具有成本效益的单晶多桩致动器及制造方法技术

本发明专利技术关于由单晶活性元件制成的压电式致动器，其不仅在轴向方向上展现出均匀且极好的位移，而且生产成本比用全单晶环状或管状致动器更低。该多桩致动器由多个纵向(d33)或横向(d31或d32)模态压电单晶活性元件制成，所述活性元件借助于成形边缘加强件以及顶部垫圈加强件及底部垫圈加强件通过环氧树脂黏结在一起，所述加强件被配置，以适应各种应用需要。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有成本效益的单晶多桩致动器及制造方法
本专利技术涉及一种具有成本效益的单晶多桩致动器(multi-stakeactuator)及制造方法。
技术介绍
纵向(d33)模态堆栈式致动器及横向(d31)模态管状或圆柱状致动器是在需要高生产力情况下所广泛使用的压电式致动器。这些致动器适合于等向性材料，诸如锆钛酸铅(Pb[Zr1-xTix]O3或PZT)压电陶瓷。为使外施电压保持低值，纵向(d33)模态致动器常常由厚度为几毫米或更小的较短圆盘状、环状或板状的节段制成，这些节段经由适合的装置黏结在一起而形成一堆栈。近年来，已广泛研究锌铌酸铅-钛酸铅(Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3或PZN-PT)、镁铌酸铅-钛酸铅(Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3，PMN-PT)及镁铌酸铅-锆钛酸铅(PMN-PZT)固溶体压电单晶以及其掺杂和/或改质的三元及四元衍生物。这些新的压电材料展现出优于PZT陶瓷的机电性质。压电单晶为异向性材料，当在不同晶向上极化和/或活化时，这些材料展现出不同的性质。例如，对[001]极化的纵向(d33)模态单晶环而言，虽然其在跨越顶面和底面的轴向上展现出相当均匀的纵向应变和声速，但其应变和声速随着不同的径向而变化。因此，短单晶环常常展现出复杂的耦合共振行为，并且可能不适合在共振模式下操作。参考美国声学学会杂志(JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica)第121卷，第2591页至第2599页(2007)，Moffett等人的题为“Single-crystalleadmagnesiumniobate-leadtitanate(PMN/PT)asabroadbandhighpowertransductionmaterial”的文章，其中公开了由9个彼此堆栈并彼此于顶部黏结的分段环制成的单晶圆柱状发射体(projector)，每一环都是由12个倾斜d33模态单晶板制成的十二边形。参考2010年5月11日至5月13日由Robinson等人于美国宾夕法尼亚州州立大学，美国海军声学换能材料及设备研讨会上发表的文章“Singlecrystalfree-floodedringtransducer”(摘要第IV.1号)[22]，其中报导了一种混合型换能器，其中使用由氧化铝制成的楔形间隔物作为黏结导件及加强件来将矩形d31模态单晶活性元件(activeelement)黏结至分段环中，接着将分段环堆栈并黏结在一起，以形成圆柱状发射体。在以上两篇所引述的文件中，所关注的致动模式为环或圆柱体的圆周振动模式或呼吸模式。横向模态(d31或d32)的单晶管状致动器也存在由于晶体异向性所引起的问题。这些致动器通常具有位于管的内表面和外表面中的电极，并且在径向方向上极化。由于单晶管的径向方向构成不同的晶向，因此在将单晶管置入径向方向上的外施电场中时，在该管的两个端面处均会产生轴向方向上的非均匀应变。这是不希望有的，因为管状致动器的整体性能由于径向节段展现出的性能比预期性能低而被折衷。单晶环及单晶管的另一主要缺点在于，其必须由一整块晶体加工而成，而该过程中涉及的材料浪费可达50％或甚至更高。这使得压电单晶原本已经很高的生产成本进一步增加。小直径单晶管的加工尤其困难，从而常常导致高的废品率。这是因为弯曲加工的表面不易于借助机械抛光予以打磨来移除加工引起的缺陷。这些裂纹若不被移除，可能会在晶体极化期间扩散。而且，即使致动器在极化过程中得以保存，裂纹仍可能在使用期间生长，从而导致设备过早故障。参考2002年IEEE超声学研讨会的会议记录第733页至第737页(2002)中，Rehrig等人的“Navaldeviceapplicationsofrelaxorpiezoelectricsinglecrystals”一文，其中报导了一种由充当马达部分的多个单晶块所驱动的水下换能器，其中未使用边缘加强件。当单晶活性元件短、厚且坚固时，该设计的效果良好，但当晶体长而薄且设备受到弯曲及扭曲(如对大多数压电式致动器的典型应用中所预期的)时，则会出现问题。因此，本专利技术的动机在于提供一种解决现有技术缺点的由单晶活性元件制成的多桩致动器。专利技术目的本专利技术的一个目的是提供一种由单晶活性元件制成的压电式致动器。本专利技术的另一目的是提供一种压电式致动器，其不仅在轴向方向上展现出均匀且极好的位移，而且生产成本比全单晶环状或管状致动器更低。本专利技术的另一目的是提供具有各种配置的多桩致动器，这些配置包括三角形、正方形、矩形、六边形、八边形及类似者。本专利技术的另一目的是提供一种制造该致动器的方法。从下面的描述，结合附图，本专利技术的这些及其他目的及优点将变得显而易见，在附图中借助于例示及举例方式公开了本专利技术的至少一个实施方案。
技术实现思路
