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1、第卷第期功能材料与器件学报,年月二一一一文章编号大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验崔艳梅,刘向锋,高志清华大学精密仪器与机械学系,北京,。摘要针对大位移压电陶瓷驱动器研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能基于压电陶瓷材料的逆压,、,一片加正向电压缩短另一片加反向电电效应应用压电陶瓷双晶片在机械自由电学短路状态下压伸长共同作用产生弯曲变形,通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来,实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下,此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱,协,。,可直接应动器有较大的增加达
2、结构尺寸也大大减小该驱动器不需要位移放大机构用。于有大位移要求的机构驱动关键词压电效应压电陶瓷双晶片驱动器中图分类号文献标识码由一,一,盯,,甲,甲,,,甲,笔印一一一一收稿日期修订日期作者简介崔艳梅一,女,汉,河南,清华大学精密仪器与机械学系设计工程研究所硕士研究生,主要从事机械设计理论的研究通讯作者刘向锋,副教授,一。。功能材料与器件学报卷前言会引起元件内部正负电荷中心产生相对位移,从而压电陶瓷元件产生应变或应力的现象称为逆压电效压电材料是在微机械设计中常用的一种驱动器。,,、、应【因此利用压电陶瓷
3、正压电效应可以制作材料压电陶瓷驱动器具有响应频率高驱动力大、。传感器点火器等利用压电陶瓷逆压电效应可以制线性度好等优点但是压电陶瓷驱动器的输出位移。量小,输出位移形式单一,在许多应用场合不能直接作驱动器此驱动器采用长方形片状结构的,,输出满足各种执行机构的运动要求,应用中常需要压电陶瓷材料沿厚度方向极化加电压后由于压电,,,,以满陶瓷的逆压电效应一片伸长一片缩短共同作用对压电陶瓷驱动器输出的运动进行变换足执,。产生弯曲位移为使单片双晶片的弯曲位移能够叠行机构对驱动位移和驱动力的要求为解决压电陶,,瓷驱动
4、器输出位移小,输出位移形式单一的缺点,国加起来将多个压电陶瓷双晶片进行组合设计形成。。大位移压电陶瓷驱动器内外的研究者提出了很多种设计方案归纳起来主〔’一,〕,要有多层片式陶瓷驱动机构其结构形式是给每片陶瓷片加电压,利用轴向变形伸长输出位压电陶瓷双晶片的设计与试验分析,、、、,移其优点结构紧凑承载力大响应快位移可重设计三种规格的压电陶瓷双晶片如图尺寸复性好、体积效率高、电场控制相对简单,但其输出为·。,的位移量较小位移放大机构应用无机械摩压电陶瓷双晶片擦、无间隙、运动灵敏性高的柔性铰链,可设计出精压电陶
5、瓷双晶片·度非常高的柔性铰链一体化结构的微位移放大机压电陶瓷双晶片·,,,构对多层片式陶瓷产生的位移进行放大但是此变压电陶瓷片厚度为表面镀一层银电,,,,换方法都需要较大的结构尺寸由于工作原理的关极中间用金属层引出电极金属层厚度为,尺寸很难进一步微,系型化在对运动进行变换的同陶瓷片与金属层之间用能够传递应力的环氧树脂结时零件或介质的摩擦以及结构的变形也会消耗一定构胶粘接。双晶片结构上采用串联、加压方式采用,、,,的功率且放大机构和压电驱动器的响应快体积并联的形式陶瓷片加反向电压陶瓷片加正向、。。,小输出
6、力大等优点随着放大倍数的提高而减弱电压电源采用专用的压电陶瓷驱动电源加电压步进式和冲击式驱动机构有效地缓解后,,,,了大行程由于逆压电效应陶瓷片伸长陶瓷片缩短,,和高分辨率的矛盾能够在保持高分辨率的情况下产生的弯曲位移如图所示中部弯曲变形为位移,,。增大微驱动器的行程理论上可以不受行程的限制输出端这类驱动器的特点是有籍位要求,而结构复杂刚度较低因有多路信号,对控制系统要求高定位精度受、。、迟滞非线性影响适于高分辨率大行程的场。,合惯性式驱动机构结构简单可高频工作以,。、上但导向不易处理适于高分辨率大行程
7、、力小的场合。本工作采用压电系数较大的甲压电陶瓷材料,通过压电陶瓷双晶片的组合,压电陶瓷双晶片。来获得大位移的驱动大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验对压电陶瓷元件施加,压力或拉力时会引起州,压其内部正负电荷中心发生相对位移电陶瓷元件图变形后压电陶瓷双晶片,,的表面出现异号极化电荷这种没有电场的作用只为避免接触式测量时测量力带来的误差,位移,是由于应变或应力在晶体内产生电极化的现象称。测量采用激光测微仪图为双晶片加不同电压下。,为正压电效应在压电陶瓷元件上施加一电场时。的位移线图期崔艳梅,等大位移压电陶瓷驱
8、动器的设计与试验,。一一常工作选用型环氧超强结构胶分别设一一计胶层厚为、的压电陶瓷双晶片,中间金属层为厚度的被青铜,外形尺寸分别二川。二人村、户口诌工泣三自八曰厂为、,二。电压位移曲线如图厂一产洲乡才二一一们一一峥月,八曰八气︼、,,一自劝二日豁二巴三。‘洽沙尹一才护一尹尸甲图双晶片的电压位移线图比较一一由图可知压电陶瓷双晶片的位移与电压之,间近似成线性关系位移随压电陶瓷双晶片长度的罗。增加而增加图不同粘接胶层双晶片的电压位移线图压电陶瓷双
