一种新型压电执行器的制作方法

1.本发明属于阀门技术领域，具体涉及一种新型螺线型压电执行器。


背景技术：

2.利用压电材料的逆压电效应，用于机械设备的动力源，具有输出力大，抗电磁干扰能力强，功耗低、寿命长、反应快、精度高、容易控制、质量小等优点，由其所构造的电气转换单元结构简单，因此颇受研究人员的青睐。
3.然而压电执行器的输出位移极小，其应变只有0.1％，即使采用压电堆叠机构，其最大输出位移也只有几十微米，远达不到广泛应用要求，仅能用于临床医学、微机电制造等特殊领域。
4.针对压电材料自身特性限制，压电执行器的输出位移必须设计相应的微位移放大设施。根据国内外已有的相关研究，按照压电执行器的工作原理，主要有直推(直接推动)式和步进式(压电电机)两种。
5.直推式放大机构可分为铰链式(杠杆放大、三角放大及桥式)、液压式和压电晶片3大类，其理论上位移分辨率可无限小，特别适合高速高精度位移控制等场合，但工作行程却只有几微米或几十微米(增益约10倍)，一旦增大放大倍数，则占用空间陡增，频响降低，大大降低系统整体精度；输出位移达毫米级的紧凑型放大机构还未见报道。
6.步进式无需专门的机构，理论上工作行程无限，但其结构复杂，驱动、测试、控制要求均高，目前还处于实验室探索阶段，很少应用。
7.综上所述，尽管国内外学者已对压电执行器进行了长期的探索和研究，并取得了卓有成效的成果，但微位移放大设施仍是压电执行器研究的一个难点，并已成为制约压电执行器实际应用的瓶颈问题之一。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，本发明旨在提供一种新型压电执行器，相比直推式放大机构和步进式放大机构，可在较小的空间内实现大位移的输出，特别是可应用在阀门中，作为阀杆位移的动力源，进一步，还可以推广应用到驱动装置中输出位移或转角。
9.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
10.一种新型压电执行器，包括，
11.压电双晶片，多块所述压电双晶片沿着一条平面等距螺线间隔排列；多块压电双晶片的规格可以完全相同，也可以不完全相同，相邻压电双晶片之间的间隔可以相等(均匀排列)，也可以不相等(不均匀排列)，通常，考虑到便于制作和计算，一般选择多块压电双晶片的规格相同，且多块压电双晶片等间隔排列在平面等距螺线上；
12.固封区，所述固封区位于等距螺线上相邻两块压电双晶片的间隔内，固封区包括导电片和大倔强系数的固封材料，导电片为压电双晶片的公共电极，固封材料包裹在导电片的表面。
13.进一步，多块所述压电双晶片的规格一致，且多块所述压电双晶片的电极并联，通电后的变形方向及变形量皆相同。
14.作为一种选择，
15.位于所述等距螺线的螺线头部的压电双晶片作为固定端保持位置不变；
16.位于所述等距螺线的螺线末端的压电双晶片作为位移输出端产生位移。
17.作为另一种选择，
18.位于所述等距螺线的螺线末端的压电双晶片作为固定端保持位置不变；
19.位于所述等距螺线的螺线头部的压电双晶片与转轴连接作为转角输出端。
20.作为一种选择，所述固封材料为陶瓷或水泥。
21.一种阀门，包括阀芯、阀杆和阀口，还包括前述的新型压电执行器，其中，
22.所述阀杆的第一端与位于螺线末端且作为位移输出端的压电双晶片相连，阀杆的第二端与阀芯连接；
23.压电双晶片通电前、后，由位移输出端带动阀杆、阀芯一同运动并开启或封堵阀口。
24.进一步，所述阀芯和阀杆为一体结构。
25.进一步，所述阀杆通过铰链与位移输出端连接。
26.进一步，阀门还包括，
27.固定轴套，所述固定轴套上有一个贯穿孔，所述阀杆滑动连接在贯穿孔中。
28.一种驱动装置，包括前述的新型压电执行器，其中，
29.多个新型压电执行器级联组合后，成倍输出位移；
30.或者，多个新型压电执行器级联组合后，成倍输出转角。
31.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
32.(1)本发明在有限的空间内，实现了压电执行器的位移、转角放大；
33.(2)本发明为压电晶体的逆压电效应在电动领域进行广泛应用提供了可能；
34.(3)作为一种应用，本发明的压电位移执行器可以应用到阀门结构中，作为驱动阀杆运动的动力源；
35.(4)本发明中的压电执行器可根据实际需求调整，例如当等距螺线的螺旋头部作为固定端时，等距螺线的螺线末端作为位移输出端，当等距螺线的螺线末端作为固定端时，等距螺线的螺线头部作为转角或转矩输出端，从而满足不同场合的需求；
