宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器

摘要

宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器，属于宏微位移驱动技术领域。本发明是为了解决现有采用压电陶瓷堆叠的位移驱动装置不能兼顾大行程和高精度位移分辨率的问题。它的微压电陶瓷堆叠与宏压电陶瓷堆叠相堆叠设置，微压电陶瓷堆叠通过微压电陶瓷堆叠正电极和微压电陶瓷堆叠负电极与第一驱动电源连接，宏压电陶瓷堆叠通过宏压电陶瓷堆叠正电极和宏压电陶瓷堆叠负电极与第二驱动电源连接；通过宏压电陶瓷堆叠实现大行程要求，微压电陶瓷堆叠实现高的位移分辨率要求，合理设计宏微压电陶瓷堆叠的陶瓷片层数和最大驱动电压。本发明用于实现作动器大行程的同时，保障其高精度位移分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器，属于宏微位移驱动技术领域。

背景技术

压电陶瓷被广泛应用于传感和驱动领域，压电陶瓷堆叠是压电陶瓷最为广泛应用形式 之一。单片压电陶瓷在施加电压后产生的位移极其微小，压电陶瓷堆叠通过将许多层陶瓷 片堆叠在一起，来实现较大的位移。通常压电陶瓷堆叠的行程在几个到几十个微米之间， 为了实现这样的行程，堆叠陶瓷片的层数要达到数百层。堆叠的陶瓷片在引电极时，采用 并联连接的方式，在施加外界驱动电压时，所有的陶瓷片的驱动电压是相同的。因此，压 电陶瓷堆叠所实现位移分辨率取决于所施加的电压的分辨率和堆叠的层数。电压分辨率越 高，压电陶瓷堆叠能分辨的最小位移越小；堆叠的层数越多，所能分辨的最小位移越大。 为了保证压电陶瓷行程的需求，堆叠的层数不能太小，因此，通常通过提高电压分辨率的 方法来提高压电陶瓷堆叠的位移分辨精度。采用数字计算机控制时，电压分辨率的精度取 决于模数转换的精度和最大施加的电压，所述模数转换的精度即DA转换的位数。减小最 大施加的电压可以实现分辨更小的电压，然而也会减小压电陶瓷堆叠的行程。因此，在应 用中一般通过提高DA转换的精度及增加DA转换的位数来提高压电陶瓷堆叠的位移分辨 率。然而DA转换的位数并不能无限制提高，在提高到一定程度后，如16位DA转换， 每提高一位都会付出巨大的成本。另一方面，由于实际应用环境中噪声等影响，当最小能 分辨的电压小到一定程度时，如几个毫伏，电压的分辨精度与噪声处在同一级别，一味提 高电压分辨率而不考虑噪声并不能提高电压的精度，而噪声的抑制又相当复杂和困难。由 于上述的困难和矛盾，在压电陶瓷堆叠的应用中，不得不在行程和位移分辨精度上进行折 中。

随着微位移技术的发展，特别是医疗、生物、微电子等高新技术不断深度和推广，对 于既能实现较大位移、又能保持高精度分辨率的微位移驱动装置提出了迫切需求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有采用压电陶瓷堆叠的位移驱动装置不能兼顾大行程和高 精度位移分辨率的问题，提供了一种宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器。

本发明所述宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器，它包括微压电陶瓷堆叠、宏压电陶瓷 堆叠、微压电陶瓷堆叠正电极、宏压电陶瓷堆叠正电极、微压电陶瓷堆叠负电极和宏压电 陶瓷堆叠负电极，

微压电陶瓷堆叠与宏压电陶瓷堆叠相堆叠设置，微压电陶瓷堆叠通过微压电陶瓷堆叠 正电极和微压电陶瓷堆叠负电极与第一驱动电源连接，宏压电陶瓷堆叠通过宏压电陶瓷堆 叠正电极和宏压电陶瓷堆叠负电极与第二驱动电源连接；

微压电陶瓷堆叠的压电陶瓷片层数为n₁，第一驱动电源的最大驱动电压为V₁；微压 电陶瓷堆叠实现的行程S₁为：

S₁＝n₁d₃₃V₁；

式中d₃₃为压电陶瓷片的压电常数；

微压电陶瓷堆叠所达到的位移分辨率δ₁为：

${\delta }_1=\frac{n_1{d}_{33}{V}_1}{2^m-1},$

式中m是驱动电压的DA转换位数；

宏压电陶瓷堆叠的压电陶瓷片层数为n₂，第二驱动电源的最大驱动电压为V₂；宏压 电陶瓷堆叠实现的行程S₂为：

S₂＝n₂d₃₃V₂；

宏压电陶瓷堆叠所达到的位移分辨率δ₂为：

${\delta }_2=\frac{n_2{d}_{33}{V}_2}{2^m-1}:$

使微压电陶瓷堆叠的行程S₁与宏压电陶瓷堆叠的位移分辨率δ₂满足以下关系：

S₁≥δ₂，

即：$\frac{n_2{V}_2}{n_1{V}_1}\le 2^m-1.$

设定所述作动器的期望位移为S^d，则宏压电陶瓷堆叠的期望位移为：

式中表示向零取整；

微压电陶瓷堆叠的期望位移为：

$S_1^d=S^d-S_2^d;$

使经计算获得最大驱动电压为V₁和最大驱动电压为V₂。

所有所述压电陶瓷片的材质为压电陶瓷材料PZT-554。

本发明的优点：本发明所述宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器，能够在一般的AD转 换精度下实现超高分辨率的微位移，它的微压电陶瓷堆叠和宏压电陶瓷堆叠分别通过将数 百层陶瓷片通过粘结等工艺堆叠在一起，来实现较大的行程。由于在DA转换精度一定的 情况下，压电陶瓷堆叠作动器的位移分辨率与最大的驱动电压和堆叠的层数成反比，因此 本发明通过宏压电陶瓷堆叠实现大的行程，微压电陶瓷堆叠实现超高精度分辨率，通过对 宏微压电陶瓷堆叠的层数和最大施加电压的选择，使得宏压电陶瓷堆叠实现的最小位移不 大于微压电陶瓷堆叠的行程，从而保证了作动器的位移分辨率为微压电陶瓷堆叠的分辨 率，而整个作动器的行程为宏微压电陶瓷堆叠的行程之和，由此，即保障了作动器的大行 程，又保障了其高精度位移分辨率。

