一种正交型压电位移放大机构的研究_徐志科

收稿日期:2007-10-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50277006) 作者简介:徐志科(1978-),男,江苏常州人,讲师,博士,主要从事超声波电机、压电致动器的研究。

文章编号:1004

-2474(2009)02-0207-03一种正交型压电位移放大机构的研究

徐志科,鄢 珂,金 龙

(东南大学电气工程学院,江苏南京210096)

摘 要:叠层型压电陶瓷利用逆压电效应可得到精确的微位移量,用作执行器。基于正交三角放大原理设计

了一种微位移放大机构。通过有限元法分析设计放大机构,使其将叠层型压电微位移器的位移量放大。研制了样机,并对其进行静、动态性能实验。实验结果表明,该机构各项指标均达到设计要求,证明了设计理论的正确性。

关键词:放大机构;压电叠层;正交放大中图分类号:T P212 文献标识码:A

Research of O rthoconal Micro -displacement Amplifier with Piezoelectic Actuator

XU Zh-i ke,YAN Ke,JIN Long

(Dept.of Electrical Engineering,South east U nivers ity,Nanjin g 210096,China)

Abstract:U sing conv er se piezoelect ric effect ,piezo electric stack w as used as an act uato r to g et the precision m-i

cr o displacement,A micro -displacement amplifying mechanism w as pr esented,which w as based on the principles o f ort ho go nal triang le amplificat ion.T he amplif ier was driv en by piezo electric stack actuator s.T he displacement o f pie -zoelectr ic actuators was amplified by the amplify ing mechanism,which w ere analy zed thro ug h the f inite element met ho d.T he pro toty pe w as fabricated by machining ,and then the ex per iment and analysis of the dy nam ics and st at ic char acter istics for the pr oto type wer e car ried out.A ll design pa rameters achieved and the design theor y also pr oved its cor rectness in the ex periment.

Key words:am plify ing mechanism;piezoelect ric stack;o rthog onal amplificatio n

压电微位移器以其体积小,线形度好,输出力大,分辨率高和易控制等优点,成为微机电领域新的热点。尤其是叠层型压电微位移器,作为驱动元件在精密机械电子领域得到了广泛应用[1-3]

。但因其驱动位移较小,如长为45mm 的压电叠层型微位移器在100V 的电压激励下,位移输出量仅20几微米,使其应用范围受到了限制。

近年来,国内外学者提出了杠杆放大、三角放大、压曲放大、柔性铰链等多种压电位移放大机构的设计,国内以柔性铰链型放大机构为主[4-8]。但柔性铰链结构输出力较小,线性度不好,设计复杂,响应特性不佳,柔性部件变形引起的运动也受变形部分强度所限[9]

。K.U chino 等提出的Mo onies 、Cy m -bals 等位移放大方案,采用的是对称结构,压电叠层的位移形变方向与输出形变方向垂直正交,在位移放大的同时,能得到很大的输出力[10-12]。法国学者也有类似的研究[13]。

基于正交三角放大原理研究了一种压电微位移放大机构,并采用有限元法进行优化分析设计。研制出样机,并通过静、动态分析实验对理论分析结果进行了验证。

1 叠层型压电陶瓷及其特性

压电陶瓷利用逆压电效应,将电能直接转化成机械能。这种机电耦合关系可用压电方程表述

为[14

-15]

{S}=[s]E {T }+[d]t

{E}{D}=[d]{T }+[E ]T

{E}

(1)

式中 {T}、{S}分别为压电弹性体的应力、应变向量;{D}、{E}分别为压电体的电位移和电场强度向量;[d]为压电应变常数矩阵;[E ]

T

为零应力(或常

应力)状态下的介电常数矩阵;[s]E 为无外电场(或恒定电场)状态下的弹性柔顺矩阵;[d]T

为矩阵[d]的转置矩阵。

由于单片压电陶瓷微位移量有限,因此将多片压电陶瓷构成叠层。叠层中的压电陶瓷片采用机械上串联和电学上并联的形式连接,可在较低的驱动电压下得到较大的微位移量。

由n 个几何、物理参数相同的压电片组成的叠层型压电陶瓷,在理想情况和相同电压驱动下,各压电片间不存在能量损耗,其输出位移D i 和相位均相同。因此,叠层型压电陶瓷的总位移输出可认为是

第31卷第2期压 电 与 声 光

Vo l.31No.22009年4月

PI EZO EL ECT ECT RI CS &ACO U ST OO PT ICS

Apr.2009