大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

　　0前言

　　压电材料是在微机械设计中常用的一种驱动器材料，压电陶瓷驱动器具有响应频率高、驱动力大、线性度好等优点。但是压电陶瓷驱动器的输出位移量小，输出位移形式单一，在许多应用场合不能直接输出满足各种执行机构的运动要求，应用中常需要对压电陶瓷驱动器输出的运动进行变换，以满足执行机构对驱动位移和驱动力的要求。为解决压电陶瓷驱动器输出位移小，输出位移形式单一的缺点，国内外的研究者提出了很多种设计方案。归纳起来主要有:1)多层片式陶瓷驱动机构，其结构形式是给每片陶瓷片加电压，利用轴向变形伸长输出位移，其优点:结构紧凑、承载力大、响应快、位移可重复性好、体积效率高、电场控制相对简单，但其输出的位移量较小。2)位移放大机构，应用无机械摩擦、无间隙、运动灵敏性高的柔性铰链，可设计出精度非常高的柔性铰链一体化结构的微位移放大机构，对多层片式陶瓷产生的位移进行放大，但是此变换方法都需要较大的结构尺寸，由于工作原理的关系，尺寸很难进一步微型化，在对运动进行变换的同时零件或介质的摩擦以及结构的变形也会消耗一定的功率，且放大机构和压电驱动器的响应快、体积小、输出力大等优点随着放大倍数的提高而减弱。3)步进式和冲击式驱动机构有效地缓解了大行程和高分辨率的矛盾，能够在保持高分辨率的情况下增大微驱动器的行程，理论上可以不受行程的限制，这类驱动器的特点是:有籍位要求而结构复杂，刚度较低;因有多路信号，对控制系统要求高;定位精度受迟滞、非线性影响。适于高分辨率、大行程的场合。4)惯性式驱动机构结构简单，可高频工作(IkH:以上)，但导向不易处理。适于高分辨率、大行程、力小的场合。本工作采用压电系数较大的PZTS压电陶瓷材料，通过压电陶瓷双晶片的组合，来获得大位移的驱动。

       1大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

　　对压电陶瓷元件施加压力(或拉力)时，会引起其内部正负电荷中心发生相对位移，压电陶瓷元件的表面出现异号极化电荷，这种没有电场的作用，只是由于应变或应力，在晶体内产生电极化的现象称为正压电效应。在压电陶瓷元件上施加一电场时，

　　会引起元件内部正负电荷中心产生相对位移，从而压电陶瓷元件产生应变或应力的现象称为逆压电效应。因此，利用压电陶瓷正压电效应可以制作传感器、点火器等;利用压电陶瓷逆压电效应可以制作驱动器。此驱动器采用长方形片状结构的PzTS压电陶瓷材料，沿厚度方向极化，加电压后由于压电陶瓷的逆压电效应，一片伸长，一片缩短，共同作用产生弯曲位移，为使单片双晶片的弯曲位移能够叠加起来，将多个压电陶瓷双晶片进行组合设计，形成大位移压电陶瓷驱动器。