一种多层陶瓷共烧压电驱动器、压电马达及其制备方法

摘要

本发明公开了一种多层陶瓷共烧压电驱动器、压电马达及其制备方法。本发明基于超材料基元序构思想设计了由(2×2)矩阵序构致动基元构成的矩形压电驱动器，每个致动基元均为头对头厚度极化、电学上并联的厚度型多层压电陶瓷。对一个对角线上的两个致动基元施加驱动电场，或者对两个对角线上的致动基元施加反平行驱动电场，不对称应变效应使压电驱动器产生一个平面内d34准切变模态非谐振倾斜驻波振动，通过摩擦耦合将该振动转化为滑动组件的水平线性运动，获得纳米步进压电马达。该压电驱动器采用多层陶瓷共烧工艺制备，体积小，结构简单，可以在较宽的非谐振频率下工作，受环境温度变化影响小，在精密驱动与定位领域有很广阔的应用前景。

权利要求

1.一种压电驱动器，为多层陶瓷共烧压电驱动器，其特征在于，所述压电驱动器为矩形结构，由（2×2）矩阵序构的四个致动基元构成；每个致动基元均为厚度型多层压电陶瓷片叠层结构，每个致动基元中各陶瓷片叠层采用厚度方向头对头交替极化方式，电学上为并联连接，每层陶瓷片的极化电极同时也是其驱动电压的施加电极；四个致动基元中位于上层的两个致动基元按从左到右的顺序依次编号为1‑A11、1‑A12，位于下层的两个致动基元按从左到右的顺序依次编号为1‑A21和1‑A22，若致动基元1‑A11、1‑A22的驱动电场方向与致动基元1‑A12、1‑A21的驱动电场方向反平行，在压电陶瓷片的d33纵应变效应和d31横应变效应协同作用下，该矩形压电驱动器将沿对角线i‑i方向伸长或缩短，同时沿另一个对角线ii‑ii方向缩短或伸长；或者，驱动电场只施加在一个对角线上的两个致动基元上，也将造成该压电驱动器沿对角线的不对称应变；两对角线上不对称应变效应激发压电驱动器产生面内d34准切变模态振动；所述压电驱动器的固定面在xy面，既可产生横向切向位移δy，也能产生竖直方向位移δz。

2.一种压电马达，为d34准切变模态非谐振式纳米步进压电马达，包括权利要求1所述的压电驱动器和固定基板、摩擦头和摩擦片，其中所述压电驱动器的底面固定在固定基板上，摩擦头固定在压电驱动器的上表面，摩擦头和摩擦片弹性接触；所述压电驱动器带动摩擦头产生倾斜的、方向可控的周期性非谐振动和位移输出，摩擦头再通过摩擦力的作用推动与之摩擦接触的摩擦片移动，从而使与摩擦片粘接的部件沿导轨产生直线运动。

3.如权利要求2所述的压电马达，其特征在于，所述压电马达包括权利要求1所述的压电驱动器、摩擦头、固定组件、滑动组件和预紧力组件，其中，所述固定组件包括固定基板和基座，所述滑动组件包括摩擦片、滑块和导轨；所述压电驱动器底面粘接在固定基板上，摩擦头粘接在压电驱动器上表面；摩擦片粘接在滑块上，滑块可沿导轨滑动；预紧力组件将固定基板与基座连接，同时，在预紧力组件提供的预紧力作用下所述摩擦头与摩擦片弹性接触。

4.如权利要求2所述的压电马达，其特征在于，所述摩擦头为圆柱状、球形或梯形结构；

所述摩擦头位于所述压电驱动器上表面的中部区域和/或两端区域，一个或多个摩擦头与所述摩擦片有一个或多个接触区域。

5.如权利要求2所述的压电马达，其特征在于，所述压电驱动器的上表面与一薄板固定连接，一个或多个摩擦头固定于该薄板上。

6.权利要求1所述压电驱动器的制备方法，利用流延制片、印刷电极、叠片的方法将印刷有电极图案的陶瓷片有序排列，然后利用低温共烧法将它们烧结在一起，获得多层陶瓷结构的所述压电驱动器。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）通过流延法制备压电陶瓷厚膜，烘干后切割成特定大小的矩形素坯薄片；

2）在一些素坯薄片的上表面分别印刷预先设计好的两种图案的内电极1‑E1和1‑E2，然后在一片上表面印制内电极1‑E1的素坯薄片下叠加若干空白素坯薄片组成素坯陶瓷片1‑P1，在一片上表面印制内电极1‑E2的素坯薄片下叠加若干空白素坯薄片组成素坯陶瓷片1‑P2；

