張樹良,劉永剛,2,李海吉,王亞騰

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003;2.河南科技大學(xué) 機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 洛陽 471003)

0 引言

壓電驅(qū)動(dòng)器主要利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),依靠壓電材料基體在外加電場(chǎng)的作用下直接或間接產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)位移或力[1]。與傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)器相比,壓電驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的微位移系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,體積小及組合靈活等優(yōu)點(diǎn)[2]。在智能材料結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,壓電驅(qū)動(dòng)器作為一種新型的驅(qū)動(dòng)元件已備受關(guān)注。目前在機(jī)械加工、精密儀器、光學(xué)和生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用也越來越多[3-4]。

田曉超等[5]對(duì)“十”字型壓電慣性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了理論分析與應(yīng)用測(cè)試,證明了該驅(qū)動(dòng)器能較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。江裕雷等[6]設(shè)計(jì)了一種徑向雙壓疊堆執(zhí)行器,結(jié)果表明,該執(zhí)行器的位移放大輸出高,且在高頻下無明顯衰減。張靜等[7]研究了助燒劑對(duì)陶瓷樣品性能影響,并制備疊層壓電驅(qū)動(dòng)器,結(jié)果表明,隨著電壓的增加,位移逐漸增大。R.K. Veeresha等[8]提出了一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)底座的線性步進(jìn)運(yùn)動(dòng),通過施加激勵(lì)信號(hào)測(cè)量相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果并繪制了曲線,最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的平穩(wěn)運(yùn)行。Lu Yonggang等[9]研究了一種叉指型電極壓電驅(qū)動(dòng)器,對(duì)其進(jìn)行有限元分析并制備了該試樣,結(jié)果表明,該驅(qū)動(dòng)器徑向位移峰值為1.63 μm,是相同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)電極壓電驅(qū)動(dòng)器的2.5倍。

近年來,隨著壓電驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展,對(duì)傳統(tǒng)單一方向產(chǎn)生位移的驅(qū)動(dòng)器研究已不能滿足實(shí)際所需,如扭轉(zhuǎn)傳感器、光學(xué)掃描儀及超聲波電機(jī)等領(lǐng)域都需要獲得扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能。因此,學(xué)者們相繼提出一系列螺旋驅(qū)動(dòng)器[10],如超螺旋結(jié)構(gòu)、螺旋纖維管、縱向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變換器和利用多層薄片復(fù)合而成的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器等,此類驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)盡管可實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的目的,但其一般都具有復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu),極化電場(chǎng)分布非線性,制造難度大且成本高。此外,受結(jié)構(gòu)截面特定形狀的限制,對(duì)于尺寸小于1 mm的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)成型工藝較復(fù)雜。

為了獲得扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能,降低制造復(fù)合壓電驅(qū)動(dòng)器的難度及制作成本,且能獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的問題。郭全圓等[11]采用有限元法分析了一種叉指電極結(jié)構(gòu)形式的螺旋電極壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(SEPA),結(jié)果表明,非等間距的對(duì)數(shù)螺旋電極壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器能產(chǎn)生明顯的切向應(yīng)變和較大的徑向應(yīng)變。在此基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于阿基米德螺線的等間距螺旋電極壓電驅(qū)動(dòng)器,對(duì)該驅(qū)動(dòng)器元件進(jìn)行了制備,并搭建位移測(cè)試平臺(tái),研究了徑向及扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能,最后通過大量的試驗(yàn)證明該驅(qū)動(dòng)器具有較大的徑向位移輸出,并產(chǎn)生了明顯的扭轉(zhuǎn)角度。

1 結(jié)構(gòu)原理與測(cè)量方式

1.1 驅(qū)動(dòng)理論分析

等間距螺旋電極壓電驅(qū)動(dòng)器上下表面電極曲線滿足阿基米德螺線公式,在極坐標(biāo)系下其方程為

r=r0+aθ

(1)

式中:r為極徑;θ為極角;r0為θ=0°時(shí)的極徑;a為阿基米德螺旋線系數(shù)。

對(duì)于平面螺旋電極壓電元件,在外加激勵(lì)電場(chǎng)的作用下,其利用壓電常數(shù)d33和d31在平面內(nèi)產(chǎn)生徑向及扭轉(zhuǎn)位移,元件的極化方向垂直于螺旋電極線,其壓電本構(gòu)方程為