本发明解决了普通压电陶瓷堆叠在实现大行程和高的位移分辨率之间的矛盾。通过宏 压电陶瓷堆叠实现大行程要求，微压电陶瓷堆叠实现高的位移分辨率要求，合理设计宏微 压电陶瓷堆叠的陶瓷片层数和最大驱动电压。它在不增加DA转换精度要求和噪声处理难 度的条件下，同时实现了大行程和高位移分辨率，降低了压电陶瓷堆叠应用的局限性，扩 展了其应用范围，同时降低了成本。

附图说明

图1是本发明所述宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器的结构示意图；

图2是本发明所述宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器的位移输出流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述宏微位移组合压电 陶瓷堆叠作动器，它包括微压电陶瓷堆叠1、宏压电陶瓷堆叠2、微压电陶瓷堆叠正电极 3、宏压电陶瓷堆叠正电极4、微压电陶瓷堆叠负电极5和宏压电陶瓷堆叠负电极6，

微压电陶瓷堆叠1与宏压电陶瓷堆叠2相堆叠设置，微压电陶瓷堆叠1通过微压电陶 瓷堆叠正电极3和微压电陶瓷堆叠负电极5与第一驱动电源连接，宏压电陶瓷堆叠2通过 宏压电陶瓷堆叠正电极4和宏压电陶瓷堆叠负电极6与第二驱动电源连接；

微压电陶瓷堆叠1的压电陶瓷片层数为n₁，第一驱动电源的最大驱动电压为V₁；微 压电陶瓷堆叠1实现的行程S₁为：

S₁＝n₁d₃₃V₁；

式中d₃₃为压电陶瓷片的压电常数；

微压电陶瓷堆叠1所达到的位移分辨率δ₁为：

${\delta }_1=\frac{n_1{d}_{33}{V}_1}{2^m-1},$

式中m是驱动电压的DA转换位数；

宏压电陶瓷堆叠2的压电陶瓷片层数为n₂，第二驱动电源的最大驱动电压为V₂；宏 压电陶瓷堆叠2实现的行程S₂为：

S₂＝n₂d₃₃V₂；

宏压电陶瓷堆叠2所达到的位移分辨率δ₂为：

${\delta }_2=\frac{n_2{d}_{33}{V}_2}{2^m-1}:$

使微压电陶瓷堆叠1的行程S₁与宏压电陶瓷堆叠2的位移分辨率δ₂满足以下关系：

S₁≥δ₂，

即：$\frac{n_2{V}_2}{n_1{V}_1}\le 2^m-1.$

本实施方式中，根据实际的使用需要，微压电陶瓷堆叠负电极5和宏压电陶瓷堆叠负 电极6可以短接。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步 说明，设定所述作动器的期望位移为S^d，则宏压电陶瓷堆叠2的期望位移为：

式中表示向零取整；

微压电陶瓷堆叠1的期望位移为：

$S_1^d=S^d-S_2^d;$

使经计算获得最大驱动电压为V₁和最大驱动电压为V₂。

使是采用上述分配时，自然满足的条件，由此使即期望位移 不超过行程。

本实施方式中微压电陶瓷堆叠1期望位移的获得方式，满足微压电陶瓷堆叠1的 行程约束。此时，宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器的位移分辨率δ为微压电陶瓷堆叠1 的位移分辨率，即：δ＝δ₁。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或 二作进一步说明，所有所述压电陶瓷片的材质为压电陶瓷材料PZT-554。

本实施方式中，驱动电压的DA转换位数m可以取值为8，所述压电陶瓷材料PZT-554 的压电常数d₃₃＝810×10^-12m/V。

本发明的具体实施例：

取V₁＝10V，n₁＝15，计算获得S₁＝121.5nm，δ₁＝0.48nm。

V₂＝150V，n₂＝255，计算获得S₂＝30982.5nm，δ₂＝121.50nm。

计算获得作动器的总行程S为：S＝31104nm。由于S₁≥δ₂，为满足位移连续性，计算 获得宏微压电陶瓷堆叠作动器的位移分辨率δ＝δ₁＝0.48nm。

为了说明本发明的优越性，采用同样的总压电陶瓷片层数n＝270、DA转换精度m＝8 和最大驱动电压V＝150V的普通压电陶瓷堆叠作动器作为对比，其行程和位移分辨率分别 为S＝32805nm和δ＝128.65nm。对比分析可见，本发明以位移损失5.2％的代价获得了268 倍位移分辨率的提高。

参考图2，以期望位移S^d＝27551nm为例说明本发明所述宏微位移组合压电陶瓷堆叠作 动器的工作方式。

根据期望位移的公式，计算获得进而计算获得再根据上 述期望位移，分别计算获得最大驱动电压V₁和最大驱动电压V₂。驱动电压的计算取决于位 移控制算法，可以根据理论公式或者通过实验拟合的曲线或公式获得。计算获得的驱动电 压经过DA转换变成模拟信号分别施加在对应的驱动电压通道上，经过功率放大后施加到 微压电陶瓷堆叠1和宏压电陶瓷堆叠2上，从而驱动宏微位移组合压电陶瓷堆叠作动器实 现期望的位移。