3）将若干层空白素坯薄片直接堆叠构成绝缘层1‑I1，然后按照从上到下为1‑I1、1‑P1、

1‑P2、1‑P1、1‑P2、……、1‑P2、1‑P1的顺序沿厚度方向依次堆叠，再利用热压方法将其压在一起，其后进行排胶、高温烧结，形成含内电极的独石化多层陶瓷；

4）将所述独石化多层陶瓷进行切割，然后根据预先设计好的结构在外表面制备外电极，并与相应致动基元的内电极分别连接；

5）进行电极化，得到d34准切变模态多层共烧的所述压电驱动器。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，使用丝网印刷法印刷内电极，内电极1‑E1和1‑E2的图案根据预先设计的致动基元序构进行设计。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述内电极1‑E1为一整体形状的电极区域，在素坯薄片的三侧边缘留出空白区域；1‑E2为沿中线划分为两等份的两个电极区域，在素坯薄片的一侧边缘留出空白区域；在步骤3）进行堆叠时，内电极1‑E1和1‑E2在素坯薄片边缘处留出的空白区域不重叠。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤4）中，在切割后的独石化多层陶瓷的侧面制备5个外电极1‑E3~1‑E7，其中：外电极1‑E7制备在矩形结构独石化多层陶瓷的一个侧面上，使所述内电极1‑E1并接在一起；外电极1‑E3~1‑E6制备在矩形结构独石化多层陶瓷另三个侧面上，分别与四个致动基元中包含的内电极1‑E2并接在一起。

说明书

一种多层陶瓷共烧压电驱动器、压电马达及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及精密驱动与定位技术，具体涉及一种基于超材料多致动基元序构思想设计的d34准切变模态可多层共烧驱动器及其共烧制备方法，以及一种工作在d34准切变模
态、非谐振式纳米步进压电马达，该压电马达在宽范围具有纳米尺度精密驱动与定位功能。

背景技术

[0002] 压电马达是一种能够利用逆压电效应，将电能转换为机械能的精密驱动和执行器件。由于压电马达本身具有的结构紧凑、无电磁辐射、定位精度高、无噪声等优点，其在高精
制造业、微机电系统开发、光通讯、光学系统定位、生物医学操作等领域中扮演着越来越重
要的角色。随着国家对这些高精尖技术的重视与发展，对压电马达的分辨率及设计方法提
出了越来越高的要求。

[0003] 根据工作模态的不同，可以将压电马达分为谐振式压电马达和非谐振式压电马达。由于谐振式压电马达工作在其谐振频率下，但压电材料本身对环境温度变化、负载都很
敏感，其谐振频率很容易受环境影响而产生漂移，因此造成马达工作性能不稳定。同时，谐
振式压电马达的位移分辨率往往较低，很难满足较高定位精度的要求。因此，非谐振式压电
步进马达因其工作频带较宽、对环境温度变化不敏感，且步进位移分辨率高，在精密驱动与
定位中发挥着越来越重要的作用。

[0004] 非谐振式压电步进马达主要包括惯性马达、蠕动马达。惯性马达是通过压电体的快、慢伸缩调控一对摩擦副之间的摩擦力，或者利用压电体的快、慢伸缩产生不同的惯性力
来产生步进运动的。例如，当压电体驱动一个与之摩擦接触的物体时，被驱动物体在压电体
缓慢伸长和快速收缩时产生的位移是不同的。惯性马达正是利用这个位移差来产生步进运
动，但是其步进过程都具有“回拖”行为，磨损情况也比较严重。蠕动马达仿照尺蠖虫的运动
方式，可以实现长行程小步距运动，但是其结构复杂、体积大、加工困难，至少需要三路独立
的压电致动元件来实现抱紧、松开、伸缩等步骤。作为非谐振压电马达的基本致动(驱动)元
件，多层压电致动器是使器件小型化、易集成的有效手段，可以解决器件尺寸大、结构复杂
的问题；同时其低驱动电压、多功能化的优点也更适合在精密控制等领域里广泛应用。除了
目前普遍使用的压电d33纵向应变多层致动器，可以产生横向位移的切变型多层结构压电致
动器也是压电马达所需要的另一个基本致动元件。但对于传统的d15模态切变型多层致动器
来说，由于各压电陶瓷层(片)的极化方向与驱动电场方向互为垂直，多层致动器的制备只
能采取粘接法，这种方法不仅制备效率低，还因环氧树脂的低刚度特性易造成界面位移损
失；另外，因为施加的电场方向与各压电陶瓷片的极化方向垂直，在高电场也易造成电畴翻
转而失效。

