應(yīng)用于壓電疊堆泵的微位移放大機(jī)構(gòu)

1、第15卷 第6期2007年6月 光學(xué)精密工程OpticsandPrecisionEngineering Voi.15 No.6Jun.2007（2007）06-0884-05文章編號(hào) 1004-924X應(yīng)用于壓電疊堆泵的微位移放犬機(jī)構(gòu)111，211劉 鵬楊志剛，劉登云，吳麗萍，陳洪濤，（1.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，2.長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130025；吉林長(zhǎng)春130012）（積層式壓電微位移器）該機(jī)構(gòu)以壓電疊堆為驅(qū)動(dòng)元件，摘要：提出了一種應(yīng)用于壓電疊堆泵的微位移放大機(jī)構(gòu)，通過基設(shè)計(jì)、研制了實(shí)驗(yàn)裝置，并在試制樣機(jī)上對(duì)其于三角形放大原理的柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)，放大壓電疊堆的輸出位移。同時(shí)，靜、動(dòng)

2、態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)對(duì)壓電疊堆輸出位移的放大借數(shù)達(dá)到5借，并且該機(jī)構(gòu)具有線性良好、高分辨率、高頻響應(yīng)等特點(diǎn)。由有限元分析得到的固有頻率達(dá)到了1.8kz，實(shí)際測(cè)量的固有頻率為1.5kz。關(guān) 鍵 詞：壓電疊堆泵；放大機(jī)構(gòu)；微位移；柔性鉸鏈；三角形放大T38；TN384 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A中圖分類號(hào)：Micro-displacementmagnifyingmechanismusedinpiezo-stackpump2YANGZhi-gang1，LIUDeng-yun1，WULi-ping1，CENong-tao1，LIUPeng1（1.CollegeofMechanicalScie

3、nceandEngineering，JilinUniuersity，Changchun130025，China；2.ChangchunInstitudeofTechnology，Changchun130012，China）Abstract：Amicro-dispiacementmagnifyingmechanismusedinpiezo-stackpumpispresented.Takingthepi-ezoeiectricmuitiiayeractuatorsasdriversofampiifier，thedispiacementofpiezoeiectricmuitiiayeractuat

4、orisampiifiedwiththefiexurehingeampiifierbasedontheprincipiesoftriangieampiification.Thestaticanddy-namiccharacteristicsaretestedontheprototype，thecharacteristicsofgoodiinearity，highresoiutionandhighfreguencyareapproved.Experimentairesuitsconciudethatthemechanismcanampiifythedispiacementto5times.The

5、naturaifreguencyreaches1.8kzbyfiniteeiementanaiysiswhiietheactuaimeasurementresuitis1.5kz.Keywords：piezo-stackpump；magnifyingmechanism；micro-dispiacementfiexurehinge；triangieampiification作成本低；與其他微型泵比較，壓電泵的特點(diǎn)是：耗能低、無電磁干擾、易控制、便于小型化?；谌缫陨系奶攸c(diǎn)，壓電泵具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，制藥、醫(yī)療機(jī)械、微小部件清洗/冷卻、化學(xué)分析、1-6。粘接劑噴涂以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給等壓電泵

6、按驅(qū)動(dòng)形式不同可分為：壓電片驅(qū)動(dòng)1 引 言 壓電泵是近年來開發(fā)的一種新型泵，是壓電驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要分支。與傳統(tǒng)泵比較，壓電泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、的特點(diǎn)是：無噪聲、制2006-10-11；2007-01-07. 收稿日期：修訂日期：基金項(xiàng)目：（No.50575093；No.50605027）國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目第6期楊志剛，等：應(yīng)用于壓電疊堆泵的微位移放大機(jī)構(gòu)2，7885和壓電疊堆驅(qū)動(dòng)兩種。與壓電片相比，壓電電源功耗低、響應(yīng)速度疊堆具有能量轉(zhuǎn)換效率高、分辨率高、輸出力大、輸出位移穩(wěn)定、快、能夠減少蠕變現(xiàn)象等特點(diǎn)，已越來越多的應(yīng)用到各種驅(qū)動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱為壓電場(chǎng)合。壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的壓電泵疊堆泵

