新型壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

1、收稿日期:2008201229作者簡介:劉大偉(19832,男,黑龍江樺南人,碩士生,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的研究。劉向鋒(19612,男,河南洛陽人,教授,博士,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。E 2mail :liuxf t 文章編號(hào):100422474(20090420517203新型壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究劉大偉,劉向鋒,高志,劉瑩,丘天(清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系,北京100084摘要:為實(shí)現(xiàn)壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的簡化,提高能量使用效率,設(shè)計(jì)了一種新型壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。使用壓電陶瓷雙晶片在外加電場下的彎曲位移,通過簡單的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)位移的輸出。采用激光反射測角法對(duì)

2、驅(qū)動(dòng)器輸出的微小角度進(jìn)行了測量,并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。通過試驗(yàn)證明該方法制作壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的可行性,并進(jìn)行了誤差分析,為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:壓電陶瓷;扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器;試驗(yàn)研究;誤差分析中圖分類號(hào):T H7;TN4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AThe Design and R esearch on a N e w Piezoelectric Torsion L IU Da 2w ei ,L IU Xiang 2feng ,G AO Zhi ,L IU Ying ,QIU Tian(Dept.of Precision Instrument s and Mechanology ,Tsinghu

3、a University ,Beijing 100084,China Abstract :A new type of torsion piezoelectric actuator is designed to simplify the structure and improve the effi 2ciency of energy.With the bending of the piezoelectric bimorph in the electric field ,the torsion displacement is a 2chieved.By laser reflection ,the

4、small angle is measured ;and the finite element analysis and the test results are compared.The test research shows that it is feasible to produce a piezoelectric torsion actuator with this method ,and the error analysis provides a theoretical basis for f urther optimization.K ey w ords :piezoelectri

5、c bimorph ;reverse actuator ;test research ;error analysis壓電驅(qū)動(dòng)器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),在電場的作用下直接將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,產(chǎn)生機(jī)械位移的換能元件。它具有分辨率高,響應(yīng)快,功耗低,無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),在微米納米驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)中占有重要地位,其應(yīng)用涉及航空航天1、精密光學(xué)2等高新技術(shù)領(lǐng)域。由于大多數(shù)的研究均限于對(duì)壓電直線驅(qū)動(dòng)器的分析和使用,使壓電陶瓷雙晶片的扭轉(zhuǎn)性能未得到充分發(fā)揮。為了探索壓電驅(qū)動(dòng)器的有效設(shè)計(jì)方法,精確分析驅(qū)動(dòng)特性和提高驅(qū)動(dòng)性能,為設(shè)計(jì)者提供可供參考的結(jié)構(gòu)模型和分析方法,文獻(xiàn)3通過對(duì)壓電雙晶片振動(dòng)模態(tài)的分析,為壓電

6、陶瓷振動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。文獻(xiàn)4采用反饋控制方法消除結(jié)構(gòu)靜變形。文獻(xiàn)5通過對(duì)雙晶片的應(yīng)用,提出了進(jìn)一步改進(jìn)雙晶片結(jié)構(gòu)的方法。本文使用壓電陶瓷雙晶片的彎曲變形,經(jīng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換輸出扭轉(zhuǎn)位移,通過有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量值的對(duì)比分析和誤差分析,給出了優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器性能的方法。1驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1雙晶片的結(jié)構(gòu)雙晶片采用壓電陶瓷片膠接的方法制作。使用壓電系數(shù)較大的PZT5陶瓷片,沿厚度方向極化,在與厚度方向垂直的大平面上鍍有銀電極,兩片陶瓷片之間采用彈性較好的鈹青銅引出電極。陶瓷片與鈹青銅間使用能傳遞結(jié)構(gòu)力的環(huán)氧樹脂膠粘結(jié),制作成如圖1(a 所示的壓電陶瓷雙晶片,其尺寸(長×寬×厚為

