串联臂压电微电机驱动机理的研究

　　微电子机械系统(MEMS)是国际上20世纪80年代新兴的前沿科学,是多学科交叉的研究领域,它可以完成大尺寸机械系统所不能完成的任务,已成为世界瞩目的重大科技之一[1]。压电电机是利用压电材料的逆压电效应实现驱动的一种新型电机,具有结构简单、无电磁干扰、易于实现微小型化等优点,已应用于光学、机械、电子等领域[2～4]。压电微电机,由于采用摩擦力驱动,为克服随电机尺寸减小、摩擦阻力增大这一尺寸效应创造了有利条件,有可能成为MEMS最有前途的驱动器,但由于发展历史很短,在输出特性上还不理想。

　　笔者研究的串联臂压电微电机[5]是一种新型压电微电机,它利用弯曲臂机构来放大位移,利用串联弯曲臂的复合振动实现末级臂端较大幅度的椭圆曲线运动,通过摩擦力来驱动压电微电机转子转动。

　　1　串联臂的驱动和控制原理

　　压电晶片在外加电场的作用下会伸长或缩短。将2个极性相反的压电晶片粘接在一起,形成压电双晶片(PZT bimorph)。在电场的作用下,2个压电晶片分别伸长和缩短,压电双晶片发生弯曲。如图1a所示,在各自电场的作用下,晶片1伸长,晶片2缩短,由于2个压电晶片的相互约束,该单元向右弯曲,本文称该压电双晶片为弯曲臂。将2个弯曲臂串联起来构成串联弯曲臂,在　　特定的电信号控制下,可在弯曲臂的自由端形成椭圆运动。见图1b所示,在特定的电信号驱动下,使弯曲臂1和臂2处于不同的弯曲状态,则弯曲臂自由端依次通过1,2,3,4点,形成椭圆运动。图

　　到点1时,臂1和臂2的外加电压都为0,串联臂不发生弯曲;自由端运动到点2时,臂1的外加电压为0,不发生弯曲,而臂2的外加电压为正电压,向右弯曲;同理,臂1和臂2的外加电压分别为-1、1时,自由端运动到点3;电压为-1、0时,自由端运动到点4。对臂1和臂2分别加上相位差为π/2的偏置方波信号,将使臂1和臂2构成的串联臂末端产生椭圆运动。利用串联臂自由端的椭圆运动,即可驱动端面与其相接触的转子运动,从而形成串联臂压电微电机。

2　串联臂压电微电机的工作原理

　　图3为串联臂压电微电机的结构示意图,图3a为微电机结构简图,图3b为串联弯曲臂分布示意图。在串联臂压电微电机的基座上均匀固定2组串联弯曲臂,每组各有3个驱动臂。

　　串联臂压电微电机的工作原理见图4。2组串联弯曲臂分别用相位差为π/2的2路偏置方波信号驱动,Ⅰ组串联弯曲臂的驱动信号与Ⅱ组串联弯曲臂的驱动信号之间的相位差为π,其末端可产生相位差为π的近似椭圆轨迹的运动,见图4a。图4b为串联臂压电微电机工作示意图。在0相位,Ⅰ组串联弯曲臂的自由端处于工作行程,运动到最高点1,继续向右运动;Ⅱ组串联弯曲臂的自由端处于空行程,运动到最低点1,继续向左运