本专利技术涉及一系列具有各种配置的多桩轴向致动器，其解决了与单晶环及单晶管的异向性特性以及其高生产成本有关的问题，同时维持设备的高轴向位移。所述致动器由具有最佳组成物的相同的单晶活性元件制成，这些单晶活性元件包括但不限于下述者的[001]极化或[011]极化单晶及其他经适合切割及极化的晶体的纵向(d33)及横向(d31或d32)板或条：具有菱面体准同型相界(rhombohedral,morphotropicphaseboundary)及相邻四边形组成物的锌铌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)、镁铌酸铅-钛酸铅(PMN-PT)和/或镁铌酸铅-锆钛酸铅(PMN-PZT)固溶体及其掺杂和/或改质的三元及四元衍生物。所述单晶活性元件与适当的成形边缘加强件兼导件黏结成期望的横截面，该横截面包括三角形、正方形、矩形、六边形、八边形以及其他奇数边及偶数边的伪环多边形设计。或者，这些晶体的内角可适当倾斜，以使得能够使用具有减小横截面的边缘加强件兼导件，以及使边缘加强件的使用成为可选的。可使用端部垫圈及中间垫圈来进一步改良设备的抗弯强度及抗扭强度以及坚固性。所述致动器的生产成本较低，因为避免在自单晶块加工成环及管的过程中的巨大材料浪费。附图说明图1示出了具有一中心孔的多桩致动器，其由多个纵向(d33)或横向(d31或d32)模态压电单晶活性元件制成。图2(现有技术)示出了纵向(d33)和横向(d31或d32)模态单晶的几何结构的示意图。图3示出了具有六边形横截面的晶体组件，其借助于边缘加强件兼导件通过环氧树脂(以粗线表示)黏结矩形晶体来制作。图4示出了具有六边形横截面的晶体组件，其借助于黏结适当倾斜的晶体来制作，这些晶体是利用环氧树脂(以粗线表示)及具有减小横截面的边缘加强件兼导件来黏结的。图5示出了使用成形中间垫圈的两节段式正方形横截面的多桩致动器。图6示出了三角形横截面的多桩致动器，其使用顶盖加强件及底盖加强件替代垫圈加强件。图7示出了两节段式多桩致动器，在其设计中具有适合的预应力机构及球形硬接触点。具体实施方式图1示出了本专利技术的优选实施方案。在此示出了具有一中心孔的多桩致动器，其由多个纵向(d33)或横向(d31或d32)模态压电单晶活性元件制成，这些活性元件借助于成形边缘加强件以及顶部垫圈及底部垫圈加强件通过环氧树脂黏结在一起。提供连接至单晶活性元件的电极面(此图及其他图中均未示出)的引线来达到致动目本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多桩致动器，其包含压电单晶活性元件，其中所述压电单晶活性元件借助于成形边缘加强件及垫圈加强件通过环氧树脂黏结，所述成形边缘加强件及垫圈加强件具有适合的设计并且具有聚合物、金属或陶瓷材料，以获得具有改良抗弯强度及抗扭强度的多桩致动器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.30 SG 201109781-3;2012.06.28 SG 201204837-1.一种多桩致动器，其包含压电单晶活性元件，其中所述压电单晶活性元件借助于成形边缘加强件及垫圈加强件通过环氧树脂黏结，所述成形边缘加强件及垫圈加强件具有适合的设计并且具有聚合物、金属或陶瓷材料，以获得具有改良抗弯强度及抗扭强度的多桩致动器。2.根据权利要求1所述的多桩致动器，其中所述多桩致动器由相同的单晶活性元件制成，所述相同的单晶活性元件选自包含具有纵向(d33)模态和/或横向(d31或d32)模态的矩形压电单晶的组。3.根据权利要求1或2所述的多桩致动器，其中所述单晶活性元件选自由以下构成的组：具有菱面体准同型相界及相邻四边形组成物的锌铌酸铅-钛酸铅(Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbTiO3或PZN-PT)、镁铌酸铅-钛酸铅(Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3，PMN-PT)及镁铌酸铅-锆钛酸铅(Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-Pb[Zr1-xTix]O3或PMN-PZT)的固溶体，及其掺杂和/或改质的三元及四元衍生物。4.根据权利要求1或2所述的多桩致动器，其中每一活性元件桩由背对背黏结或以任何适合配置黏结的多个单晶制成。5.根据前述权利要求1或2所述的多桩致动器，其中位于相邻单晶活性元件之间的所述成形边缘加强件及垫圈加强件将该多桩致动器配置成选自由以下构成的组的各种横截面：三角形、正方形、矩形、六边形、八边形及其他奇数边及偶数边的伪环多边形配置。6.根据权利要求5所述的多桩致动器，其中所述单晶活性元件的内角被倾斜，以使得该单晶活性元件能够适配于期望的配置，从而能够使用横截面减小的成形边缘加强件。7.根据权利要求1或2所述的多桩致动器，其中两个端部垫圈加强件均含有一中心孔，以使得该多桩致动器能够起环状或圆柱状致动器的作用。8.根据权利要求7所述的多桩致动器，其中两个端部垫圈加强件均为实心件且起端盖的作用，并且球形、圆柱形或其他适当形态被包含在端盖的设计中，以最小化在使用期间对所述单晶活性元件所施加的可能弯曲。9.根据权利要求1或2所述的多桩致动器，其中至少一个中间垫圈加强件与较短的单晶一起使用，以改良所得致动器的抗弯强度及抗扭强度。10.根据权利要求9所述的多桩致动器，其中任何两个垫圈加强件之间的单独活性节段具有不同的设计及配置，包括这些单晶的数目及布置、其组成物、切割片及尺寸，以用于各种应用需要。11.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏跃学，H·N·吴，DH·林，
申请(专利权)人：晶致材料科技私人有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG