直線型超聲波電動機壓電作動器的位移特性研究

    汪紅兵，李志榮

(蘇州市職業大學，江蘇蘇州215104)      

摘要：由于壓電作動器的位移特性對直線超聲波電動機的性能有較大的影響，以單層和疊堆壓電陶瓷作動器為對象，分別通過理論和計算機模擬對其位移特性進行分析，得出了影響壓電作動器位移特性的主要因素，為研制新型疊堆壓電陶瓷作動器和開發精密直線型超聲波電動機提供理論參考。

    關鍵詞：超聲波電動機；壓電作動器；疊堆；位移

    中圈分類號：TM383    文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2010)114—0030—03

0引  言

    超聲波電動機按運動形式可分為旋轉式和直線型兩類。近幾年來直線型超聲波電動機的發展十分迅速，在微小型精密驅動系統中有代替電磁型直線電動機的趨勢。

    由超聲波電動機的原理可知，壓電材料是超聲波電動機的關鍵問題之一，而壓電陶瓷是用于超聲波電動機的主要壓電材料。目前國內外絕大多數超聲波電動機是以單層厚度為毫米級的單層或多層壓電陶瓷片(以下簡稱壓電片)作為驅動元件。隨著超聲波電動機向小、輕、薄、高效率、低振動、低噪聲和低價格方面發展，不僅對壓電陶瓷的性能要求越來越高，而且對其結構和尺寸等提出了新的要求。由于單層壓電作動器的動態位移太小，已不能滿足大行程驅動的需要，所以將多片壓電陶瓷片疊堆在一起，便構成了層疊式壓電陶瓷作動器，層疊式壓電陶瓷作動器成為一個新的研究方向。

    層疊式壓電陶瓷作動器，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，通過固態燒結工藝制作而成，并沿陶瓷層的厚度方向極化的壓電陶瓷組，各層之間在機械上串聯，在電路上并聯。與上述的壓電片相比，層疊式壓電陶瓷作動器具有能量轉換效率高、電源功耗低、響應速度快、分辨率高、輸出力大、輸出位移大且穩定、蠕變小等特點，特別是能實現低電壓驅動、體積小的優點，在包括超聲波電動機在內的各種驅動場合具有良好的應用前景。層疊式壓電陶瓷作動器的研究在國外已經開始，并陸續有相關產品面世，在國內處于起步階段。國內用于各種器件的層疊式壓電陶瓷作動器主要依賴于國外。

    本文分別以單層和疊堆壓電陶瓷為對象，通過解析方式和有限元數值分析對其基本特性進行分析，探討壓電陶瓷材料的主要性能參數對其輸出位移特性的影響情況，為研制適于超聲波電動機需要的硬特性層疊式壓電陶瓷作動器提供理論參考，為開發一種驅動電壓低、高溫適應性好、驅動效率高、微小型化的精密直線型超聲波電動機打下基礎。

1壓電陶瓷作動器位移特性解析研究

    直線型超聲波電動機如圖1所示，主要由定子和動子組成。定子上的兩組層疊式壓電陶瓷作動器呈90。放置，每組作動器的極化和布置方式均相同。當在兩組壓電陶瓷作動器分別施加正弦、余弦交流工作電壓時，就激發出空間上互相垂直、相位上相差90。的兩個縱向(即沿壓電陶瓷作動器的厚度方向) 振動，兩者在驅動頭處合成而形成橢圓運動，從而依靠定子和動子之間的摩擦，驅使動子作直線運動。

    該直線電動機要求作動器能提供縱向的位移激勵，因此要關注壓電作動器在縱向上激發起縱向振動的應變情況。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有介電常數、壓電常數及彈性系數等。 

    極化過的壓電陶瓷材料有類似六角晶系的對稱性，其柔度矩陣具有5個獨立的柔度系數，壓電常數矩陣有3個獨立分量，介電常數矩陣有2個獨立分量。即：

   選應力T和電場強度E為自變量，應變s和電位移D為因變量，得到第一類壓電方程組：

    當壓電體僅在3軸方向(即極化方向)施加電壓u時，如圖2所示，以單個壓電陶瓷片為對象，自

由邊界條件下應力Ti(i=l～6)為零，并且假設該方向的應變沿厚度