螺旋電極式壓電驅(qū)動(dòng)器及其應(yīng)用研究.pdf

1、本論文就新型的基于螺旋電極結(jié)構(gòu)的壓電纖維、壓電圓柱和壓電圓片扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，并探索了其在壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、光學(xué)掃描鏡等方面的應(yīng)用。
　　 首次提出一種表面纏繞螺旋電極結(jié)構(gòu)的壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，是已知目前國(guó)際上最小的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)不同坐標(biāo)系下應(yīng)變和應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系解釋了該驅(qū)動(dòng)器的變形原理，建立了壓電纖維驅(qū)動(dòng)器扭轉(zhuǎn)和縱向靜態(tài)變形和動(dòng)態(tài)振動(dòng)的理論模型，得到了壓電纖維耦合振動(dòng)的等效電路，對(duì)其主要材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)

2、參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)器扭轉(zhuǎn)角、諧振頻率等性能指標(biāo)的影響作了詳細(xì)的分析和評(píng)估，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了全面的理論依據(jù)。
　　 通過(guò)ANSYS有限元仿真研究壓電纖維表面螺旋電極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布情況，指出實(shí)際電場(chǎng)分布存在的缺陷，分析電場(chǎng)集中和彎曲等電場(chǎng)分布不均勻性對(duì)壓電纖維驅(qū)動(dòng)器性能的影響。總結(jié)薄壁、厚壁和實(shí)心壓電纖維在不同螺旋電極結(jié)構(gòu)參數(shù)下的電場(chǎng)分布的變化趨勢(shì)，進(jìn)而分析壓電纖維內(nèi)部應(yīng)變和應(yīng)力的分布規(guī)律，添加系數(shù)七以修正扭轉(zhuǎn)位移表達(dá)式，分析估算修正系數(shù)k

3、隨壓電纖維厚徑比和電極螺旋角的變化規(guī)律，從而完善了靜態(tài)變形理論模型。
　　 以直徑1mm、壁厚0.2mm的壓電纖維管為基體加工出螺旋電極式扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器樣品，并測(cè)試樣品的靜動(dòng)態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)出該驅(qū)動(dòng)器優(yōu)良的扭轉(zhuǎn)性能。長(zhǎng)度50mm、電極螺旋角430的樣品在1000V電壓驅(qū)動(dòng)下，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)角達(dá)到1.70;在10kHz的扭轉(zhuǎn)諧振頻率點(diǎn)，500Vp,p正弦電壓可激勵(lì)產(chǎn)生2.50的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。通過(guò)測(cè)試比較不同驅(qū)動(dòng)器樣品，驗(yàn)證了相同電場(chǎng)強(qiáng)度下靜

4、態(tài)扭轉(zhuǎn)變形隨電極螺旋角的變化曲線，得出450左右的螺旋電極可提供最大扭轉(zhuǎn)位移的結(jié)論：驗(yàn)證了扭轉(zhuǎn)和縱向諧振頻率隨電極螺旋角和纖維長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)。
　　 發(fā)展了另外兩種基于螺旋電極結(jié)構(gòu)的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器：基于刻槽螺旋電極結(jié)構(gòu)的壓電柱型扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和基于平面螺旋電極結(jié)構(gòu)的壓電圓片扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。闡述了兩種驅(qū)動(dòng)器的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和扭轉(zhuǎn)變形原理，分別加工出兩種驅(qū)動(dòng)器樣品并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析。直徑8mm、長(zhǎng)度10mm、電極螺距12mm的壓電柱型扭轉(zhuǎn)

5、驅(qū)動(dòng)器樣品，2200V.電壓驅(qū)動(dòng)下靜態(tài)扭轉(zhuǎn)角達(dá)到0.0350，一階扭轉(zhuǎn)諧振頻率達(dá)到31kHz，一階縱向諧振頻率達(dá)到55kHz，5Vpp正弦壓電驅(qū)動(dòng)下扭轉(zhuǎn)諧振振幅達(dá)到0.000870，縱向諧振振幅達(dá)到43nm;直徑27ram、厚度0,2mm的壓電圓片扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，1000V電壓驅(qū)動(dòng)下靜態(tài)扭轉(zhuǎn)位移達(dá)到0.0052*，變形雖小，但扭轉(zhuǎn)諧振頻率高達(dá)226.5kHz，且具有很高的機(jī)械品質(zhì)因子。
　　 探索螺旋電極式壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器在壓電沖擊旋

6、轉(zhuǎn)馬達(dá)和光學(xué)掃描鏡等方面的應(yīng)用，設(shè)計(jì)制作了基于壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和壓電柱型扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的兩種壓電沖擊旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。壓電纖維馬達(dá)600Vp.p驅(qū)動(dòng)電壓下的步進(jìn)角達(dá)到0.0630，1000Vp-p、3kHz電壓驅(qū)動(dòng)下的堵轉(zhuǎn)力矩可達(dá)到0.08mNm;壓電柱馬達(dá)2200Vp-p電壓驅(qū)動(dòng)下的步進(jìn)角達(dá)到0.0220，1400Vp.p電壓驅(qū)動(dòng)和1.6mNm負(fù)載時(shí)仍可保持7.4rpm的轉(zhuǎn)速。微型化壓電纖維馬達(dá)和大力矩壓電柱馬達(dá)可滿足多種場(chǎng)合高精度角度定位和驅(qū)