湯玉竹，楚宇恒，郝賽, 徐磊，黃康

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥230009）

0 引 言

壓電晶片是由彈性金屬基片與壓電陶瓷片粘接而成。其廣泛應(yīng)用于壓電馬達(dá)、壓電風(fēng)扇、壓電泵等領(lǐng)域。在各類壓電馬達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，壓電晶片經(jīng)常作為驅(qū)動(dòng)或箝位部件，這造成壓電晶片經(jīng)常處于與其他零件搭接的狀態(tài)。如2014年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘巧生等研制的一種基于波形合成的諧振型箝位機(jī)構(gòu)的壓電直線電動(dòng)機(jī)，其所設(shè)計(jì)的音叉結(jié)構(gòu)起到箝位作用，但在其研究中并沒(méi)有考慮到音叉結(jié)構(gòu)與輸出軸之間最佳接觸位置。

壓電晶片的搭接狀態(tài)對(duì)其工作頻率會(huì)產(chǎn)生顯著影響，從而影響壓電馬達(dá)的輸出性能，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致壓電馬達(dá)無(wú)法工作。本文針對(duì)壓電晶片的搭接狀態(tài)進(jìn)行分析，探究搭接位置和搭接力對(duì)于壓電晶片諧振特性的影響，為壓電馬達(dá)、壓電風(fēng)扇等壓電器件的設(shè)計(jì)提供輔助性依據(jù)。

1 常規(guī)壓電單晶片搭接振動(dòng)仿真

根據(jù)壓電陶瓷片粘貼的個(gè)數(shù)，可以把壓電晶片振子分為壓電單晶片和壓電雙晶片。壓電單晶片是在彈性金屬基片單側(cè)粘貼壓電片，壓電晶片振子通常有兩種運(yùn)用方式，一種是兩端固定，中間輸出位移和力；另一種是一端固定一端自由，自由端輸出位移和力，稱為懸臂梁式。該結(jié)構(gòu)的壓電振動(dòng)晶片相較于兩端固定式的壓電振動(dòng)晶片具有更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和更大的輸出位移。本文僅分析懸臂梁式壓電單晶片的搭接特性。

利用有限元軟件COMSOL進(jìn)行仿真：1）用SolidWorks建立三維模型；2）將模型導(dǎo)入仿真軟件；3）選擇物理場(chǎng)為壓電設(shè)備；4）選擇研究類型為特征頻率；5）導(dǎo)入材料65Mn鋼和PZT-4，并將陶瓷片與金屬懸臂梁的材料屬性定義為PZT-4和65Mn鋼；6）劃分網(wǎng)格；7）將金屬懸臂梁固定端固定約束；8）設(shè)定邊界條件（終端與接地）；9）點(diǎn)擊計(jì)算；10）分析計(jì)算結(jié)果。材料參數(shù)如表1所示。

如圖1所示，該三維模型最終的仿真結(jié)果是其一階特征頻率為247.2 Hz。

表1 壓電單晶片所用材料參數(shù)

圖1 金屬懸臂梁詳細(xì)尺寸參數(shù)

圖2 模型仿真結(jié)果

2 壓電晶片搭接振動(dòng)測(cè)試裝置

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置主要包括底座振子、滑塊、固定螺栓、預(yù)緊結(jié)構(gòu)（包括預(yù)緊螺栓、彈簧、墊圈、鋼管、鋼珠）、定位螺栓和振子。其中振子為懸臂梁結(jié)構(gòu)，材料為65Mn，單側(cè)表面貼有壓電單晶片；滑塊為一個(gè)中間帶有T形孔的矩形結(jié)構(gòu)，且T形孔下部為螺紋孔，用于預(yù)緊螺栓施加預(yù)緊力，滑塊兩側(cè)面各開(kāi)一個(gè)螺紋孔，用于與底座X軸、Y軸方向固定；底座為一個(gè)帶有凹槽的L形結(jié)構(gòu)，底部開(kāi)一個(gè)通孔用于實(shí)驗(yàn)臺(tái)固定，底座頂部的螺紋孔用于調(diào)整滑塊位置，側(cè)面通孔用于固定滑塊；通過(guò)旋緊預(yù)緊螺栓，鋼珠將對(duì)壓電晶片振子施加力，而調(diào)整預(yù)緊螺栓的旋緊程度可以起到調(diào)整預(yù)緊力的作用。

圖3 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)通過(guò)定位螺栓調(diào)整滑塊在凹槽上的位置，由此可以調(diào)整并確定振子與鋼珠的接觸點(diǎn)位置；通過(guò)旋轉(zhuǎn)預(yù)緊螺栓可以確定鋼珠對(duì)振子接觸力的大??；其中定位螺栓和固定螺栓保證滑塊和底座的固定。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