发明内容

[0005] 为解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种基于超材料基元矩阵序构思想，设计了由(2×2)矩阵序构压电致动基元构成的可共烧多层压电陶瓷，以及利用(2×2)矩阵
压电致动基元的序构协同作用产生所需要的d34准切变模态的方法；本发明同时也提供了
d34准切变模态多层陶瓷共烧驱动器及其制备方法。本发明提出的基于致动基元矩阵序构的
矩形结构多层陶瓷结构，因其各层压电陶瓷片的极化方向与电场施加方向一致，故可以通
过一般的流延制片、印刷电极、叠片共烧等成熟工艺方法进行制备，从而解决传统d15切变模
态多层致动器(或驱动器)只能采取陶瓷片与金属电极薄片交替粘接(环氧树脂)法进行制
备的技术瓶颈，减少粘接界面存在的位移损失、蠕变以及回滞等问题，进而提高切变型多层
致动器的稳定性和位移精度。

[0006] 另一方面，本发明提供了一种矩形结构、基于d34准切变模态压电驱动器设计的非谐振式纳米步进压电马达。这种新型的准切变模态多层结构压电马达采用单模态的非谐振
驻波驱动方式，结构简单、易于集成，可以有效解决目前纳米步进马达存在的结构复杂、尺
寸大、制备效率低，以及驱动电路复杂等问题。

[0007] 本发明提供的技术方案是：

[0008] 一种基于超材料基元序构思想进行设计的d34准切变模态、矩形结构的多层陶瓷共烧压电驱动器，这种矩形多层压电驱动器由(2×2)矩阵序构的四个多层压电陶瓷致动基元
所构成，四个致动基元按从上到下、从左到右的顺序依次编号为1‑A11、1‑A12、1‑A21和1‑A22
(下标第一个数字代表所在行，第二个数字代表所在列)，见图1。每个致动基元中各陶瓷片
的极化电极同时也是其施加驱动电压的电极，因此可以利用流延制片、印刷电极、叠片的方
法，将印刷有电极图案的陶瓷片有序排列、利用低温共烧法烧结在一起以获得多层陶瓷结
构。很明显，同粘接法相比，共烧在一起的多层陶瓷具有更好的温度稳定性、更低的界面位
移损失、以及更低的回滞等特性。每个致动基元均为厚度型多层压电陶瓷结构；在每个致动
基元中，各陶瓷片采用头对头厚度极化和电学并联连接方式，而且四个致动基元的地线并
接在一起。

[0009] 参见图1，上面所述d34准切变模态矩形多层陶瓷共烧压电驱动器中，致动基元1‑A11和1‑A22的驱动电场方向一致，致动基元1‑A12和1‑A21的驱动电场方向一致，若致动基元1‑
A11、1‑A22的驱动电场方向与致动基元1‑A12、1‑A21的驱动电场方向反平行，当多层驱动器底
部固定时，致动基元1‑A11、1‑A22因d31横向应变效应和d33纵向应变效应将沿(i‑i)对角线方
向伸长(或缩短)，而致动基元1‑A12、1‑A21也因d31和d33应变效应沿(ii‑ii)对角线方向缩短
(或伸长)；或者，也可以简单的将驱动电场只施加在一个对角线上的两个致动基元，也可造
成矩形多层驱动器的沿对角线的不对称应变，导致压电驱动器发生面内畸变，产生可程控、
分别沿两个对角线方向的面内d34准切变振动。

[0010] 传统的压电陶瓷属于6mm点群结构，只存在d33、d31、d32、d15、d24五个非零的压电应变常数。因此利用上述基于超材料思想设计的多层共烧压电驱动器，可以获得压电陶瓷本
身不存在的d34系数。

[0011] 对于上述d34准切变模态矩形多层陶瓷共烧压电驱动器，预设驱动电场的工作频率远低于所述压电驱动器的谐振频率，从而可使其在较宽的工作频带内工作，且不易受外界
环境的影响。一般的，所述压电驱动器的谐振频率高于20kHz，预设驱动电场的工作频率优
选设置在0.1Hz～5kHz。

