局部環(huán)狀電極壓電驅(qū)動(dòng)器制備與夾持力測(cè)試

閆鵬飛，劉永剛,2，曾奧柯，張樹(shù)良

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.河南科技大學(xué) 機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

隨著微型機(jī)械制造、微機(jī)械裝配、精密光學(xué)系統(tǒng)、納米加工及光纖對(duì)接等精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展和深入研究，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，迫切需要大行程、快響應(yīng)及高分辨率等良好驅(qū)動(dòng)性能的壓電驅(qū)動(dòng)器[1-2]。傳統(tǒng)元件要想獲得較大的位移和夾持力，需加高電壓或累積驅(qū)動(dòng)器，具有一定的局限性。為獲得高精度、大行程和大驅(qū)動(dòng)力的作動(dòng)器，已提出一系列新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器[3-4]。

劉雪瑞等[5]設(shè)計(jì)了一種雙向驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器，該結(jié)構(gòu)利用三角位移放大原理，實(shí)現(xiàn)了較大行程、雙向?qū)ΨQ驅(qū)動(dòng)的目的。Chen Weishan等[6]提出了一種新型的步進(jìn)壓電驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程、高分辨率的直線驅(qū)動(dòng)。Xu Mahui等[7]設(shè)計(jì)了一種基于壓電常數(shù)d33模式的壓電陶瓷PZT薄膜壓電微加速度計(jì)，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與d31模式的壓電微加速度計(jì)相比，其靈敏度提高。Dalius Mazeika等[8]研制了一種小型線性壓電慣性摩擦驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)改變鋸齒電信號(hào)的相位或矩形脈沖信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)滑塊的雙向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果表明，在輸入40 V電壓下，驅(qū)動(dòng)器最大推力可達(dá)0.21 N。劉永剛等[9]研究了一種新型的管狀叉指電極壓電驅(qū)動(dòng)器，分析證明驅(qū)動(dòng)器的軸向性能較普通模型有明顯改善。張婷等[3]提出了一種平面內(nèi)具有正交異性的局部環(huán)形電極(LREs)壓電驅(qū)動(dòng)器，有限元分析結(jié)果表明，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的方向性強(qiáng)，在平面內(nèi)有明顯的正交異性。

傳統(tǒng)元件上下表面覆蓋電極，使用壓電常數(shù)d31產(chǎn)生徑向變形和力。LREs壓電元件極化方向沿徑向，其使用壓電常數(shù)d33產(chǎn)生徑向變形和力。通常d33≈2d31，因此，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)元件[2-4]。本文對(duì)LREs壓電驅(qū)動(dòng)器和傳統(tǒng)壓元件進(jìn)行制備，并搭建夾持力測(cè)試平臺(tái)，對(duì)LREs壓電驅(qū)動(dòng)器和傳統(tǒng)元件的徑向夾持力了進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，分析了其驅(qū)動(dòng)性能，并對(duì)LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的正交異性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 結(jié)構(gòu)與原理

圖1為L(zhǎng)REs壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，其由正負(fù)主電極分別引出一系列分支電極，分支電極交叉環(huán)形排列覆蓋在壓電陶瓷上、下表面。選取壓電元件基體尺寸為?25 mm×2 mm，分支電極中心距P=1.6 mm，分支電極寬度W=0.8 mm，正負(fù)主電極中心線角度α=90°。

圖1 LREs壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

文獻(xiàn)[3]分析指出，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的徑向夾持力具有正交異性，并對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器帶電極區(qū)域和無(wú)電極區(qū)域的中心部位檢測(cè)點(diǎn)a、b的徑向夾持力進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)a、b正下端的5 mm×3 mm平面進(jìn)行約束。

