压电直线驱动器

    在机械领域中,驱动器起着重要的作用。微驱动器作为微机械的核心部件一直是微机械系统(MEMS)研究的重点,有着广泛的应用前景,可用于微小机器人的关节驱动、微小光盘、磁盘驱动以及微型航天仪器等,微驱动器的发展是衡量MEMS发展水平的重要标志。微驱动器按驱动方式大致可分为运用“场”力致动(如静电力,电磁力等)及运动材料本身的性能变化产生的微小变形来驱动(如热膨胀,材料在相变时的形状记忆效应,压电效应等)两种。目前微机械采用的驱动方式主要有静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金(SMA)驱动器、电磁驱动器及热驱动器等。压电陶瓷是近年来精密驱动领域广泛运用的一种新型材料,其工作原理主要是基于压电体的逆压电效应,即当压电体受电场作用时会产生形变,压电驱动具有体积小,刚度大,位移分辨率及定位精度高,线性好,频率响应高,不发热,无噪声,易于控制等特点,因此压电驱动器越来越受各国研究人员的重视[1～6],已成功应用于生命科学、医学和生物工程、半导体及微电子、数据存储、光学、光纤、度量和测量技术、精密机械和机械工程等领域。本文采用电磁和压电相结合的方式给出了一种直线驱动器,该驱动器可在导磁材料表面上前后运动,其运动速度可控,可用于微定位、微驱动等领域,其直径为 6 mm,长18 mm。

    1　驱动器结构及工作原理

    图1为直线驱动器结构组成,包括2个电磁脚、1个多层压电陶瓷和导轨等。电磁脚由H型铁芯上绕有多匝线圈组成,并分别固接在压电陶瓷的两端,导轨是导磁性好的V型或U型槽。

    图2为压电直线驱动器工作原理。图中阴影部分表示该单元处于工作状态,驱动器如图所示循环工作,即可实现间歇式连续运动。改变2个电磁脚控制信号的时序即可改变驱动器的运动方向,调整其循环周期可改变驱动器的运动速度。

    根据上述原理可知,压电陶瓷的伸缩特性直接影响驱动器的步距大小,2个电磁脚与导轨之间的吸力直接影响驱动器的牵引能力,因此选择伸缩性能好的压电陶瓷及提高电磁脚的吸力有助于改善驱动器的特性。

    本文设计选用的层叠型压电陶瓷外形尺寸为3.5 mm×4.5 mm×10 mm,驱动力为200 N,当外加电压最高100 V时,陶瓷伸长量可达6.1μm,并且伸长量与所加电压成正比关系。依据电磁学知识,电磁脚与导轨之间的吸力可用以下方法计算。

    图3为电磁脚的磁路图。图中虚线表示磁力线回路,δ为电磁脚与导轨间的空气隙大小。设磁回路的等效截面积为S,由磁路知整个磁路的磁阻