[0012] 将上面所述d34准切变模态多层共烧压电驱动器的下表面固定、上表面作为位移输出端，因面内d34准切变效应，则既可产生横向切向位移δy，也能产生竖直方向位移δz，参见
图2，这是可用作压电马达驱动的重要条件。如图3所示，在压电驱动器1上表面的合适位置
安装摩擦头2，通过面内d34准切变模态使摩擦头2同时产生切向位移δy和垂向位移δz，进而
使摩擦头2产生一个方向可控的、非谐振驻波和倾斜的直线运动轨迹，则能在摩擦力作用下
驱动滑块做线性运动。其中，上表面中部1‑C区域的不均匀应变最为强烈，故1‑C区域适合作
为摩擦头固定位置和产生位移输出。也可将摩擦头安装在上表面的左端1‑L区域或右端1‑R
区域产生位移输出，这种设计均适用于本发明。

[0013] 进一步的，本发明提供了一种d34准切变模态非谐振式纳米步进压电马达，由上面所述d34准切变模态矩形多层共烧压电驱动器和固定基板、摩擦头、摩擦片等组成，其中，所
述压电驱动器的底面固定在固定基板上，摩擦头固定在压电驱动器的上表面，；多层共烧压
电驱动器由于逆压电效应带动摩擦头产生倾斜的、方向可控的周期性非谐振动(驻波运动)
和位移输出，摩擦头再通过摩擦力的作用推动与之摩擦接触的摩擦片移动，从而使与摩擦
片粘接的滑块或其他结构的部件沿导轨产生直线运动。其中，摩擦头和摩擦片的材料有多
种选择方式，根据不同的摩擦驱动要求，氧化铝、氧化锆、碳化硅、碳纤维等材料都可以应用
于本发明。

[0014] 更具体的，上述d34准切变模态非谐振式纳米步进压电马达包括所述压电驱动器、摩擦头、固定组件、滑动组件和预紧力组件，其中，所述固定组件包括固定基板和基座，所述
滑动组件包括摩擦片、滑块和导轨，所述预紧力组件可以包括弹性片、弹簧和螺钉等提供预
紧力的组件；所述压电驱动器粘接在固定基板上，而摩擦头粘接在压电驱动器上表面；摩擦
片粘接在滑块上，滑块可沿导轨滑动；预紧力组件将固定基板与基座连接，同时，在预紧力
组件提供的预紧力作用下所述摩擦头与摩擦片弹性接触。压电驱动器和摩擦头之间、摩擦
片与滑块之间可以使用环氧树脂等粘结剂粘接在一起。

[0015] 所述摩擦头可以是粘接固定在压电驱动器本体上表面中心的圆柱状结构、球形结构或梯形结构，与所述摩擦片有单个接触区域；也可以是粘接固定在压电驱动器本体上表
面左右两端的双摩擦头结构，与所述摩擦片有两个接触区域；所述摩擦头还可以通过一薄
板(如铝板等易变形的软质金属板)与压电驱动器本体固定在一起，以获得更大的驱动力，
一个或多个摩擦头固定于该薄板上，它们与摩擦片可以有单个、两个或更多个接触区域。

[0016] 上面所述d34准切变模态非谐振式纳米步进压电马达，采用简单单相低频矩形波信号或低频正弦波信号进行驱动，驱动电路非常简单，在较宽的低频频率范围内都能使马达
稳定运动。

[0017] 本发明还提供d34准切变模态多层共烧压电驱动器的制备方法，包括：

[0018] 1)通过流延法制备压电陶瓷厚膜，烘干后切割成特定大小的矩形素坯薄片；

[0019] 2)在一些素坯薄片的上表面分别印刷预先设计好的两种图案的内电极1‑E1和1‑E2，然后在一片上表面印制内电极1‑E1的素坯薄片下叠加若干空白素坯薄片组成素坯陶瓷
片1‑P1，在一片上表面印制内电极1‑E2的素坯薄片下叠加若干空白素坯薄片组成素坯陶瓷
片1‑P2；

[0020] 3)将若干层空白素坯薄片直接堆叠构成绝缘层1‑I1，然后按照从上到下为1‑I1、1‑P1、1‑P2、1‑P1、1‑P2、……、1‑P2、1‑P1的顺序沿厚度方向依次堆叠，再利用热压方法将其压在
一起，其后进行排胶、高温烧结，形成含内电极的独石化多层陶瓷；

[0021] 4)将上述独石化多层陶瓷进行切割，然后根据预先设计好的结构在外表面制备外电极，并与相应致动基元的内电极分别连接；

[0022] 5)进行电极化，得到所述d34准切变模态多层共烧压电驱动器。

[0023] 上述步骤1)中，首先进行配料：将选定的压电陶瓷粉与适当的有机溶剂、塑化剂、粘结剂等按特定比例混合与球磨，制备均匀浆料；然后使用流延刮涂的方法，将浆料制备成
压电陶瓷厚膜；将压电陶瓷厚膜在适当温度下烘干后，切割成特定形状和大小的矩形素坯
薄片。

