壓電促動器的研制及其減振效果

姚曉成，蔣春燕，趙 程，曾 濤

(上海材料研究所，上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

0 引 言

精密光學器件的應用變得越來越廣泛，其微振動的抑制成為研究熱點[1]。目前普遍采用彈簧類或橡膠類隔振器[2]來抑制精密器件的微振動。但是，該類隔振器由于自身阻尼較小，在低頻激勵時不能有效起到減振作用，同時難以滿足精密器件高靈敏度、高精度和高穩定性要求。因此，如何抑制精密器件的微振動仍是目前亟待解決的問題。

壓電陶瓷是指經直流高壓電場極化處理后具有壓電效應的鐵電陶瓷，具有密度小、響應精度高，頻響高和輸出力大等優點[3]，目前已應用在衛星[4]、空間望遠鏡等微振動抑制方面。單片壓電陶瓷的輸出位移較小，難以抑制實際工程中的大振幅振動，這極大限制了其應用。壓電層的串聯可以大幅增加相同電壓下壓電陶瓷的輸出位移[3]，因此通常將壓電陶瓷片串聯制成壓電層串聯、電極層并聯的壓電疊堆，以達到低電壓驅動、高性能輸出的目的[3]。壓電疊堆是將多層壓電片通過環氧樹脂膠黏而制成的，兼具壓電片響應精度高、頻響高和輸出力大等特點，但當其受到橫向剪切力或縱向拉伸力時，極易發生損壞。在實際應用過程中，需要給壓電疊堆設計一個促動器結構，減小其在運動過程中受到剪切力和拉伸力，從而延長壓電疊堆的使用壽命。

近年來，研究者們為提高壓電疊堆的輸出性能做了很多研究。CHOI等[5]將質量塊與壓電疊堆裝配成促動器，研究了促動器的動力學特性和作動特性。LI等[6]研究了提高慣性促動器的振動幅值，獲取更大作動力的方法。LESIEUTRE等[7]提出了基于機械放大機構的慣性壓電促動器的制備方法。SHAO等[8]研制了一種微型慣性壓電促動器，發現其在高載荷下仍能保持高精度的運動特性。上述學者研究了慣性壓電促動器的制備和相關性能，但沒有進行相應的減振試驗。

作者基于壓電疊堆的結構特征，并且考慮到壓電疊堆在運動過程中因受剪切力與拉伸力作用而失效的問題，設計并研制了壓電促動器，測試了相關輸出性能參數，搭建了慣性式壓電減振系統，進行了0～100 Hz頻段的振動控制試驗，驗證了壓電促動器減振的有效性。

1 壓電促動器的設計與性能

1.1 結構設計

選用上海材料研究所自主研發的尺寸為5 mm×5 mm×9 mm的壓電疊堆來組裝促動器，結構如圖1所示。

圖1 壓電疊堆的結構示意Fig.1 Structure diagram of piezoelectric stack

設計的促動器結構如圖2所示，該促動器主要由6個部件組成，自上而下分別為移動桿件、鎖緊螺母、碟形簧片、外殼、壓電疊堆以及底座。該結構中涉及到的主要連接方式為螺紋連接，即底座與外殼、鎖緊螺母與外殼之間均采用螺紋連接。當施加正向電壓時，壓電疊堆會產生拉伸變形并帶動移動桿件對外輸出位移，當撤去外加電壓后，壓電疊堆恢復到原長，移動桿件在彈簧元件的作用下始終保持與壓電疊堆的緊密連接。經稱量，該壓電促動器的質量為50 g。

圖2 促動器的結構示意Fig.2 Structure diagram of actuator

由于球形結構承壓能力強，同時受到來自任意方向的外力時，該力均可以向四周均勻地分散，從而極大減小剪切力。因此，將與壓電疊堆接觸的上下端面設計成球形凸點，通過移動桿件和底座上的球形凸點與壓電疊堆的上下端部配合，保證安裝的直線度，從而極大地削減壓電疊堆在運動過程中可能受到的剪切力；同時通過預加載荷(調節鎖緊螺母與外殼之間的螺紋數，給予移動桿件上固連的壓電疊堆一定的預緊力)使壓電疊堆產生預變形，從而減小壓電疊堆在運動時可能承受的拉伸力。