7、）具有輸出壓力大、可實(shí)現(xiàn)精密控制等特（積層式壓電微位移器）點(diǎn)。本文采用壓電疊堆通過基于三角形放大原理作為壓電泵驅(qū)動(dòng)元件，的柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)，對(duì)壓電疊堆的位移進(jìn)行放其中"P-壓電疊堆的變形量；n-壓電疊堆包含的壓電陶瓷片的數(shù)量；d33-壓電常數(shù)。根據(jù)上述公式和參考表1中的參數(shù)值，可得到各種工作電壓下壓電疊堆理論上的相應(yīng)伸長(zhǎng)量（見表2）。對(duì)日本NECTOKIN公司AE0505d16型壓電疊堆在各種工作電壓下進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)量，具體測(cè)量值見表3。從表中會(huì)發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際測(cè)量值大，設(shè)計(jì)、研制了由壓電疊堆與放大機(jī)構(gòu)組成的驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。2 壓電疊堆性能分析本文采用日本NECTOKIN公司

8、AE0505d16型壓電疊堆作為驅(qū)動(dòng)元件（參數(shù)見表1）8。為了更好地使用AE0505d16型壓電疊堆，對(duì)其進(jìn)行了基本性能分析。表1 AEo5o5D16型壓電疊堆主要參數(shù)Tab.1 MajorparametersofAE0505d16PZTstack!T33/!05440材料PbZrO3-PbTiO3機(jī)電耦合系數(shù)0.68d-133（mV）635X10-12Tc（C）145d33（mV-1）-287X10-12單層厚度（!m）110SE/m233gN-118.1X10-12層數(shù)130SE/m211gN-114.8X10-12在室溫25C下，單層的壓電陶瓷片的電致伸縮特性很微弱，相對(duì)于逆壓電效應(yīng)可忽

9、略6，故有StdE，（1）d=SE="ppXbU.（2）其中S-應(yīng)變；"p-壓電陶瓷片在所用方向上施加電壓后的變形量（m）；p-壓電陶瓷片在所用方向上的長(zhǎng)度（m）；b-壓電陶瓷片的厚度（m）；U-外界施加的電壓（V）。當(dāng)p=b時(shí)，有"p=dXU。壓電疊堆由壓電陶瓷片多層疊加制成，在機(jī)械機(jī)構(gòu)上串聯(lián)，而電壓并聯(lián)。壓電疊堆的變形量是單個(gè)壓電陶瓷片的變形量的總和，即"P=nX"p=nXd33XU，（3）有一定偏差，這可能是壓電材料的性能及封裝工藝造成的，僅供參考。表2 壓電疊堆電壓與理論伸長(zhǎng)量的關(guān)系Tab.2 Relationshipbetweenvo

10、ltageandtheoreticelongationofPZTstack電壓（V）伸長(zhǎng)量（10-6m）電壓（V）伸長(zhǎng)量（10-6m）1008.26504.13907.43403.30806.60302.48705.78201.65604.95100.83表3 壓電疊堆電壓與實(shí)際伸長(zhǎng)量的關(guān)系Tab.3 RelationshipbetweenvoltageandpracticalelongationofPZTstack電壓（V）伸長(zhǎng)量（10-6m）電壓（V）伸長(zhǎng)量（10-6m）10012.505.29010.1404.1808.9303.0707.3202.1606.4101.03 放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析柔性鉸鏈?zhǔn)墙陙戆l(fā)展起來的一種新型的傳動(dòng)、支撐機(jī)構(gòu)，它具有體積小、無摩擦、運(yùn)動(dòng)間隙小、高分辨率