[0024] 上述步骤2)中，使用丝网印刷法印刷内电极，内电极的材料通常为贵金属浆料，优选为高温银钯浆料。内电极1‑E1和1‑E2的图案根据预先设计的致动基元序构进行设计，在本
发明的一个实施例中，1‑E1为一整体形状的电极区域，在素坯薄片的三侧边缘留出空白区
域；1‑E2为沿中线划分为两等份的两个电极区域，在素坯薄片的一侧边缘留出空白区域；且
在步骤3)进行堆叠时，内电极1‑E1和1‑E2在素坯薄片边缘处留出的空白区域不重叠(参见图
5)。

[0025] 上述步骤3)在进行1‑P1和1‑P2依次交替叠加时，要使内电极1‑E1和1‑E2在素坯薄片边缘处留出的空白区域不重叠；烧结温度一般在950℃～1000℃。

[0026] 上述步骤4)中，在切割后的独石化多层陶瓷的侧面制备多个外电极，这些外电极与划分的不同致动基元的内电极分别连接，以施加多层陶瓷结构的极化电场与驱动电场。
在本发明的一个实施例中，所制备的矩形压电驱动器由(2×2)矩阵序构的四个致动基元构
成，在切割后的独石化多层陶瓷的侧面制备5个外电极1‑E3～1‑E7，其中：外电极1‑E7制备在
矩形结构独石化多层陶瓷的一个侧面上，使所述内电极1‑E1并接在一起；外电极1‑E3～1‑E6
制备在矩形结构独石化多层陶瓷另三个侧面上，分别与四个致动基元中包含的内电极1‑E2
并接在一起(见图5)。

[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0028] (1)本发明是基于超材料的多致动基元与序构思想设计的d34准切变模态多层压电驱动器，并可以采用多层共烧工艺进行制备。与传统的必须采用多个压电陶瓷片与金属电
极片粘接法制备的d15切变多层驱动器或致动器相比，器件体积更小，并可减少因环氧树脂
粘接层“软特性”引起的界面位移损失、温度稳定性差、位移蠕变或回滞等问题；特别是本发
明提出的d34准切变模态多层压电陶瓷，因各陶瓷层的极化方向与驱动电场方向平行而不是
垂直，可避免了传统d15切变多层陶瓷因极化方向与驱动电场方向垂直的矛盾，可容许施加
高得多的电压。因此新设计的d34准切变多层压电驱动器，在相同陶瓷片层数情况下，其产生
的切向位移一般要大于d15切变多层致动器产生的切向位移。

[0029] (2)本发明提供的d34准切变模态纳米步进压电马达，可在较宽的非谐振频率下进行工作；因为是非谐振工作，受环境温度变化的影响比较小，还可以实现连续的纳米步进运
动。这种新型的压电马达采用单模态、非谐振驻波驱动方式，结构简单、易于集成，对目前纳
米步进马达器件中存在的结构复杂、尺寸大、驱动电路复杂、效率低等问题提出了新的解决
方案，在精密驱动与定位领域有很广阔的应用前景。

附图说明

[0030] 图1为本发明所述基于四致动基元、(2×2)排列序构的矩形结构d34准切变模态多层共烧压电驱动器的结构示意图；

[0031] 其中，1为多层共烧压电驱动器，1‑A11～1‑A22为四个致动基元。

[0032] 图2为图1所示d34准切变模态多层陶瓷共烧压电驱动器在电场驱动下的有限元模拟变形图；

[0033] 图3为本发明实施案例中基于d34准切变模态矩形多层陶瓷共烧压电驱动器发生形变的结构示意图；

[0034] 其中，1为多层共烧压电驱动器，1‑A11～1‑A22为四个致动基元，1‑C为矩形多层结构上表面中部区域，2为压电马达摩擦头，3为固定基板。

[0035] 图4为本发明实施例中所述d34准切变模态驱动器与d15模态驱动器切向位移随层数变化的对比图；

[0036] 其中，对于d34准切变模态来说，当层数较少(层数n<40)时，切向位移随层数增加线性增大(变形如(b)所示)；当层数较多(层数n>40)时，因剪‑弯效应，切向位移随层数增加呈
抛物线状增大(变形如(c)所示)。