ε=SEσ+dE

(2)

D=dσ+λσE

(3)

式中:ε為應(yīng)變向量;σ為應(yīng)力向量;E為電場(chǎng)強(qiáng)度向量;D為電位移向量;S為彈性柔順常數(shù)矩陣;d為壓電應(yīng)變系數(shù)矩陣;λ為相對(duì)介電常數(shù)矩陣;上標(biāo)E、σ分別為恒定電場(chǎng)強(qiáng)度(E=0)和恒定應(yīng)力(σ=0)條件下的材料常數(shù)。

在不受外力作用下,驅(qū)動(dòng)器只受E的作用,電場(chǎng)方向沿著驅(qū)動(dòng)器徑向,可將式(2)簡(jiǎn)化為二維平面形式進(jìn)行分析。因此,只在沿著徑向3方向有電場(chǎng)強(qiáng)度E3,其他方向電場(chǎng)強(qiáng)度為0。為了研究該驅(qū)動(dòng)器徑向及扭轉(zhuǎn)變形,需要對(duì)式(2)坐標(biāo)系根據(jù)幾何原理進(jìn)行坐標(biāo)變換[11],可得在恒定應(yīng)力狀態(tài)下,等間距螺旋電極壓電驅(qū)動(dòng)器在平面電極區(qū)域的徑向應(yīng)變?yōu)?/p>

ε33=(d33cos2β+d31sin2β)E3

(4)

由式(4)可知,電場(chǎng)強(qiáng)度為影響驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)性能的主要因素。理想情況下,電場(chǎng)線是始終沿著徑向方向且平行于圓盤表面。在實(shí)際中,電極附近區(qū)域電場(chǎng)線呈現(xiàn)一種非線性非均勻的分布,且在電極正下方的電場(chǎng)線較密集,只有在遠(yuǎn)離電極區(qū)域才呈現(xiàn)理想的均勻電場(chǎng)。在外加電壓載荷的作用下,驅(qū)動(dòng)器電極區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變變化不均勻,且非線性分布,只有在一對(duì)異性電極中間的均勻電場(chǎng)區(qū)域應(yīng)力和應(yīng)變才逐漸呈現(xiàn)一種線性均勻的趨勢(shì)。

1.2 結(jié)構(gòu)與原理

傳統(tǒng)型壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。在壓電陶瓷的上下表面均涂滿銀材料作為元件的正負(fù)電極,極化方向與電場(chǎng)方向一致沿著軸向方向,在壓電常數(shù)d31的作用下產(chǎn)生徑向變形。等間距SEPA的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,在壓電圓盤基體的上下表面各分布1對(duì)等間距的螺旋電極,在每個(gè)平面內(nèi)2根螺旋結(jié)構(gòu)的電極交叉排布,極化方向沿著徑向,利用壓電常數(shù)d33可產(chǎn)生徑向變形。在數(shù)值上d33?d31,因此,螺旋電極元件沿徑向的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)元件。在d31的作用下,電極結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。這種電極布置方式有效地利用了圓盤平面區(qū)域,具有提高驅(qū)動(dòng)器變形的潛能。由圖1(b)可看出,螺旋電極半徑是繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù),隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加,半徑不斷增大,但正負(fù)電極間距始終保持不變。其中,正、負(fù)電極加載正、負(fù)電壓載荷。

圖1 壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

等間距SEPA的電極結(jié)構(gòu)形式基于阿基米德螺旋線,該驅(qū)動(dòng)器局部電極結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系如圖2所示。不同于漸開式的電極線,該電極模式是一種既非中心對(duì)稱又非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的平面螺旋。其中電極結(jié)構(gòu)是一段關(guān)于壓電圓盤中心點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)的螺旋線,滿足阿基米德螺旋曲線方程的函數(shù)。

圖2 局部電極坐標(biāo)系

圖2中,1、3方向分別為螺旋線段上任一點(diǎn)的切向和垂向方向,y、x方向?yàn)檫^該點(diǎn)的圓周切向方向和與之垂直方向,β為螺旋線上任一點(diǎn)的切線方向與過該點(diǎn)的圓周切線之間的夾角,稱為螺旋角[11]。在驅(qū)動(dòng)電壓下,由于d33和d31的作用,等間距SEPA作為驅(qū)動(dòng)元件將產(chǎn)生沿著電場(chǎng)方向和與電場(chǎng)線垂直且相切的兩個(gè)方向的應(yīng)變,在d33和d31共同作用下,將在壓電圓盤的輸出面耦合出徑向運(yùn)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1.3 性能測(cè)量方式

為了測(cè)得元件的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)性能,需要分析其徑向位移及扭轉(zhuǎn)角度測(cè)量方式。圖3為元件位移測(cè)量簡(jiǎn)圖。在徑向位移測(cè)量過程中,先對(duì)元件底端進(jìn)行全約束,然后對(duì)A點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)可獲得在激勵(lì)信號(hào)下元件的徑向位移,如圖3(a)所示。為了測(cè)得A點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角,試驗(yàn)中在元件自由端加裝一個(gè)類似于位移放大器的放大臂L(L=25 mm),在外加載荷作用下,L將產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)角度φ,相應(yīng)在檢測(cè)點(diǎn)B點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)位移Δx,而通過檢測(cè)Δx,可間接測(cè)得A點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角度,如圖3(b)所示。由于該驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形很小,根據(jù)圖3(b)中幾何關(guān)系可知:

圖3 元件位移測(cè)量方式

(5)

該結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單,操作方便,通過式(5)可將測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為所需扭轉(zhuǎn)角度。

2 試樣制備

2.1 螺旋電極制作

以直徑?25 mm、厚2 mm的PZT52壓電陶瓷圓片為基體制備試樣,通過絲網(wǎng)印刷方式在基體表面布滿預(yù)設(shè)的螺旋電極,電極基圓半徑為1 mm,電極寬度為0.6 mm,電極間距為0.6 mm,最大正負(fù)電極環(huán)數(shù)為9環(huán)。電極材料為導(dǎo)電銀膠,其具有良好的導(dǎo)電性能,且能夠緊密牢固地粘接在壓電陶瓷表面。在制作過程中,首先使用酒精將印有電極結(jié)構(gòu)的印刷網(wǎng)版進(jìn)行清潔處理,然后將其放置于壓電圓盤基體表面,用刮板將銀膠刷在網(wǎng)板上,使電極結(jié)構(gòu)最大范圍地利用壓電陶瓷表面。常溫下,印刷銀電極材料為液態(tài),在壓電陶瓷表面不易固化,粘附性不強(qiáng)且導(dǎo)電性能很差。因此,每完成一面電極的印制,需將其放置于10 A箱式電阻爐中加熱到150 ℃,并保溫約30 min,如圖4所示。待加熱完成,冷卻到室溫后,在壓電陶瓷兩側(cè)的電極末端位置做好標(biāo)記,保證上下表面電極結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,然后進(jìn)行另一表面電極的制作。

圖4 箱式電阻爐

為了篩選出合格的元件,使用萬用表對(duì)制作完成的元件進(jìn)行檢測(cè),保證上下表面電極導(dǎo)電性能良好且無短路情況。由于人工印刷存在銀電極模糊,接觸不良和電極扭曲情況。因此,在放大鏡下觀測(cè)電極結(jié)構(gòu),挑選出不合格元件進(jìn)行清潔、修補(bǔ),并重新制作不可修復(fù)的試樣。為了便于試樣極化及性能測(cè)試中施加載荷,在試樣的側(cè)面焊接正負(fù)極導(dǎo)線,使上下表面電極聯(lián)通。試驗(yàn)采用AFPF四氟高溫屏蔽線作為導(dǎo)線,經(jīng)過可調(diào)恒溫焊接工具將導(dǎo)線焊接于元件側(cè)面。該導(dǎo)線能耐高溫,耐油酸,抗腐蝕,在極化過程中能承載高壓,且不易脫落,以便試驗(yàn)正常進(jìn)行。

2.2 試樣極化

壓電陶瓷元件只有在經(jīng)過極化后才能顯現(xiàn)出壓電效應(yīng),試樣極化裝置如圖5所示。元件電極制作完成后,將其正負(fù)電極連接至LK2672X型耐壓測(cè)試儀,隨后放置于裝有甲基硅油的DU-20型電熱恒溫油浴鍋中,試樣完全浸沒在硅油中10 min左右,使其達(dá)到極化溫度。然后戴上高壓絕緣手套分步提高加載電壓至極化電壓。在極化電壓和極化溫度下保持60 min左右,使試樣充分極化。極化過程中,注意觀察耐壓測(cè)試儀的漏電流情況,若出現(xiàn)報(bào)警狀況應(yīng)及時(shí)關(guān)閉儀器設(shè)備,避免因高壓環(huán)境造成危險(xiǎn)。

圖5 試樣極化裝置

極化完成后,關(guān)閉高壓電源,迅速取出試樣將其放置于室溫的甲基硅油中;然后迅速加載電壓至略低于極化電壓,使試樣冷卻到室溫狀態(tài)后關(guān)閉高壓電源,并取出試樣;用丙酮清理試樣表面殘余的甲基硅油;最后用酒精擦洗后,放置在室溫下自然晾干,并保持12 h后再進(jìn)行性能檢測(cè)。

3 靜態(tài)性能測(cè)試試驗(yàn)

3.1 位移測(cè)試裝置

為了檢測(cè)所制備元件的靜態(tài)特性,搭建微位移測(cè)試平臺(tái)。位移檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生裝置、信號(hào)接收裝置、待測(cè)元件及減震臺(tái)組成,如圖6所示[2]。

圖6 位移檢測(cè)系統(tǒng)

性能測(cè)試前,首先將待測(cè)元件一端完全固定在玻璃板上,并放置于減震臺(tái)進(jìn)行減噪處理,以隔絕部分外部因素帶來的試驗(yàn)誤差。然后采用美國泰克公司Tektronix-AFG3101函數(shù)發(fā)生器對(duì)待測(cè)元件施加激勵(lì)信號(hào),經(jīng)過ATA-2041電子高壓放大器放大后輸送到與其相連的被測(cè)元件。數(shù)據(jù)采集時(shí)待測(cè)試樣如圖7所示。調(diào)整測(cè)量頭和試樣位于同一垂直面內(nèi)。角度測(cè)量時(shí)采用長(zhǎng)25 mm、寬2 mm、厚1 mm的鉬片作為放大臂,水平粘貼于試樣的自由端A點(diǎn)位置。調(diào)節(jié)好傳感器探頭的測(cè)量位置,測(cè)得的微位移經(jīng)過位移傳感器與交換機(jī)輸送到計(jì)算機(jī),最后對(duì)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行提取后處理,通過不斷重復(fù)上述試驗(yàn)以獲得最佳的結(jié)果。

圖7 待測(cè)試樣

3.2 結(jié)果分析

以0.5 Hz、峰值200 V的正弦電壓進(jìn)行激勵(lì),傳統(tǒng)型電極壓電驅(qū)動(dòng)器與螺旋電極壓電驅(qū)動(dòng)器的徑向位移和扭轉(zhuǎn)角的時(shí)間歷程曲線如圖8所示。由圖可知,隨著時(shí)間的推進(jìn),元件的徑向位移與扭轉(zhuǎn)角均逐漸增大到最大值,隨后再以相同的趨勢(shì)逐漸減小。在正弦信號(hào)下,傳統(tǒng)型電極壓電元件最大徑向位移可達(dá)0.65 μm,而螺旋電極壓電元件的徑向位移可達(dá)1.02 μm,且伴有0.12 mrad的扭轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生。螺旋電極壓電元件的徑向位移為傳統(tǒng)型元件的1.57倍,此外,還產(chǎn)生了傳統(tǒng)型元件所不具有的扭轉(zhuǎn)角度。由此可體現(xiàn)螺旋電極壓電元件優(yōu)良的徑向位移輸出與特殊的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能。