2 元件制備

制備LREs壓電驅(qū)動(dòng)器時(shí)，采用壓電陶瓷PZT-52作為基體，如圖2(a)所示。使用絲網(wǎng)印刷法對(duì)元件進(jìn)行制作局部環(huán)形電極。電極材料使用型號(hào)為3071的導(dǎo)電銀膠，如圖2(b)所示，其具有良好的印刷性、導(dǎo)電性、可焊性和抗氧化性，且能緊緊依附在壓電陶瓷基體上，不易脫落。印刷時(shí)，首先將網(wǎng)板的電極輪廓最外圈對(duì)準(zhǔn)壓電陶瓷PZT-52基體，如圖2(c)所示。使用圖2(d)所示絲網(wǎng)印刷刷子印刷壓電驅(qū)動(dòng)器其中一個(gè)平面。

圖2 電極印刷器材

由于銀膠在常溫下很難晾干，且耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，因此，印刷完電極后，需將其置于150 ℃的箱式電阻爐(見(jiàn)圖3)里進(jìn)行加熱，加熱保溫30 min后，在常溫環(huán)境中自然冷卻。

圖3 箱式電阻爐

LREs壓電驅(qū)動(dòng)器上下表面完全對(duì)稱，因此，印刷第二面電極時(shí)，需要將電極位置進(jìn)行定位標(biāo)記，然后進(jìn)行第二面的電極印刷，保證上下兩個(gè)表面的電極能對(duì)稱。第二面電極印刷后，同樣在150 ℃的保溫箱里持續(xù)加熱30 min后自然冷卻。

根據(jù)LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特征，若想使正反面電極能同時(shí)通電，需要4根導(dǎo)線才能將其接到電源上。為方便導(dǎo)線連接，將壓電陶瓷基體側(cè)面涂上銀膠，使上下表面的正電極接通，同時(shí)上下表面的負(fù)電極也接通，這樣只需將2根導(dǎo)線焊接在元件側(cè)面即可，且不影響LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的正常使用。

元件電極印刷完后用萬(wàn)用表測(cè)其電阻，并測(cè)試元件電極間是否有斷路或短路，防止元件在高壓極化下出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。待元件電極印刷完整后，將導(dǎo)線焊接于元件側(cè)面以便使用。

壓電陶瓷材料極化前不具有壓電效應(yīng)，其內(nèi)部的晶粒“電疇”排列是無(wú)序和不規(guī)則的。為使其表現(xiàn)出壓電性，需要在一定溫度下對(duì)其施加一定時(shí)間的直流高壓電場(chǎng)，對(duì)其進(jìn)行極化，極化裝置包括電熱恒溫油浴鍋(DU-20型)和耐壓測(cè)試儀(LK2672X型)，如圖4所示。

圖4 極化裝置

油浴鍋里裝有甲基硅油，對(duì)元件進(jìn)行極化時(shí)，可使元件處于恒溫且與外界絕緣狀態(tài)。耐壓測(cè)試儀用于穩(wěn)定輸出直流電壓，且可實(shí)時(shí)觀測(cè)漏電流，防止出現(xiàn)意外情況，保證實(shí)驗(yàn)安全。制備的完整LREs壓電驅(qū)動(dòng)器和傳統(tǒng)元件如圖5所示。

圖5 LREs壓電驅(qū)動(dòng)器和傳統(tǒng)電極驅(qū)動(dòng)器

3 夾持力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 測(cè)試裝置

為了研究試樣的力學(xué)性能，搭建的夾持力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。機(jī)架和待測(cè)元件單獨(dú)放在減震臺(tái)上，與其他器件分開(kāi)擺放，以降低噪聲對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。推拉力計(jì)安裝于機(jī)架上，可自由安裝和拆卸，機(jī)架上裝有輪輻式傳感器，用于精確控制推拉力計(jì)的上下位置。

圖6 夾持力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

測(cè)試過(guò)程中，信號(hào)發(fā)生器輸出的各種激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，一端連接示波器，另一端與待測(cè)LREs壓電驅(qū)動(dòng)器正負(fù)極相連。待測(cè)元件置于推拉力計(jì)正下方，被粘貼在表面為5 mm×3 mm的亞克力板上，亞克力板被完全固定，推拉力計(jì)頂端對(duì)準(zhǔn)元件夾持力待測(cè)點(diǎn)，對(duì)待測(cè)點(diǎn)施加20 N的夾持力，如圖7所示。數(shù)顯式推拉力計(jì)連接在計(jì)算機(jī)上，以進(jìn)行夾持力數(shù)據(jù)采集，推拉力計(jì)的負(fù)荷分度值為0.01 N，可準(zhǔn)確測(cè)試LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的夾持力。

