压电叠堆式惯性移动机构的设计与试验

　　微机械系统(MEMS)是国际公认的21世纪科技发展的前沿和基础。在原子能、石油化工、城市设施、航空航天、军事以及几乎人们接触到的所有领域都有着十分广阔的应用前景^[1] 。由于微驱动器的性能直接影响微小机械机构的性能,因此在任何机械系统中驱动器都是关键基础部件。目前,利用压电元件作为惯性力的发生装置形成微小型惯性驱动机构的研究得到了研究人员的重视。现有的惯性驱动机构主要是通过电路系统产生锯齿波的非对称电信号,形成不同运动方向的惯性冲击力(移动机构的驱动力),实现移动机构沿规定方向运动,但锯齿波发生电路复杂^[2-8] 。作者提出了通过方波这种对称波形电信号驱动压电叠堆,通过改变压电移动机构正压力来控制机构与其支撑面之间的摩擦力从而实现惯性冲击运动的新方法,制作了试验样机,并进行了试验分析。

　　1　结构设计及运动原理

　　1.1　实验样机原理图

　　设计研制的压电叠堆式惯性移动机构如图1所示,压电移动机构由梯形质量块、压电叠堆和振动质量块组成。压电叠堆上施加对称电信号时,产生沿轴线方向的伸缩变形,进而产生沿压电叠堆轴线方向的惯性力作用,其往复振动即产生垂直于梯形块斜面的向上、向下的冲击力,带动机构做直线运动。

　　机构各部分材料及尺寸参数见表1。

　　1.2　移动机构运动原理

　　由于压电叠堆固定在斜面上,与水平方向成α角,因此惯性冲击力F分解为水平分力F_x。Q_D、Q_U分别为机构在垂直于斜面向下和向上的惯性力作用下与接触面产生的摩擦力。图2为机构运动原理图,根据F_x、Q_D、Q_U值的不同机构产生了3种可能的运动情况:

　　(1)当F_x <Q_D<Q_U时,机构驱动力无法克服接触面摩擦力,保持静止状态。

　　(2)当Q_U <F_x<Q_D时,机构有向右运动的趋势。

　　(3)当F_x>Q_D>Q_U时,机构将产生向左、向右两个方向上的水平运动。此时运动方向就取决于左右两个方向上哪一个方向的运动趋势更明显。显然,F_x-Q_D<F_x-Q_U,因此在驱动力相同

的情况下,机构产生向右的水平位移。

　　这样,通过选择合适的结构参数,保证惯性力的水平分量大于摩擦力,即可以利用两者的差值,使装置沿预定方向移动。

　　1.3　压电移动机构速度的理论分析

　　图3显示了压电叠堆式机构运动时的各部分受力图。其中压电叠堆和振动质量块在竖直方向上的重力分量相对于梯形质量块的重力很小,故未在图中表示。假定向右的方向为机构力与运动的正方向,x、v、a分别表示机构各部分运动的位移、速度和加速度;L为压电叠堆原长;ΔL为压电叠堆变形量;F为压电叠堆产生的惯性冲击力,则可得出以下关系: