压电叠堆及直线超声电机的研究

18 高性能压电叠堆及直线超声电机的研究
李志荣 1，于剑 2，汪红兵 1，许海 1，孙春华 1，陶亦亦 1
（1 苏州市职业大学机电工程系 苏州，215104） （2 同济大学功能材料研究所 上海，200092）
摘要 为了实现超声电机的低电压高效驱动、高温运行和微小型化，综合考虑了压电陶瓷配方及工艺、压电叠堆和超声电机
压电性能参数如下: 相对介电常数为 1190，压电常数为 270pC/N，机电耦合系数分别为 0.54（Kp）、0.46（Kt）, 居里温度
为 346℃，介电损耗角正切为 0.6℅。在结构动力学分析的基础上，设计和试制了基于该种压电叠堆的 V 形直线超声电机原
型样机。在激励电压为 15V、频率为 33000Hz、电流为 1.7A 的实验条件下，样机的无负载最大速度为 30mm/s，最大推力为
基于 PbTiO3‐PbZrO3‐Bi(Zn0.5Ti0.5)O3 三元固溶 体的低熔点共熔热力学行为，实现了钙钛矿 结构 Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3 压电陶瓷的 900oC 低温烧结，为与 Ag 电极共烧作动器制
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三个方面，研制了 V 形直线超声电机。优选硬压电陶瓷配方，采用无压低温共烧工艺，研制出适合于超声电机的高性能压电
叠堆。所研制压电叠堆的断面 SEM 形貌图表明，该压电陶瓷体系具有良好的与 Ag 电极多层共烧特性。电容频谱测试结果表
明，每个压电叠堆表现出较好的一致性。所研制的 0.5% Co 掺杂 Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48 Zn0.01O3 压电陶瓷，950℃烧结 5 小时，
层叠堆式压电陶瓷、或积层式压电微位移器， 是指厚度 100μm 左右的几十层、甚至上百层 的压电陶瓷，连同电极，通过固态烧结工艺 制作而成，并沿陶瓷层的厚度方向极化的压 电陶瓷组，各层之间在机械上串联，在电路 上并联。与上述压电片相比，压电叠堆的能 量转换效率高、电源功耗低、响应速度快、
1 压电叠堆的制作与性能[7‐8]
图 1 0.5% Co 掺杂 Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3 压电陶瓷不同烧结温度压电性能
图 2 多层压电陶瓷作动器断面 SEM 形貌图
2 V 形直线电机及其性能[9‐10]
所研制的直线型超声电机的方案如图 4 所 示，主要由定子和动子组成。定子上的两组 压电叠堆呈 90º 安放。当在两组压电叠堆上 分别施加正弦、余弦交流工作电压时，就激 发出在空间上互相垂直、在相位上相差 90º 的两个纵向（即沿压电叠堆的厚度方向）振 动，二者在驱动头处合成而形成椭圆运动， 从而依靠定子和动子之间的摩擦，驱使动子 作直线运动。由于压电叠堆的布置呈倒“V” 字形，故把该种电机称为 V 形直线电机。
图 5 电机定子照片
图 6 电机整机照片
(a) 反对称振型（32938Hz）
设计中采用有限元软件ANSYS对电机的定子 进行结构动力学分析，驱动头采用solid45 单元进行网格划分，压电叠堆部分用solid5 单元进行网格划分，并假设压电叠堆与底座 为固支连接。定子仍采用一阶纵振构成的反 对称模态和对称模态，理论计算的模态频率 分别为32938Hz、33178Hz，实测的模态频率 分别为33945Hz、33296Hz。定子的工作振型 如图7所示。
Study on High-performance Multilayered Piezoceramic
Actuator and Linear Ultrasonic Motor Based on the Actuator
Zhirong Li1, Jian Yu2, Hongbing Wang1, Hai Xu1, Chunhua Sun1, Yiyi Tao1
式二维精密驱动[J]. 光学精密工程, 2006, 14(4): 602-606 [7] Wenze He and Jian Yu. Piezoelectric properties of Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3 ceramics[J]. Jpn. J. Appl. Phys. 2011, 50: 025802/1-025802/4 [8] Tingting Wang, Feifei An and Jian Yu. Electrical Properties of Low Temperature Sintered Piezoceramics[J]. Ferroelectrics, 2010, 408: 98-102 [9] Zhirong Li, Hongbing Wang, Hai Xu and Chao Chen. Study on V-shaped Linear Ultrasonic Motor and its Experiments[J]. Advanced Materials Research, 2011, 199-200: 78-82 [10] 汪红兵, 李志荣, 许海,孙春华, 陶亦亦. V 形 直线超声电机定子的优化设计[J]. 机械设计与制造, 2011, 12: 242-243