圖7 待測(cè)試樣

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為對(duì)比LREs壓電驅(qū)動(dòng)器和傳統(tǒng)元件的力學(xué)性能，對(duì)其徑向夾持力進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)元件分別施加頻率0.2 Hz、幅值200 V的方波和正弦波，測(cè)試LREs壓電驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)a、b及傳統(tǒng)元件的徑向夾持力ΔF，得到其響應(yīng)曲線如圖8所示。

由圖8可知，在方波電壓激勵(lì)下，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)a徑向夾持力峰值可達(dá)0.60 N，傳統(tǒng)元件徑向夾持力峰值為0.22 N，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器徑向夾持力約為傳統(tǒng)元件徑向夾持力的2.72倍。在正弦波電壓激勵(lì)下，LREs元件點(diǎn)a徑向夾持力峰值可達(dá)0.58 N，而傳統(tǒng)元件的徑向夾持力峰值為0.21 N，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器徑向夾持力約為傳統(tǒng)元件徑向夾持力的2.76倍。因此，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)性能比傳統(tǒng)元件驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)。

LREs壓電驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)a處于帶電極區(qū)域，點(diǎn)b處于無(wú)電極區(qū)域。由于泊松效應(yīng)，帶電極區(qū)域的變形導(dǎo)致無(wú)電極區(qū)的被動(dòng)變形，2個(gè)區(qū)域的變形方向相反。因此，在施加電壓0～200 V時(shí)，點(diǎn)a產(chǎn)生徑向拉伸夾持力，而點(diǎn)b產(chǎn)生反方向的夾持力。在方波電壓激勵(lì)下，點(diǎn)b產(chǎn)生的反方向夾持力峰值為0.29 N，在正弦波電壓激勵(lì)下，產(chǎn)生的反方向夾持力峰值為0.28 N。 在方波和正弦波電壓激勵(lì)下，點(diǎn)b產(chǎn)生的反方向夾持力也大于傳統(tǒng)元件的徑向夾持力。對(duì)比點(diǎn)a、b的徑向夾持力，其大小和方向不同，表現(xiàn)出明顯的正交異性[10]，驗(yàn)證了文獻(xiàn)[3]的分析結(jié)果。

由于壓電陶瓷的遲滯非線性，由圖8(b)可看出，壓電驅(qū)動(dòng)器徑向夾持力的升壓曲線和降壓曲線未重合[11- 12]。對(duì)于LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的點(diǎn)a，其徑向夾持力較大，與點(diǎn)b和傳統(tǒng)元件相比，點(diǎn)a的升壓曲線和降壓曲線重合度較低，遲滯非線性更明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了研究LREs壓電驅(qū)動(dòng)器的力學(xué)性能，制備了PZT-52驅(qū)動(dòng)器試樣，采用絲網(wǎng)印刷法制作了局部環(huán)形電極,搭建了夾持力測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試了LREs壓電驅(qū)動(dòng)器帶電極區(qū)域中心點(diǎn)a和無(wú)電極區(qū)域中心點(diǎn)b的夾持力。作為對(duì)比，測(cè)試了相同尺寸傳統(tǒng)元件的夾持力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在頻率0.2 Hz、幅值0～200 V的方波和正弦波激勵(lì)下，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)a的徑向夾持力峰值分別為0.60 N和0.58 N，約為傳統(tǒng)元件徑向夾持力的2.72倍和2.76倍;在相同電壓激勵(lì)下，LREs壓電驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)b的反向夾持力峰值分別為0.29 N和0.28 N，比傳統(tǒng)元件反向夾持力峰值略大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了LREs壓電驅(qū)動(dòng)器具有正交異性。