直线型超声波电动机压电作动器的位移特性研究

    汪红兵，李志荣

(苏州市职业大学，江苏苏州215104)      

摘要：由于压电作动器的位移特性对直线超声波电动机的性能有较大的影响，以单层和叠堆压电陶瓷作动器为对象，分别通过理论和计算机模拟对其位移特性进行分析，得出了影响压电作动器位移特性的主要因素，为研制新型叠堆压电陶瓷作动器和开发精密直线型超声波电动机提供理论参考。

    关键词：超声波电动机；压电作动器；叠堆；位移

    中圈分类号：TM383    文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)114—0030—03

0引  言

    超声波电动机按运动形式可分为旋转式和直线型两类。近几年来直线型超声波电动机的发展十分迅速，在微小型精密驱动系统中有代替电磁型直线电动机的趋势。

    由超声波电动机的原理可知，压电材料是超声波电动机的关键问题之一，而压电陶瓷是用于超声波电动机的主要压电材料。目前国内外绝大多数超声波电动机是以单层厚度为毫米级的单层或多层压电陶瓷片(以下简称压电片)作为驱动元件。随着超声波电动机向小、轻、薄、高效率、低振动、低噪声和低价格方面发展，不仅对压电陶瓷的性能要求越来越高，而且对其结构和尺寸等提出了新的要求。由于单层压电作动器的动态位移太小，已不能满足大行程驱动的需要，所以将多片压电陶瓷片叠堆在一起，便构成了层叠式压电陶瓷作动器，层叠式压电陶瓷作动器成为一个新的研究方向。

    层叠式压电陶瓷作动器，亦称多层叠堆式压电陶瓷、压电叠堆或积层式压电微位移器，是指厚度100m左右的几十层，甚至上百层的压电陶瓷，连同电极，通过固态烧结工艺制作而成，并沿陶瓷层的厚度方向极化的压电陶瓷组，各层之间在机械上串联，在电路上并联。与上述的压电片相比，层叠式压电陶瓷作动器具有能量转换效率高、电源功耗低、响应速度快、分辨率高、输出力大、输出位移大且稳定、蠕变小等特点，特别是能实现低电压驱动、体积小的优点，在包括超声波电动机在内的各种驱动场合具有良好的应用前景。层叠式压电陶瓷作动器的研究在国外已经开始，并陆续有相关产品面世，在国内处于起步阶段。国内用于各种器件的层叠式压电陶瓷作动器主要依赖于国外。

    本文分别以单层和叠堆压电陶瓷为对象，通过解析方式和有限元数值分析对其基本特性进行分析，探讨压电陶瓷材料的主要性能参数对其输出位移特性的影响情况，为研制适于超声波电动机需要的硬特性层叠式压电陶瓷作动器提供理论参考，为开发一种驱动电压低、高温适应性好、驱动效率高、微小型化的精密直线型超声波电动机打下基础。

1压电陶瓷作动器位移特性解析研究

    直线型超声波电动机如图1所示，主要由定子和动子组成。定子上的两组层叠式压电陶瓷作动器呈90。放置，每组作动器的极化和布置方式均相同。当在两组压电陶瓷作动器分别施加正弦、余弦交流工作电压时，就激发出空间上互相垂直、相位上相差90。的两个纵向(即沿压电陶瓷作动器的厚度方向) 振动，两者在驱动头处合成而形成椭圆运动，从而依靠定子和动子之间的摩擦，驱使动子作直线运动。

    该直线电动机要求作动器能提供纵向的位移激励，因此要关注压电作动器在纵向上激发起纵向振动的应变情况。压电材料的主要性能有介电性、压电性和弹性等，反映这些主要性能的参数有介电常数、压电常数及弹性系数等。 

    极化过的压电陶瓷材料有类似六角晶系的对称性，其柔度矩阵具有5个独立的柔度系数，压电常数矩阵有3个独立分量，介电常数矩阵有2个独立分量。即：

   选应力T和电场强度E为自变量，应变s和电位移D为因变量，得到第一类压电方程组：

    当压电体仅在3轴方向(即极化方向)施加电压u时，如图2所示，以单个压电陶瓷片为对象，自

由边界条件下应力Ti(i=l～6)为零，并且假设该方向的应变沿厚度