7、25mm ×5mm ×1.3mm 。其中壓電陶瓷片的厚度為0.55mm ,鈹青銅的厚為0.2mm 。膠接時(shí),上下兩片陶瓷片的極化方向相同。加壓后,由于其中一片陶瓷片的電場方向與極化方向相同,另一片的電場方向與極化方向相反,使其中一片伸長,另一片縮短。由于有接觸面的約束作用,雙晶片產(chǎn)生彎曲位移,如圖1(b 所示 。圖1壓電陶瓷雙晶片1.2驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)研制的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。該驅(qū)動(dòng)器主要由壓電陶瓷雙晶片、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和底部約束機(jī)構(gòu)組成。兩組壓電陶瓷雙晶片并列排第31卷第4期壓電與聲光Vol.31No.42009年8月PIEZO EL ECTECTRICS &

8、amp;ACOUSTOOPTICSAug.2009列,極化方向相反。雙晶片的一端被固定,另一端為自由端。在壓電雙晶片上施加電壓信號(hào)時(shí),其中的一片雙晶片朝某個(gè)方向彎曲,另一片雙晶片朝相反方向彎曲。從頂部俯視兩個(gè)彎曲位移的合位移,為具有一定轉(zhuǎn)角的扭轉(zhuǎn)位移。該合位移帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換塊做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),即完成輸出 。圖2壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)原理2試驗(yàn)方法與結(jié)果由于壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出角度與壓電陶瓷片的剛度有關(guān),帶負(fù)載輸出與空載輸出有明顯的差異,因此,不宜使用接觸法測量驅(qū)動(dòng)器的角度輸出。由于試驗(yàn)需要直接測量兩片陶瓷片的合成角度位移,因此使用光反射測量方法是一種簡便易行的方法。2.1激光反射測角法激光反射測角法是指通過測

9、量反射光線之間夾角的變化計(jì)算驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)過角度的方法。測量原理如圖3所示 。圖3激光反射測角法圖3中,激光光源可發(fā)出匯聚性好的激光束,M 為試驗(yàn)時(shí)固定在運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)頂部的鏡片,Y 為反射光線。低壓時(shí),鏡面在M 1位置,反射光線為Y 1。加壓后,鏡面轉(zhuǎn)過角度,到達(dá)M 2位置,此時(shí)反射光線為Y 2,反射光線轉(zhuǎn)過角度為。根據(jù)幾何光學(xué)的原理,=2。因此,測量出Y 1、Y 2及反射點(diǎn)移動(dòng)的距離,根據(jù)余弦定理可計(jì)算出值,再通過值計(jì)算出值。由于當(dāng)Y 1與Y 2較大時(shí)能夠增加反射點(diǎn)移動(dòng)的距離,因此,此法能使微小轉(zhuǎn)角的測量變得簡單易行。2.2試驗(yàn)結(jié)果對(duì)前述壓電陶瓷雙晶片作為驅(qū)動(dòng)元件的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行理論與試驗(yàn)對(duì)比

10、分析。首先使用有限元方法進(jìn)行仿真模擬。經(jīng)計(jì)算,在理想的條件下,外加電壓為300V 時(shí),理論上輸出角度為2.99°,實(shí)際測量值為2.73°,誤差為-8.78%。有限元計(jì)算值與測量值取得良好的一致,有限元計(jì)算值略大于測量值 ,如圖4所示。圖4壓電驅(qū)動(dòng)器的電壓2位移圖2.3電滯回效應(yīng)與遲滯效應(yīng)由圖4可看出,理論上驅(qū)動(dòng)器的電壓2位移曲線呈線性關(guān)系。電壓從0升至300V 時(shí),曲線的斜率逐漸增加;電壓從300V 降至0時(shí),曲線的斜率反向增加。升壓與降壓曲線的不重合性,表現(xiàn)出壓電陶瓷具有明顯的電滯回效應(yīng)。電滯回效應(yīng)對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)特性有較大的影響。在實(shí)驗(yàn)中明顯觀察到壓電陶瓷的遲滯效應(yīng)