[0037] 图5为本发明实施案例中d34准切变模态矩形多层共烧压电驱动器的制备过程示意图；

[0038] 其中，1‑E1、1‑E2为两种内电极图案，1‑E3～1‑E7为外电极；1‑P1为上表面印刷有内电极图案1‑E1的矩形素坯陶瓷片，1‑P2为上表面印刷有内电极图案1‑E2的矩形素坯陶瓷片，
1‑I1为绝缘层；多个素坯陶瓷片1‑P1、1‑P2交替叠加，再经过热压、排胶和高温烧结后，形成
独石化多层陶瓷。

[0039] 图6显示了本发明实施案例之一，一个矩形、包含有8个压电陶瓷层和绝缘陶瓷层(共10层)的矩形结构多层共烧陶瓷在施加激励电压下所产生的d34准切变模态和摩擦头产
+
生的相应位移；其中，(a)为施加在对角线(i‑i)上的可程控低频矩形波信号V ，(b)为施加
‑
在对角线(ii‑ii)上的可程控低频矩形波信号V ；具体地，(c)中左侧的倾斜的运动轨迹对
应于矩形波电压驱动1‑A12、1‑A21两个致动基元所产生的d34准切变模态和摩擦头产生的相
应的左倾斜驻波振动运动轨迹；(c)中右侧的倾斜的运动轨迹对应于矩形波电压驱动1‑A11、
1‑A22两个致动基元所产生的一个反向的d34准切变模态和摩擦头产生的相应的右倾斜驻波
振动运动轨迹。

[0040] 图7为本发明实施例中所述d34准切变模态非谐振式纳米步进压电马达的结构示意图；

[0041] 其中，1为上述d34准切变模态多层共烧压电驱动器，1‑A11～1‑A22为四个致动基元，2为压电马达摩擦头，3为固定基板，4为马达滑动部件，4‑A为压电马达摩擦片，4‑B为滑块，
4‑C为滑块导轨；5为压电马达固定组件，5‑A～5‑C为连接座；6为压电马达预紧力组件，6‑A1
～6‑A4为四个弹性片，6‑B为螺钉。

[0042] 图8为本发明所述d34准切变模态非谐振式压电马达摩擦头部分的几个具体实施方式的结构示意图；

[0043] 图9为本发明所述d34准切变模态非谐振式压电马达实施例的驱动性能测试图；

[0044] 其中，(a)为5kHz驱动电压条件、不同载荷下的速度情况，(b)为不同频率下纳米尺度分辨率测试图。

具体实施方式

[0045] 下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

[0046] 本发明提供的基于超材料思想人工设计的d34准切变模态多层陶瓷共烧压电驱动器，利用四个致动基元非对称应变的协同作用，产生自然压电陶瓷所不具备的d34模态。在此
设计中，每一个致动基元是一个多层陶瓷堆，各陶瓷层的极化方向和施加电场方向平行或
反平行(同向平行或反向平行)，因此可以利用典型的流延共烧技术制备出结构简单、易于
集成、驱动电压低的准切变模态多层结构，从而可以减少传统d15切变模态多层驱动器由于
粘接制备工艺所导致的界面位移损失、蠕变、回滞以及使用寿命低等问题。

[0047] 本发明提供的d34准切变模态非谐振式纳米步进压电马达是将上述d34准切变模态多层共烧压电驱动器与摩擦头、摩擦片、滑块、预紧装置等组件组装在一起得到的，通过低
频矩形波电压或低频正弦波电压进行驱动，使固定在陶瓷上表面的摩擦头产生低频、非谐
振单模态，以及方向可控的驻波振动，实现双向纳米分辨率驱动。

[0048] 图1为本发明所述d34准切变模态多层共烧压电陶瓷驱动器结构示意图。如图1所示，矩形结构多层陶瓷共烧压电驱动器1包含有四个致动基元1‑A11～1‑A22，在y‑z横截面上
按照(2×2)矩阵序构排列。4个致动基元均为压电堆陶瓷结构，其中的陶瓷片均沿z轴方向
头对头交替极化。

[0049] 图2为本发明所述d34准切变模态多层驱动器的4致动基元模拟变形图。当以低频正弦波或低频矩形波电压驱动时，若对角线(i‑i)方向上的两个致动基元1‑A11、1‑A22的驱动
电场方向与极化方向平行(或反平行)，对角线(ii‑ii)方向上的两个致动基元1‑A12、1‑A21
的驱动电场方向与极化方向反平行(或平行)，则由于压电陶瓷堆的d31横向应变和d33纵向
应变的协同作用，矩形多层结构将沿(i‑i)对角线方向伸长(或缩短)，沿(ii‑ii)对角线方
向缩短(或伸长)(变形图如图2所示)。矩形结构驱动器沿两个对角线不对称、非均匀的应
变，将导致y‑z面内产生畸变。由于压电应变常数dij的下标i和j分别代表极化方向和应变方
向，故d34代表的是3方向(z‑轴)方向极化、(2‑3)(即y‑z)面内的畸变，这里我们称为d34准切
变模态‑‑被激发出来了。

