螺旋電極式壓電驅(qū)動器及其應用研究.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)動器結(jié)構(gòu)進行了深入的理論分析和實驗研究，并探索了其在壓電旋轉(zhuǎn)馬達、光學掃描鏡等方面的應用。
　　 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)動器，是已知目前國際上最小的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器。根據(jù)不同坐標系下應變和應力轉(zhuǎn)換關(guān)系解釋了該驅(qū)動器的變形原理，建立了壓電纖維驅(qū)動器扭轉(zhuǎn)和縱向靜態(tài)變形和動態(tài)振動的理論模型，得到了壓電纖維耦合振動的等效電路，對其主要材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)

2、參數(shù)對驅(qū)動器扭轉(zhuǎn)角、諧振頻率等性能指標的影響作了詳細的分析和評估，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了全面的理論依據(jù)。
　　 通過ANSYS有限元仿真研究壓電纖維表面螺旋電極結(jié)構(gòu)的電場分布情況，指出實際電場分布存在的缺陷，分析電場集中和彎曲等電場分布不均勻性對壓電纖維驅(qū)動器性能的影響?？偨Y(jié)薄壁、厚壁和實心壓電纖維在不同螺旋電極結(jié)構(gòu)參數(shù)下的電場分布的變化趨勢，進而分析壓電纖維內(nèi)部應變和應力的分布規(guī)律，添加系數(shù)七以修正扭轉(zhuǎn)位移表達式，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)動器樣品，并測試樣品的靜動態(tài)特性，實驗結(jié)果體現(xiàn)出該驅(qū)動器優(yōu)良的扭轉(zhuǎn)性能。長度50mm、電極螺旋角430的樣品在1000V電壓驅(qū)動下，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)角達到1.70;在10kHz的扭轉(zhuǎn)諧振頻率點，500Vp,p正弦電壓可激勵產(chǎn)生2.50的扭轉(zhuǎn)振動。通過測試比較不同驅(qū)動器樣品，驗證了相同電場強度下靜

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：驗證了扭轉(zhuǎn)和縱向諧振頻率隨電極螺旋角和纖維長度的變化趨勢。
　　 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)動器：基于刻槽螺旋電極結(jié)構(gòu)的壓電柱型扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器和基于平面螺旋電極結(jié)構(gòu)的壓電圓片扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器。闡述了兩種驅(qū)動器的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和扭轉(zhuǎn)變形原理，分別加工出兩種驅(qū)動器樣品并進行實驗測試分析。直徑8mm、長度10mm、電極螺距12mm的壓電柱型扭轉(zhuǎn)

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

6、轉(zhuǎn)馬達和光學掃描鏡等方面的應用，設(shè)計制作了基于壓電纖維扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器和壓電柱型扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器的兩種壓電沖擊旋轉(zhuǎn)馬達。壓電纖維馬達600Vp.p驅(qū)動電壓下的步進角達到0.0630，1000Vp-p、3kHz電壓驅(qū)動下的堵轉(zhuǎn)力矩可達到0.08mNm;壓電柱馬達2200Vp-p電壓驅(qū)動下的步進角達到0.0220，1400Vp.p電壓驅(qū)動和1.6mNm負載時仍可保持7.4rpm的轉(zhuǎn)速。微型化壓電纖維馬達和大力矩壓電柱馬達可滿足多種場合高精度角度定位和驅(qū)