一种新型压电微马达的致动机理分析

　　1　前言

　　微电子机械系统(微电子机械系统)是20世纪80年代末兴起的新兴学科,可望成为21世纪的支柱产业.微型马达是微电子机械系统的关键部件之一,其性能的优劣和体积大小直接影响到微机电系统的总体品质和应用范围,因此研制高性能、小体积的微马达就显得极其重要.

　　20世纪90年代以来国际上对微电子机械系统中微驱动器的研究主要集中在静电马达、电磁马达以及压电马达三方面.由于静电马达驱动力矩小(10-9N·m),驱动电压高(100 V),转动能量输出困难,因此难以实用化;电磁马达需要磁极绕组和磁路,结构复杂,不易于微型化;压电马达是近年来迅速发展起来的一种新型固态马达,由于其结构简单、惯性小、响应快、控制特性好、易于进一步微型化而引起了人们的广泛注意[1].本文介绍一种新型压电微马达的致动原理,建立其振动学模型,并进行运动学和动力学分析.

　　2　马达结构

　　该型马达的结构如图1所示.

　　转子和定子在一定的压力下保持接触,转子为圆盘形,定子形状设计成如图2所示.定子的边上有若干个对称分布的弹性臂,在每个弹性臂的底部和侧壁各贴着1个压电膜.图3为某一弹性臂在xoy平面和在xoz平面的剖视图.

　　3　致动原理

　　3.1　致动方式的分析

　　压电马达是以超声振动为动力源的一种驱动装置,通常由形成超声振动的压电振子(定子)以及与振子相接触的转子构成.压电振子在高频电场的作用下产生超声振动,转子依靠接触摩擦传递定子的振动,并将这种振动转换成连续旋转或直线位移[2].压电马达致动的关键问题是怎样将定子中压电振子的振动转换成转子的转动,这要求定子的振动轨迹具有使转子定向连续转动的效果,也就是说振子的运动必须是闭合轨迹,而且具有周期性的拨动和空回两个行程.本文提出的压电微马达是利用振动的叠加,在振子上生成椭圆形的振动轨迹,从而带动转子在水平方向的转动

　　3.2　压电振动原理

　　压电膜是通过逆压电效应产生振动的,第一类压电方程为[3]

　　式(1)中,S为应变张量,T为应力张量,E为电场强度,D为压电体中电位移,s为恒电场弹性顺度矩阵,d为压电应变常数阵,dT为d的装置阵,ε为恒应力介电常数矩阵.由式(1)可知,压电效应意味着电介质的机械性质和电学性质之间存在着相关行为;对压电晶体施加一交变电场,晶体本身由于受到应力的作用将产生机械变形.研究表明,在激发超声的条件下,外加简谐激励电场,压电膜作稳态的振动[4];压电体在电场下的振动实际上是一种受迫振动,当电场频率等于压电体的机械振动固有频率时,弹性振动振幅最大[5].