11、。遲滯效應(yīng)是引起壓電陶瓷非線性的主要原因。在對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加電壓時(shí),驅(qū)動(dòng)器并不在瞬間到達(dá)最大形變,而是先產(chǎn)生階躍變形到達(dá)某一值,再隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生剩余變形。在低頻狀態(tài)下,陶瓷片有足夠的時(shí)間產(chǎn)生剩余變形,因此輸出變形較大;而在高頻狀態(tài)下,則沒有足夠的時(shí)間剩余變形。因此,在試驗(yàn)與實(shí)際使用時(shí)應(yīng)注意由于遲滯效應(yīng)給壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)特性帶來的影響。3誤差分析由于理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果之間存在著不重合,因此有必要對(duì)誤差產(chǎn)生的原因及減小誤差的方法進(jìn)行分析,為驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化提供理論依據(jù)。3.1材料特性誤差分析壓電材料的性質(zhì)不均勻,每片壓電陶瓷片的特性均有差異,其中壓電參數(shù)d 33是響應(yīng)電場的關(guān)鍵因素。由于理論計(jì)算采

12、取模型的d 33與實(shí)際陶瓷片的d 33之間的差異會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析的吻合,518壓電與聲光2009年因此,對(duì)d 33的分析是有意義的。經(jīng)計(jì)算,輸出角度的變化近似為d 33變化的平方。因此,對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),增加d 33能增加驅(qū)動(dòng)器的輸出角度。3.2宏觀尺寸誤差分析在制作壓電陶瓷雙晶片時(shí),由于制作者水平的不同和制作方法的差異,會(huì)引起兩片陶瓷片在長度或?qū)挾确较虻牟恢睾?這種不重合也會(huì)對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出產(chǎn)生影響,圖5為不重合量對(duì)輸出角度的影響。由圖可看出,長度和寬度方向上均存在不重合,對(duì)輸出影響較大;寬度方向的不重合影響次之;長度方向的不重合影響最小 。圖5不重合量對(duì)輸出角度的影響由于陶

13、瓷片在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生差異。在幾何尺寸中,厚度對(duì)輸出的影響比較大。經(jīng)計(jì)算,雙晶片變形輸出的變化量近似是厚度變化量的平方,如圖6所示。由圖可看出,減小厚度用以增加輸出是一種有效的方法。但綜合考慮加工成本及耐用性的影響,陶瓷片的厚度也不宜過小 。圖6陶瓷片厚度對(duì)輸出角度的影響3.3其他誤差分析在實(shí)際使用的雙晶片與理論計(jì)算模型之間,還存在一些難于量化的誤差,這些誤差的存在也是引起仿真與試驗(yàn)結(jié)果不吻合的原因。膠接時(shí)粘膠的性能會(huì)對(duì)實(shí)際輸出結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,因?yàn)槟z接層的厚度較薄,凝固態(tài)膠的性能又難以測量;同時(shí),由于膠接層屬于彈性體,在雙晶片受電場作用產(chǎn)生變形時(shí),膠接層內(nèi)部的摩擦也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果,因此減小膠接

14、層的厚度也會(huì)提高試驗(yàn)精度;在陶瓷片制作的過程中需經(jīng)燒結(jié)工藝定型,燒結(jié)時(shí)會(huì)使陶瓷片產(chǎn)生平面度發(fā)生變化。這些誤差的存在,都會(huì)引起理論與試驗(yàn)結(jié)果的不吻合。4結(jié)束語本文研究了基于壓電陶瓷雙晶片的彎曲效應(yīng)制作壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的方法。通過試驗(yàn)證明了該方法的可行性,并為驅(qū)動(dòng)器建立了有限元分析模型;對(duì)試驗(yàn)誤差的深入分析為進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)指明了方向。該驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單,體積小,易實(shí)現(xiàn)。激光反射測角法還可用來測量微小角度位移,具有一定的通用性。參考文獻(xiàn):1段勇,何麟書.鋯鈦酸鉛壓電陶瓷主動(dòng)元件在航天自適應(yīng)桁架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用J .宇航材料工藝,2004,3:56259.2袁松梅,林繼杰,莊馳,等.新型二維壓電光學(xué)掃描器J .壓電與聲光,2007,29(4:4112413.3唐勇軍,王振龍,胡富強(qiáng),等.平板式超聲振子振動(dòng)模態(tài)與諧響應(yīng)有限元分析J .壓電與聲光,2006,28(4:4862488.4蔣建平,李東旭.