1、收稿日期:2008201229作者簡介:劉大偉(19832,男,黑龍江樺南人,碩士生,主要從事機械設計理論和壓電陶瓷驅動的研究。劉向鋒(19612,男,河南洛陽人,教授,博士,主要研究方向為機械設計及理論。E 2mail :liuxf t 文章編號:100422474(20090420517203新型壓電扭轉驅動器的設計與試驗研究劉大偉,劉向鋒,高志,劉瑩,丘天(清華大學精密儀器與機械學系,北京100084摘要:為實現(xiàn)壓電扭轉驅動器結構的簡化,提高能量使用效率,設計了一種新型壓電扭轉驅動器。使用壓電陶瓷雙晶片在外加電場下的彎曲位移,通過簡單的運動轉換機構實現(xiàn)扭轉位移的輸出。采用激光反射測角法對

2、驅動器輸出的微小角度進行了測量,并與有限元仿真結果進行了比較。通過試驗證明該方法制作壓電扭轉驅動器的可行性,并進行了誤差分析,為進一步優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。關鍵詞:壓電陶瓷;扭轉驅動器;試驗研究;誤差分析中圖分類號:T H7;TN4文獻標識碼: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壓電驅動器是利用壓電材料的逆壓電效應,在電場的作用下直接將電能轉換為機械能,產(chǎn)生機械位移的換能元件。它具有分辨率高,響應快,功耗低,無電磁干擾等優(yōu)點,在微米納米驅動和控制技術中占有重要地位,其應用涉及航空航天1、精密光學2等高新技術領域。由于大多數(shù)的研究均限于對壓電直線驅動器的分析和使用,使壓電陶瓷雙晶片的扭轉性能未得到充分發(fā)揮。為了探索壓電驅動器的有效設計方法,精確分析驅動特性和提高驅動性能,為設計者提供可供參考的結構模型和分析方法,文獻3通過對壓電雙晶片振動模態(tài)的分析,為壓電

6、陶瓷振動的優(yōu)化設計提供參考。文獻4采用反饋控制方法消除結構靜變形。文獻5通過對雙晶片的應用,提出了進一步改進雙晶片結構的方法。本文使用壓電陶瓷雙晶片的彎曲變形,經(jīng)轉換機構轉換輸出扭轉位移,通過有限元計算結果與試驗測量值的對比分析和誤差分析,給出了優(yōu)化驅動器性能的方法。1驅動器結構設計1.1雙晶片的結構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構力的環(huán)氧樹脂膠粘結,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,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驅動器的結構設計設計研制的壓電扭轉驅動器結構如圖2所示。該驅動器主要由壓電陶瓷雙晶片、運動轉換機構和底部約束機構組成。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時,其中的一片雙晶片朝某個方向彎曲,另一片雙晶片朝相反方向彎曲。從頂部俯視兩個彎曲位移的合位移,為具有一定轉角的扭轉位移。該合位移帶動運動轉換塊做扭轉運動,即完成輸出 。圖2壓電扭轉驅動器結構原理2試驗方法與結果由于壓電驅動器的輸出角度與壓電陶瓷片的剛度有關,帶負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動器的角度輸出。由于試驗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算驅動器轉過角度的方法。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 為試驗時固定在運動轉換機構頂部的鏡片,Y 為反射光線。低壓時,鏡面在M 1位置,反射光線為Y 1。加壓后,鏡面轉過角度,到達M 2位置,此時反射光線為Y 2,反射光線轉過角度為。根據(jù)幾何光學的原理,=2。因此,測量出Y 1、Y 2及反射點移動的距離,根據(jù)余弦定理可計算出值,再通過值計算出值。由于當Y 1與Y 2較大時能夠增加反射點移動的距離,因此,此法能使微小轉角的測量變得簡單易行。2.2試驗結果對前述壓電陶瓷雙晶片作為驅動元件的壓電陶瓷驅動器進行理論與試驗對比

10、分析。首先使用有限元方法進行仿真模擬。經(jīng)計算,在理想的條件下,外加電壓為300V 時,理論上輸出角度為2.99°,實際測量值為2.73°,誤差為-8.78%。有限元計算值與測量值取得良好的一致,有限元計算值略大于測量值 ,如圖4所示。圖4壓電驅動器的電壓2位移圖2.3電滯回效應與遲滯效應由圖4可看出,理論上驅動器的電壓2位移曲線呈線性關系。電壓從0升至300V 時,曲線的斜率逐漸增加;電壓從300V 降至0時,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。電滯回效應對于壓電驅動器的響應特性有較大的影響。在實驗中明顯觀察到壓電陶瓷的遲滯效應

11、。遲滯效應是引起壓電陶瓷非線性的主要原因。在對驅動器施加電壓時,驅動器并不在瞬間到達最大形變,而是先產(chǎn)生階躍變形到達某一值,再隨著時間的變化產(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,則沒有足夠的時間剩余變形。因此,在試驗與實際使用時應注意由于遲滯效應給壓電陶瓷驅動器的響應特性帶來的影響。3誤差分析由于理論計算與試驗結果之間存在著不重合,因此有必要對誤差產(chǎn)生的原因及減小誤差的方法進行分析,為驅動器的優(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是響應電場的關鍵因素。由于理論計算采

12、取模型的d 33與實際陶瓷片的d 33之間的差異會影響試驗結果與仿真分析的吻合,518壓電與聲光2009年因此,對d 33的分析是有意義的。經(jīng)計算,輸出角度的變化近似為d 33變化的平方。因此,對驅動器進行優(yōu)化設計時,增加d 33能增加驅動器的輸出角度。3.2宏觀尺寸誤差分析在制作壓電陶瓷雙晶片時,由于制作者水平的不同和制作方法的差異,會引起兩片陶瓷片在長度或寬度方向的不重合,這種不重合也會對壓電驅動器的輸出產(chǎn)生影響,圖5為不重合量對輸出角度的影響。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不重合量對輸出角度的影響由于陶

13、瓷片在加工時會產(chǎn)生差異。在幾何尺寸中,厚度對輸出的影響比較大。經(jīng)計算,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陶瓷片厚度對輸出角度的影響3.3其他誤差分析在實際使用的雙晶片與理論計算模型之間,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結果不吻合的原因。膠接時粘膠的性能會對實際輸出結果產(chǎn)生一定的影響,因為膠接層的厚度較薄,凝固態(tài)膠的性能又難以測量;同時,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,膠接層內部的摩擦也會影響試驗結果,因此減小膠接

14、層的厚度也會提高試驗精度;在陶瓷片制作的過程中需經(jīng)燒結工藝定型,燒結時會使陶瓷片產(chǎn)生平面度發(fā)生變化。這些誤差的存在,都會引起理論與試驗結果的不吻合。4結束語本文研究了基于壓電陶瓷雙晶片的彎曲效應制作壓電陶瓷扭轉驅動器的方法。通過試驗證明了該方法的可行性,并為驅動器建立了有限元分析模型;對試驗誤差的深入分析為進一步優(yōu)化驅動器設計指明了方向。該驅動器結構簡單,體積小,易實現(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:1段勇,何麟書.鋯鈦酸鉛壓電陶瓷主動元件在航天自適應桁架結構中的應用J .宇航材料工藝,2004,3:56259.2袁松梅,林繼杰,莊馳,等.新型二維壓電光學掃描器J .壓電與聲光,2007,29(4:4112413.3唐勇軍,王振龍,胡富強,等.平板式超聲振子振動模態(tài)與諧響應有限元分析J .壓電與聲光,2006,28(4:4862488.4蔣建平,李東旭.