36.(5)压电晶片是电容性负载，电容放电即可复位，由驱动电路控制，断电的同时也是容性负载放电的开始，整个压电执行器除了对外的功率输出部位，没有机械摩擦，这是螺线结构决定的。压电晶片的内应力仅受工作电压控制，晶片变形由内应力驱动；
37.(6)压电晶片的变形仅受电压大小的控制，电压的正负决定变形方向，由于单个压电晶片的变形很小，所以需将多个压电晶片的变形进行累加，而等距螺线结构便可达到这一目的，即在保障压电晶片正常工作状态下，本发明只需占据较小的空间，便可以实现大位移输出，从而达到实际使用要求；
38.(7)采用多个新型压电执行器级联后可构成加倍位移或加倍转角输出的驱动装置。
附图说明
39.图1为本发明中压电执行器应用到压电式大流量高速开关阀门的原理示意图；
40.图2为本发明中压电执行器通电前、后的状态示意图，图中实线为通电前，虚线为通电后；
41.图中，1-螺线头部；2-压电双晶片；3-固封区；4-阀口；5-阀芯；6-固定轴套；7-阀杆；8-铰链；9-螺线末端。
具体实施方式
42.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
43.本发明的主要构思为：将多个并型压电双晶片2通过导电片连接后形成一条平面等距螺线形状，也称阿基米德螺线。并行是指压电双晶片2的一种成熟构造，与串行相对应。同样的变形，并行双晶片的电压为串行双晶片电压的一半，但电容也相应增大一半。并行与串行视具体需要而做出选择。多块压电双晶片2的电极全部并联，全部压电双晶片2同时通、断电，弯曲变形方向受单一电压正、负控制，所有压电双晶片2皆朝同一个方向变形。为了使所有压电双晶片2通电变形时始终处于自由变形状态并保证分布均匀性，等距螺线是最好的分布形状。
44.导电片即金属片电极，用于连接相邻的两块并型压电双晶片2。由于单独的一块压电双晶片2只能为平直形状，想要排列成等距螺线形状，必须通过多块压电双晶片2进行组合排列；导电片可进行弯折，相邻的压电双晶片2之间通过弯折导电片，实现与等距螺线形状的匹配。然后对导电片进行固封，即在弯折的导电片上涂覆高倔强系数的固封材料，尽量消除导电片的弹性形变，目的是使布满压电双晶片2的等距螺线状压电执行器尽量不发生弹性变形，而是随着控制电压的变化发生变形。固封区材料的倔强系数越大越好，主要考虑实际制作中的方便性。
45.其中，当压电执行器用于位移输出时，螺线头部1(即螺线中心处)为固定轴(即固定端，实际上设计为可调整端，用于调整螺线头部1的位置)，螺线末端9(即螺线尾部)为位移输出端。相邻的两块压电双晶片2之间的导电片采用大倔强系数材料进行固定，形成固封区，固封材料如陶瓷、水泥等。压电晶片本身就是大倔强系数材料，无需处理。如此，通电后，各个压电双晶片2的位移，将在等距螺线上进行叠加，形成螺线末端9的位移输出。如图1，螺线末端9从p点运动至a点，推动阀杆7向下运动，从而关闭阀门4。在占用较小的空间尺度下，实现了众多压电双晶片2微位移的一次性、大尺度放大。
46.进一步，这种螺线型的压电执行器还可以进行级联而进一步增大输出位移(当以螺线头部1为输出端时，输出量为转角)，且不影响力矩输出。级联是指两个或以上的相同装置(对应本发明中的压电执行器)，可简单地整合为一个驱动装置，其既可以整合为加倍的位移输出，也可以整合为加倍的力输出。在实际应用中，可根据需求，直接在装置内部进行整合，使结构更紧凑，这为压电晶体的逆压电效应在电动领域进行广泛应用提供了可能。
47.如图1所示，作为本发明在大流量高速开关阀门中的应用。
48.图1中，新型压电执行器由若干并型压电双晶片2连接而成的。具体方式为通过导
电片串联各个压电双晶片2，并制成等距螺线型。螺线中心处(对应螺线头部1)为固定端。相邻压电双晶片2之间的导电片采用大倔强系数材料固封形成固封区3。螺线末端9为位移输出端，位移输出端通过铰链8与阀杆7的一端相连接，阀杆7与阀芯5为一体结构。阀杆7滑动插接在固定轴套6的贯穿通孔中，当阀杆7移动时，由固定轴套6限位。未通电时，螺线末端9对应的位移输出端位于p点，阀芯5与阀口4未接触，阀门呈开启状态。通电后，每个并型压电双晶片2均产生弯曲，使螺线末端9从p点运动至a点，从而推动阀杆7，使阀芯5与4阀口接触，阀门关闭。通过这种螺线型压电执行器，可以在较小的空间下，实现了众多压电晶片的微位移叠加，从而得到较大尺度的一次性放大。如图2所示，为压电执行器通电前、后的状态，图2中实线为通电前状态，虚线为通电后状态。