[0050] 图3为摩擦头固定于中部1‑C区域的矩形结构d34准切变模态多层共烧驱动器结构示意图。当多层结构底面固定时，则可利用d34准切变模态产生的变形，在上表面中心1‑C处
作为位移输出端。注意多层驱动器的上表面包括两端1‑L和1‑R均能产生切向位移和垂向位
移，如图2所示，但上表面中部1‑C区域的面内畸应变(d34)最为强烈，其切向位移δy和垂向位
移δz最大。因此，1‑C区域更适合作为马达摩擦头2的固定位置(结构如图3所示)。但是，由于
上表面各点均能产生面内运动，故将摩擦头2安装在上表面其它位置也都是可行的。

[0051] 图4为本发明所述d34准切变模态驱动器与d15模态驱动器切向位移随层数变化的对比图。模拟时保证两种结构是由相同尺寸的陶瓷片堆叠而成的，但d34准切变模态因各陶
瓷层的极化方向与施加电场方向平行或反平行，因此所容许施加的驱动电压可以很大；但
d15模态因各陶瓷层的极化方向与施加电场方向垂直，所容许施加的驱动电压被限制在
300V/mm以内，以避免退极化。如图4中(a)所示，对于d34准切变模态来说，当层数较少(层数n
<40)时，中部1‑C区域的切向位移随层数增加而线性增大(变形如图4中(b)所示)；当层数较
多(层数n>40)时，在d31和d33叠加效应的作用下，导致多层结构发生剪‑弯变形，中部1‑C区
域的切向位移随层数增加呈抛物线型增大趋势(变形如图4中(c)所示)。而对于d15切变模态
来说，上表面的切向位移与层数n成正比例函数关系(变形如图4中(d)所示)。同时，相同层
数下d34准切变模态的切向位移总是大于d15切变模态的切向位移，这说明d34准切变模态不
仅在共烧制备工艺方面具有优越性，而且在变形程度方面也具有优势。

[0052] 图5显示了本发明实施案例中d34准切变模态矩形八层共烧驱动器的制备过程。将选定的压电陶瓷粉与适当的有机溶剂、塑化剂、粘结剂等按特定比例混合与球磨，制备均匀
浆料；使用流延刮涂的方法，将浆料制备成压电陶瓷厚膜；将压电陶瓷厚膜在适当温度下烘
干后，切割成特定形状和大小的矩形素坯薄片。使用丝网印刷法，在一些素坯薄片的上表面
分别印刷预先设计好的两种内电极图案1‑E1和1‑E2；将若干层未印刷内电极的空白素坯薄
片直接堆叠，构成绝缘层1‑I1；另外，将一片上表面印制内电极1‑E1的素坯薄片与若干空白
素坯薄片叠加为素坯陶瓷片1‑P1，将一片上表面印制内电极1‑E2的素坯薄片与若干空白素
坯薄片叠加为素坯陶瓷片1‑P2。印制内电极的材料为高温银钯浆料；将带有丝网印刷内电
极的多个矩形素坯陶瓷片1‑P1和1‑P2根据预先设计的致动基元序构，按照从上到下(1‑P1、
1‑P2、1‑P1、1‑P2、1‑P1、1‑P2、1‑P1、1‑P2、1‑P1)顺序沿厚度方向依次交替叠加在一起。为了保
证电绝缘，在陶瓷堆的上表面叠加了空白素坯片1‑I1作为绝缘层，而陶瓷堆的下表面并未
印刷电极，因此也是绝缘的。其后进行热等静压方法将其压在一起，接着再进行排胶、高温
烧结，形成独石化多层陶瓷。将上述独石化多层陶瓷再进行切割，其后根据预先设计好的结
构在外表面制备外电极1‑E3～1‑E7，并同划分的内电极分别连接。例如，所有内电极1‑E1通
过外电极1‑E7并接在一起；四个致动基元1‑A11～1‑A22中的内电极1‑E2分别通过四个外电极
1‑E3～1‑E6并接在一起。将外电极烧制完成后，接着在120℃下油浴加热极化，得到上述d34
准切变模态八层压电陶瓷共烧驱动器。