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作奠定了基础，并探索了不同掺杂元素对铁 电性能的影响。 图 1 给 出 了 0.5% Co 掺 杂 Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3 压电陶瓷不同烧 结 温 度 压 电 性 能 。 对 于 0.5% Co 掺 杂 Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48 Zn0.01O3 压电陶瓷，950oC 烧结 5 小时，压电性能参数如下: 相对介电 常 数 ε33T/ε0=1190, 介 电 损 耗 角 正 切 tanδ=0.6%, 压电常数 d33=270 pC/N, 机电耦 合系数 kp=0.54、kt=0.46, 居里温度 Tc=346oC， 与商用 PZT‐8 压电陶瓷的水平相当。对于 Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3 压电陶瓷体系，目 前存在的问题是机械品质因数 Qm 偏小，仍 需通过不同掺杂元素及其用量优化，提高 Qm 至 500 以上。
(1 Department of Mechanical and Electrical Engineering, Suzhou Vocational University Suzhou, 215104, China) (2 Functional Materials Research Laboratory, Tongji University Shanghai, 200092, China)
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2.2N。
关键词 直线超声电机，压电叠堆，无压低温烧结，压电陶瓷
图书分类号 TM356
引言
压电陶瓷是用于超声电机的主要压电材料。 目前国内外绝大多数超声电机是以单层厚度 为毫米级的单层或多层压电陶瓷片（以下简 称压电片）作为驱动元件。随着超声电机向 小、轻、薄、高效率、低振动、低噪声和低 价格方面发展，不仅对压电陶瓷的性能要求 越来越高，而且对其结构和尺寸等提出新的 要求。其中压电叠堆成为一个新的研究方向 [1‐3]。 压电叠堆，亦称层叠式压电陶瓷作动器、多
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对电机的输出性能进行了测试，在激励电压 为15V、频率为33000Hz、电流为1.7A的条件 下，无负载最大速度为30mm/s，最大推力为 2.2N。因此，电机的输出性能基本上达到了 研制的目标，其中空载速度达到了预期的要 求（大于20mm/s），最大推力接近预期值 （2.5N）。
3 结束语
（1）所采用的压电陶瓷配方和低温烧结工 艺，为压电陶瓷与 Ag 电极共烧、压电叠堆的 制作奠定了基础。 （2）所研制的压电叠堆的性能参数，基本达 到了商用 PZT‐8 压电陶瓷的水平，具有良好 的工程应用前景。 （3）基于该种压电叠堆的 V 形直线超声电 机，在低电压驱动下，具有较好的输出性能。 由于压电叠堆的居里温度较高，因而该电机 也具有良好的高温适应性。 总之，本文的研究成果，对于压电叠堆的国
(b)对称振型（33178Hz） 图7 定子的工作模态
图 4 V 型直线电机
V 形直线电机的原型样机采用自行研制的层 叠式压电叠堆，压电叠堆的外形尺寸为 8 ㎜ ×3.2 ㎜×2.2 ㎜（外径×内径×厚）。电机 的定子如图 5 所示，由压电叠堆、驱动头、 底座组成，用螺栓将三者连接在一起。原型 样机的整机如图 6 所示，由定子、动子和若 干附属件组成。附属件主要包括夹持装置、 预紧力调节装置，用以保证电机的定子与动 子之间有正确的相对位置关系、合适的预紧 力。
产化和 V 形直线超声电机的低电压驱动、微 小型化、高温适应性，均具有指导意义。
参考文献
[1] 赵淳生著. 超声电机技术与应用[M]. 北京: 科 学出版社, 2007 [2] 赵淳生. 面向 21 世纪超声电机技术的研究[J]. 中国工程科学, 2002, 14(2): 86-91 [3] 胡敏强, 金龙 ,顾菊平. 超声波电机原理与设 计[M]. 北京: 科学出版社, 2005 [4] Jansen John, Lind Randal, Love Lonnie. Modeling and Testing of a novel piezoelectric pump [J]. IEEE International Conferenceon Robotics & Automation, 2004, (4): 5238-5243 [5] 刘登云, 杨志刚, 程光明, 曾平. 压电叠堆泵微 位 移 放 大 机 构 的 试 验 研 究 [J]. 机 械 与 电 子,2007,(3)：75-77 [6] 刘国嵩, 杨志刚,曾 平, 程光明. 新型压电步进
图 3 三个多层共烧压电陶瓷作动器的 电容频谱测试结果
对于 Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.01O3 压电陶瓷， 委托某公司采用流延多层叠烧技术进行了压 电叠堆的加工。图 2 给出了 930oC 与 Ag 电极 共烧多层压电陶瓷作动器断面 SEM 形貌图。 由图可见，本文发展的新型铁电压电陶瓷体 系具有良好的与 Ag 电极多层共烧特性。图 3 给出了其中三个多层共烧压电陶瓷作动器的 电容频谱测试结果，表现出较好的一致性。
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分辨率高、输出力大、输出位移大且稳定、 蠕变小等特点，特别是能实现低电压驱动、 体积小的优点，在包括超声电机在内的各种 驱动场合具有良好的应用前景[4‐5]。压电叠堆 的研究在国外已经开始，并陆续有相关产品 面世，在国内处于起步阶段。国内用于各种 器件的压电叠堆，主要依赖于国外[5‐6]。 本文综合考虑了压电陶瓷配方及工艺、压电 叠堆和超声电机三个方面，研制了适合于超 声电机的高性能压电叠堆和基于该种压电叠 堆的 V 形直线超声电机。
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