角度偏轉(zhuǎn)，制成低溫工作臺，這使得低溫下光路的可控調(diào)整得以實現(xiàn)，這在低溫光學(xué)測試系統(tǒng)中是很重要的。
(4)光路的調(diào)整因為壓電雙晶疊堆可實現(xiàn)較大的位移量和角偏轉(zhuǎn)，因此它可以做為主動件用于光路中，可用它進行光學(xué)系統(tǒng)光軸調(diào)整、調(diào)焦、補償?shù)裙δ堋?br> (5)自適應(yīng)光學(xué)PZTA可實現(xiàn)可控的位移和角偏擺，因此用它可構(gòu)成可控光陣列，由計算機控制，實現(xiàn)系統(tǒng)光參量的自適應(yīng)變化。
(6)控制利用PZTA的可控性，可以用它制成控制執(zhí)行器，用于自動控制系統(tǒng)中。
權(quán)利要求1.一種大變形壓電陶瓷器件，其特征在于它具有壓電陶瓷雙晶片，壓電陶瓷雙晶片具有正變形壓電陶瓷片[1]和負壓電陶瓷片[2]，各壓電陶瓷雙晶片在輸出端與相鄰的壓電陶瓷雙晶片經(jīng)墊片[3]剛性聯(lián)接，組成壓電陶瓷雙晶疊堆，相鄰兩壓電陶瓷雙晶片的變形方向相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大變形壓電陶瓷器件，其特征在于所說的壓電陶瓷片厚度為0.2～8mm，長度為4～60mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種大變形壓電陶瓷器件，其特征在于所說的壓電陶瓷片厚度為0.2～0.8mm，長度為10～30mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種大變形壓電陶瓷器件，其特征在于所說的壓電陶瓷采用鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種大變形壓電陶瓷器件，其特征在于所說的墊片采用鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種大變形壓電陶瓷器件，其特征在于所說的墊片采用鋁或銅材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種大變形壓電陶瓷器件，其特征在于所說的正變形壓電陶瓷片與負變形壓電陶瓷片采用DW-1低溫膠粘接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的種大變形壓電陶瓷器件，其特征在于所說的正變形壓電陶瓷片與負變形壓電陶瓷片采用壓電陶瓷燒結(jié)聯(lián)結(jié)。
專利摘要本實用新型公開了一種大變形壓電陶瓷器件，它具有壓電陶瓷雙晶片，壓電陶瓷雙晶片具有正變形壓電陶瓷片和負壓電陶瓷片，各壓電陶瓷雙晶片在輸出端與相鄰的壓電陶瓷雙晶片經(jīng)墊片剛性聯(lián)接，組成壓電陶瓷雙晶疊堆，相鄰兩壓電陶瓷雙晶片的變形方向相反。本實用新型的優(yōu)點是變形動態(tài)范圍大，變形幅度可達1mm以上，變形角可達8°(20℃)，體積小重量輕，工作溫度范圍大，精度及重復(fù)性好。
文檔編號H01L41/08GK2265595SQ9521999
公開日1997年10月22日 申請日期1995年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月23日
發(fā)明者劉承, 楊國光, 舒曉武, 朱成武 申請人:浙江大學(xué)