[0053] 图6为显示了位于图5所示d34准切变模态八层共烧陶瓷结构上表面的摩擦头的双向运动轨迹。利用环氧树脂将摩擦头粘接在图5所示八层共烧陶瓷结构的上表面中心1‑C
处，使用图6中(a)‑(b)所示施加电压方式进行驱动，产生可程控的驻波运动。当施加可程控
+ ‑
的正值低频矩形波电压V于致动基元1‑A11、1‑A22上，施加可程控的负值低频矩形波电压V
于致动基元1‑A12、1‑A21上时，多层结构沿对角线(i‑i)方向伸长，沿对角线(ii‑ii)方向缩
短，就会使摩擦头产生如图6中(c)所示的从左下角到右上角方向上的右倾斜直线运动轨
迹，即推动滑块向右运动；当交换两对角线上致动基元的驱动电压时，会使摩擦头产生如图
6中(c)所示的从右下角到左上角方向上的左倾斜直线运动轨迹，即推动滑块向左运动。

[0054] 图7为基于本发明所述d34准切变模态多层共烧压电驱动器的非谐振式纳米步进压电马达结构示意图。该d34准切变模态压电马达由d34准切变模态多层共烧压电驱动器1(在
结构上被分为四个致动基元1‑A11～1‑A22)、压电马达摩擦头2、氧化铝固定基板3、压电马达
滑动组件4、固定组件5、预紧力组件6等部分组成。其中，滑动组件4包括摩擦片4‑A、滑块4‑B
和导轨4‑C；多层共烧压电驱动器1的底面与固定基板3粘接，表面上固定连接摩擦头2；摩擦
头2顶端与摩擦片4‑A弹性接触，滑块4‑B位于导轨4‑C上，滑块4‑B的侧面与摩擦片4‑A固定
连接；摩擦头2在压电驱动器1的驻波振动作用下驱动摩擦片4‑A和滑块4‑B沿导轨4‑C作直
线运动。预紧力组件6包括弹性片6‑A1～6‑A4、螺钉6‑B和弹簧，固定组件5包括连接座5‑A～
5‑C。固定基板3固定粘接在连接座5‑A上；连接座5‑A通过四个弹性片6‑A1～6‑A4和螺钉与连
接座5‑B连接，同时连接座5‑B通过螺钉6‑B和螺钉6‑B前端的弹簧与连接座5‑C弹性连接；连
接座5‑B通过螺钉与连接座5‑C固定连接。导轨4‑C固定于连接座5‑C之上。此压电马达可以
在较宽的低频范围内实现稳定、双向的纳米步进运动。

[0055] 图8为本发明所述d34准切变模态非谐振式压电马达在具体实施时可采用的五种摩擦头的示意图。其中，1‑A11～1‑A22为多层共烧压电驱动器1的四个致动基元，2为压电马达
摩擦头。由于多层共烧压电驱动器1上表面中部区域的应变最为强烈，因此可以通过在中部
区域固定圆柱棒状摩擦头(如图8中(a)所示)、球形摩擦头(如图8中(b)所示)、梯形摩擦头
(如图8中(c)所示)等方式来进行驱动。由于多层共烧压电驱动器1上表面各处均能产生切
向位移和垂向位移，所以可以在上表面沿中线对称的左右两端固定摩擦头(如图8中(d)所
示)，以更好地实现伺服运动。同时，如图8中(e)所示，为了实现更大的驱动力，在压电驱动
器1上表面粘接一薄的金属板2‑I，以将压电驱动器1所产生的驱动力都能通过摩擦头2施加
在滑块上。

[0056] 对图7所示的d34准切变模态非谐振式压电马达进行测试，在开环条件下测得的马达驱动性能测试图如图9所示。图9中(a)说明了在5kHz驱动电压条件下，马达的运动速度随
驱动电压幅值、载荷的变化情况。可以看出，由于不同摩擦副的摩擦系数不同，当摩擦片材
料选用氧化锆陶瓷时，最大机械载荷为0.55N；当摩擦片材料选用碳化硅时，最大机械载荷
为1.5N。图9中(b)为压电马达纳米尺度分辨率测试图，可以看出，驱动频率为5kHz时，最小
位移分辨率为9nm；驱动频率为1Hz时，最小位移分辨率为7nm。这也能看出此马达可以在较
宽的频率范围内实现稳定的纳米步进运动。

[0057] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改
都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利
要求书界定的范围为准。