圖8 徑向位移、扭轉(zhuǎn)角時(shí)間歷程曲線

圖9為待測(cè)試樣的徑向位移與扭轉(zhuǎn)角度隨加載電壓變化曲線。由圖可看出,等間距SEPA的徑向位移大于傳統(tǒng)元件的徑向位移,且在電壓為200 V時(shí),等間距SEPA的徑向位移達(dá)到最大值1.02 μm,傳統(tǒng)元件的徑向位移達(dá)到最大值0.65 μm。在電壓200 V時(shí),螺旋電極壓電元件獲得最大的扭轉(zhuǎn)角度為0.12 mrad。此外,元件的位移與扭轉(zhuǎn)角均隨著激勵(lì)電壓的增加不斷增大。因此,在實(shí)際應(yīng)用過程中可利用外加載荷的大小獲得所需驅(qū)動(dòng)性能。圖中,傳統(tǒng)元件與螺旋電極元件的徑向位移與扭轉(zhuǎn)角在0-200 V-0電壓區(qū)間,隨電壓增長(zhǎng)至最大值后逐漸減小至最小值,形成閉合的曲線即“遲滯環(huán)”[12]。升壓曲線與降壓曲線不重合,二者存在差值,且無對(duì)稱軸,體現(xiàn)了PZT壓電陶瓷明顯的遲滯特性。

圖9 徑向位移、扭轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線

為了進(jìn)一步研究所制作壓電驅(qū)動(dòng)器的位移輸出性能,在相同測(cè)試條件下,對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加0.5 Hz的正弦激勵(lì)信號(hào),并分別施加0-50 V、0-100 V、0-150 V的激勵(lì)電壓,對(duì)不同幅值激勵(lì)電壓下驅(qū)動(dòng)器位移輸出進(jìn)行了對(duì)比分析。峰值位移隨峰值激勵(lì)電壓變化如圖10所示。試驗(yàn)證明,在不同幅值激勵(lì)電壓下,驅(qū)動(dòng)器的位移-時(shí)間與位移-響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)如圖8、9所示。隨著電壓與時(shí)間的變化,元件的位移輸出與扭轉(zhuǎn)角度逐漸增大至峰值后返回最小值,但隨著激勵(lì)電壓幅值的降低,峰值位移逐漸減小。

圖10 峰值位移與激勵(lì)電壓的變化關(guān)系

由圖10可知,相同激勵(lì)信號(hào)和頻率下,與傳統(tǒng)面電極形式的驅(qū)動(dòng)器相比,本文設(shè)計(jì)的螺旋電極壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移峰值較大,說明該驅(qū)動(dòng)器具有良好的位移輸出性能,且扭轉(zhuǎn)位移產(chǎn)生了更明顯的扭轉(zhuǎn)角度,這是傳統(tǒng)面電極形式驅(qū)動(dòng)器不具有的性能。圖10中傳統(tǒng)面電極驅(qū)動(dòng)器由于電極平面鋪設(shè)于壓電陶瓷表面,電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,電場(chǎng)線分布均勻。因此,隨著激勵(lì)電壓幅值的增大,其徑向峰值位移基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。SEPA元件由于電極基于阿基米德螺線,正負(fù)電極交叉排列,不同極性的電極間電場(chǎng)線分布非線性,故其峰值位移隨峰值激勵(lì)電壓呈非線性增長(zhǎng),且增長(zhǎng)趨勢(shì)較大。

4 結(jié)束語

本文提出一種等間距螺旋電極壓電驅(qū)動(dòng)器,電極結(jié)構(gòu)基于阿基米德螺旋線,采用絲網(wǎng)印刷法對(duì)該驅(qū)動(dòng)器螺旋電極進(jìn)行了制作,并經(jīng)過油浴極化法完成試樣的制備。搭建了位移測(cè)試試驗(yàn)裝置,并對(duì)其徑向位移及扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,在頻率0.5 Hz、峰值200 V的正弦激勵(lì)信號(hào)下,等間距螺旋電極壓電驅(qū)動(dòng)器徑向位移可以達(dá)到1.02 μm,為傳統(tǒng)電極壓電元件的1.57倍,扭轉(zhuǎn)角度可達(dá)0.12 mrad。與傳統(tǒng)型壓電驅(qū)動(dòng)器相比,該元件具有較大的徑向位移輸出,并有明顯的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能。通過試驗(yàn)研究了不同幅值激勵(lì)電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)器峰值位移的影響結(jié)果,等間距SEPA元件峰值位移隨著激勵(lì)電壓幅值的增大非線性增大。該驅(qū)動(dòng)器良好的徑向位移驅(qū)動(dòng)與平面內(nèi)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角度,為進(jìn)一步研究驅(qū)動(dòng)器的扭轉(zhuǎn)性能提供基礎(chǔ),利用其平面扭轉(zhuǎn)特性可在光學(xué)掃描儀、超聲電機(jī)和光纖定位等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。