直線型超聲波電動(dòng)機(jī)壓電作動(dòng)器的位移特性研究
汪紅兵，李志榮
(蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇蘇州215104)
摘要：由于壓電作動(dòng)器的位移特性對(duì)直線超聲波電動(dòng)機(jī)的性能有較大的影響，以單層和疊堆壓電陶瓷作動(dòng)器為對(duì)象，分別通過理論和計(jì)算機(jī)模擬對(duì)其位移特性進(jìn)行分析，得出了影響壓電作動(dòng)器位移特性的主要因素，為研制新型疊堆壓電陶瓷作動(dòng)器和開發(fā)精密直線型超聲波電動(dòng)機(jī)提供理論參考。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；壓電作動(dòng)器；疊堆；位移
中圈分類號(hào)：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)114—0030—03
0引 言
超聲波電動(dòng)機(jī)按運(yùn)動(dòng)形式可分為旋轉(zhuǎn)式和直線型兩類。近幾年來直線型超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展十分迅速，在微小型精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有代替電磁型直線電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì)。
由超聲波電動(dòng)機(jī)的原理可知，壓電材料是超聲波電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵問題之一，而壓電陶瓷是用于超聲波電動(dòng)機(jī)的主要壓電材料。目前國內(nèi)外絕大多數(shù)超聲波電動(dòng)機(jī)是以單層厚度為毫米級(jí)的單層或多層壓電陶瓷片(以下簡稱壓電片)作為驅(qū)動(dòng)元件。隨著超聲波電動(dòng)機(jī)向小、輕、薄、高效率、低振動(dòng)、低噪聲和低價(jià)格方面發(fā)展，不僅對(duì)壓電陶瓷的性能要求越來越高，而且對(duì)其結(jié)構(gòu)和尺寸等提出了新的要求。由于單層壓電作動(dòng)器的動(dòng)態(tài)位移太小，已不能滿足大行程驅(qū)動(dòng)的需要，所以將多片壓電陶瓷片疊堆在一起，便構(gòu)成了層疊式壓電陶瓷作動(dòng)器，層疊式壓電陶瓷作動(dòng)器成為一個(gè)新的研究方向。
層疊式壓電陶瓷作動(dòng)器，亦稱多層疊堆式壓電陶瓷、壓電疊堆或積層式壓電微位移器，是指厚度100m左右的幾十層，甚至上百層的壓電陶瓷，連同電極，通過固態(tài)燒結(jié)工藝制作而成，并沿陶瓷層的厚度方向極化的壓電陶瓷組，各層之間在機(jī)械上串聯(lián)，在電路上并聯(lián)。與上述的壓電片相比，層疊式壓電陶瓷作動(dòng)器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、電源功耗低、響應(yīng)速度快、分辨率高、輸出力大、輸出位移大且穩(wěn)定、蠕變小等特點(diǎn)，特別是能實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)、體積小的優(yōu)點(diǎn)，在包括超聲波電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的各種驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景。層疊式壓電陶瓷作動(dòng)器的研究在國外已經(jīng)開始，并陸續(xù)有相關(guān)產(chǎn)品面世，在國內(nèi)處于起步階段。國內(nèi)用于各種器件的層疊式壓電陶瓷作動(dòng)器主要依賴于國外。
本文分別以單層和疊堆壓電陶瓷為對(duì)象，通過解析方式和有限元數(shù)值分析對(duì)其基本特性進(jìn)行分析，探討壓電陶瓷材料的主要性能參數(shù)對(duì)其輸出位移特性的影響情況，為研制適于超聲波電動(dòng)機(jī)需要的硬特性層疊式壓電陶瓷作動(dòng)器提供理論參考，為開發(fā)一種驅(qū)動(dòng)電壓低、高溫適應(yīng)性好、驅(qū)動(dòng)效率高、微小型化的精密直線型超聲波電動(dòng)機(jī)打下基礎(chǔ)。
1壓電陶瓷作動(dòng)器位移特性解析研究
直線型超聲波電動(dòng)機(jī)如圖1所示，主要由定子和動(dòng)子組成。定子上的兩組層疊式壓電陶瓷作動(dòng)器呈90。放置，每組作動(dòng)器的極化和布置方式均相同。當(dāng)在兩組壓電陶瓷作動(dòng)器分別施加正弦、余弦交流工作電壓時(shí)，就激發(fā)出空間上互相垂直、相位上相差90。的兩個(gè)縱向(即沿壓電陶瓷作動(dòng)器的厚度方向) 振動(dòng)，兩者在驅(qū)動(dòng)頭處合成而形成橢圓運(yùn)動(dòng)，從而依靠定子和動(dòng)子之間的摩擦，驅(qū)使動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)。
該直線電動(dòng)機(jī)要求作動(dòng)器能提供縱向的位移激勵(lì)，因此要關(guān)注壓電作動(dòng)器在縱向上激發(fā)起縱向振動(dòng)的應(yīng)變情況。壓電材料的主要性能有介電性、壓電性和彈性等，反映這些主要性能的參數(shù)有介電常數(shù)、壓電常數(shù)及彈性系數(shù)等。
極化過的壓電陶瓷材料有類似六角晶系的對(duì)稱性，其柔度矩陣具有5個(gè)獨(dú)立的柔度系數(shù)，壓電常數(shù)矩陣有3個(gè)獨(dú)立分量，介電常數(shù)矩陣有2個(gè)獨(dú)立分量。即：
選應(yīng)力T和電場(chǎng)強(qiáng)度E為自變量，應(yīng)變s和電位移D為因變量，得到第一類壓電方程組：
當(dāng)壓電體僅在3軸方向(即極化方向)施加電壓u時(shí)，如圖2所示，以單個(gè)壓電陶瓷片為對(duì)象，自
由邊界條件下應(yīng)力Ti(i=l～6)為零，并且假設(shè)該方向的應(yīng)變沿厚度 |