加工一65Mn金屬懸臂梁，壓電單晶片的尺寸參數(shù)為20 mm×30 mm×0.2 mm，將壓電陶瓷片粘貼到金屬懸臂梁上，并將金屬懸臂梁固定在底座上，利用激光位移傳感器（ILD-2300-2，德國(guó) 米 銥 Micro -Epsilon）和阻抗分析儀（IM3570，日置電動(dòng)機(jī)株式會(huì)社HIOKI）分別測(cè)試金屬懸臂梁的尖端位移和阻抗特性，測(cè)試裝置如圖4、圖5所示。

圖4 位移測(cè)試裝置

圖5 阻抗測(cè)試裝置

測(cè)試方法為：根據(jù)壓電陶瓷片在金屬懸臂梁上粘貼的位置，規(guī)定壓電陶瓷片與金屬懸臂梁尖端面相平行且距離最短的面作為位移測(cè)試中的初始位置即零位置，在未粘貼壓電單晶片的一側(cè)以壓電陶瓷片搭接的初始位置為起點(diǎn)，每隔2 mm畫(huà)一道線作為測(cè)試過(guò)程中的接觸點(diǎn)。

圖6 位置調(diào)整方法示意

通過(guò)調(diào)整滑塊位置實(shí)現(xiàn)接觸點(diǎn)位置的變化，調(diào)整預(yù)緊螺栓改變接觸力大小, 并利用激光位移傳感器和阻抗分析儀分別測(cè)量其懸臂梁式的壓電單晶片的尖端位移和阻抗特性，其中激勵(lì)信號(hào)頻率為247 Hz，電壓峰-峰值為78 V。主要測(cè)試內(nèi)容包括以下兩類：1）測(cè)量在相同接觸力時(shí)，不同接觸點(diǎn)對(duì)壓電單晶片共振頻率及尖端振幅的影響；2）測(cè)量在相同接觸點(diǎn)時(shí)，不同接觸力對(duì)壓電單晶片共振頻率及尖端振幅的影響。

圖7 相同接觸力狀態(tài)下不同觸點(diǎn)位置對(duì)諧振特性的影響

測(cè)試結(jié)果顯示在相同接觸力F=5 N情況下，壓電單晶片的共振頻率隨著接觸點(diǎn)位置遠(yuǎn)離金屬懸臂梁尖端位置而變小，其共振頻率最大為fmax=261.2 Hz，最小為fmin=216.9 Hz，其變化的幅度為-20.5%；懸臂梁式的壓電單晶片的尖端振幅會(huì)隨著遠(yuǎn)離懸臂梁尖端而變得越來(lái)越大, 且接觸點(diǎn)位置不小于16 mm時(shí)，其尖端振幅的變化會(huì)趨于平穩(wěn)。總而言之，在相同接觸力的情況下，接觸點(diǎn)位置越接近金屬懸臂梁固定端，接觸點(diǎn)位置變化對(duì)尖端振幅及諧振頻率的影響會(huì)變小。

圖8 相同觸點(diǎn)位置狀態(tài)下不同接觸力對(duì)諧振特性的影響

測(cè)試結(jié)果顯示在接觸點(diǎn)位置為20 mm的情況下，壓電單晶片的共振頻率隨著接觸力的變化，其共振頻率基本保持不變，其變化的最大幅度為1.3%；懸臂梁式的壓電單晶片的尖端振幅的最大值出現(xiàn)在不受外力的狀態(tài)下，其最大值為32.82 μm?；诖嬖诮佑|力的情況下，對(duì)于該結(jié)構(gòu)的壓電單晶片，其最佳接觸力為5 N，此時(shí)臂梁式的壓電單晶片的尖端振幅為28.69 μm。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上分析可知，對(duì)于金屬懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電單晶片搭接位置變化時(shí)，其工作頻率會(huì)發(fā)生變化且工作頻率隨著搭接位置遠(yuǎn)離金屬懸臂梁尖端位置而衰減；對(duì)于壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電馬達(dá)，其安裝結(jié)構(gòu)變化后必須重新給定工作頻率，以保證壓電馬達(dá)的工作效率。針對(duì)搭接型的壓電晶片，若想保持其原來(lái)的諧振響應(yīng)，應(yīng)將搭接位置盡量靠近壓電晶片根部；對(duì)于壓電單晶片，搭接位置離單晶片根部的距離占單晶片總長(zhǎng)的46.6%以內(nèi)，能夠大致保持壓電單晶片的諧振特性。建議在設(shè)計(jì)壓電馬達(dá)時(shí)，添加預(yù)緊結(jié)構(gòu)，保證壓電馬達(dá)中動(dòng)子和定子之間的充分接觸，方便調(diào)整壓電馬達(dá)中動(dòng)子和定子之間的預(yù)緊力，以提高其工作效率。