压电双晶片双向大幅振动的探讨

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　　0　引　言

　　压电双晶片的压电效应是一种机电耦合效应,是机械能和电能之间的转换。利用压电陶瓷的逆压电效应来推动机械装置的压电双晶片是近年来自动生产装置上的一个新的发展方向[1]。振动料斗是自动生产线上用作送料的主要设备,多年来在国内作振动料斗的振动源主要是电磁铁。这样长期存在高噪声、高能耗、低送料效率、电磁干扰强且安装调整控制都比较困难。近年来在承担了国家科技攻关项目中的高速自动输送线,要求设计送料时速在240个/分以上,采用电磁铁作振动料斗的振动源已不能达到设计要求,必须采用压电双晶片作功率器件才能满足要求。可压电双晶片用在振动料斗上国内当时还没有这方面的尝试,国外已经有较好的应用,如日本西铁成压电振动料斗。但其主要功率器件压电双晶片当时国内还没有这种既能承受大负荷、高强度、振动频率调节范围广、且有一定的工作环境要求,又要作双向大幅摆动、工作时陶瓷块不能脆裂的压电陶瓷振动块。在与电子科技大学、电子工业部40所合作,制作了这种新种新型功率器件应用在高速输送的振动料斗送料装置上,得到了满意的效果,并成为压电料斗,这也是国内首先尝试。这样的振动料斗可以达到高速,平稳,低噪声,能耗少,且在不用改变振动料斗的参数情况下,通过调频、调幅控制电源就能达到满意的效果。由于它体积小,结构简单,便于安装使用,无电磁干扰,机电耦合系数较高等优点,正逐步被应用在其他应用领域。

　　1　压电陶瓷材料

　　压电陶瓷是指能把电能转换成机械能或把机械能转换成电能,亦即具有“压电效应”的陶瓷材料。其典型材料和组成有PZT, PT, LNN和(PbBa)NaNb5O15等。按晶体结构,压电陶瓷可分为钙钛矿型、钨青矿石型、焦绿石型和含铋矿层结构等几种。压电陶瓷除介电性能要求以外,主要是压电性能的要求,压电性能要求可通过机械品质因素、机电耦合系数、弹性系数、压电常数等性能参数来反映,主要应用于无线电技术领域中,如超声波换能器、谐振器、压电点火、压电电动机等[2～3]。

　　不同用途的压电器件,对压电材料性能的要求也不同,用做振动器压电双晶片的压电材料则要求其频率稳定性好,有较大的机电耦合系数,较大的压电常数和介电常数。它们可以是三元系和四元系的压电陶瓷材料,如Pb(MnV3Sb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(Sn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3[4]。所以通过在二元系Pb(Ni1/3,Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3的基础上引入铋和锌原子,通过适当调整并选出最佳配方做成压电陶瓷双晶片,它具有灵敏度高,响应好,具有强压电效应。驱动后能产生±2mm的位移。由于里面夹着金属片能纵向承载料斗上面的重量,工作时不至于引起陶瓷脆裂。