1.2 預緊力確定

預緊力的大小會影響壓電疊堆的輸出性能。采用如圖3所示的試驗裝置測試不同預緊力下壓電疊堆的輸出位移。該裝置主要由3個單元組成，分別為位移監測單元(激光位移傳感器)、施力單元(壓力施加部件)以及測力單元(測力計)，自上而下對壓電疊堆施加預緊力，用測力計實時監測當前預緊力大小，通過激光位移傳感器測定當前預緊力下壓電疊堆的輸出位移，以最大輸出位移作為性能優劣的評價指標。

圖3 壓電疊堆的預緊力-輸出位移試驗裝置示意Fig.3 Test device diagram of preloading force-output displacement of piezoelectric stack

由圖4可以看出：預緊力小于100 N時，壓電疊堆的最大輸出位移基本不變；預緊力大于100 N時，最大輸出位移增大，壓電疊堆的輸出性能增強；當預緊力達到225 N時，最大輸出位移達到峰值，此時壓電疊堆的輸出性能最佳。因此，通過設計鎖緊螺母與外殼之間的螺紋數，將壓電促動器的預緊力控制在225 N。

圖4 壓電疊堆的最大輸出位移-預緊力曲線Fig.4 Curve of maximum output displacement vs preloading force of piezoelectric stack

極化的壓電陶瓷在受壓后，晶格會產生畸變，同時部分電疇減小，部分電疇增大，部分垂直于受壓表面的極化c疇發生90°疇變向為a疇。預緊狀態下的壓電陶瓷在外加電場的作用下，a疇再次發生90°疇變向復為c疇，使得晶體的總偶極矩發生變化，從而誘發更大的應變，導致受壓后的等效壓電應變系數增大[9]，宏觀上表現為逆壓電效應增強，最大輸出位移增大。

1.3 促動器的性能

由圖5可以看出：壓電疊堆在靜態測試中的輸出位移與施加電壓的關系曲線呈現為環狀，這是壓電疊堆存在遲滯效應導致的；在150 V直流電壓驅動下，壓電促動器的最大輸出位移為10.35 μm，0預緊力下壓電疊堆的最大輸出位移為8.65 μm，225 N預緊力下壓電疊堆的最大輸出位移為10.78 μm。由此可見，225 N預緊力下壓電促動器的輸出性能較0預緊力下的壓電疊堆有了較大的提升，但小于225 N預緊力下壓電疊堆的，推測為預緊力施加偏差和彈簧元件吸收位移導致。

圖5 不同預緊力下壓電疊堆和壓電促動器的輸出位移隨施加電壓的變化曲線Fig.5 Curves between output displacement and applied voltage under different loads, preloads of piezoelectric stack and piezoelectric actuator

2 慣性式壓電促動器的減振試驗

2.1 試驗裝置設計

將壓電促動器的自由端與慣性質量塊剛性連接組成慣性式壓電促動器，以該慣性式壓電促動器為核心元件，編寫閉環控制算法，對模擬環境振動的等效懸臂梁進行振動抑制。減振試驗裝置如圖6所示。激振臺帶動與其連接的懸臂梁振動以模擬低頻段的振動環境，加速度傳感器采集振動信號進行算法處理后輸出反相位的電壓信號，驅動慣性式壓電促動器產生反相位慣性力對懸臂梁進行振動抑制，以激光位移傳感器監測到的振幅衰減情況來評價減振效果。

圖6 慣性式壓電促動器減振試驗裝置示意Fig.6 Test device of inertial piezoelectric actuator vibration reduction

2.2 慣性質量塊的參數確定

在壓電促動器一端連接慣性質量塊；當壓電促動器通入交變電壓時，壓電疊堆由于逆壓電效應產生正弦位移，帶動慣性質量塊運動產生加速度，從而對受控對象產生反作用力[10]。慣性質量塊在壓電促動器動態輸出時會產生一個慣性力，一方面放大壓電促動器的輸出力，另一方面隔離非必要的干擾，對壓電疊堆起到一定的保護作用。

利用測力計測定不同振動頻率下懸臂梁端部的輸出力。由圖7可以看出，輸出力隨著頻率的增加而增加，在0～100 Hz頻段內懸臂梁端部的輸出力在57～63 mN之間。選定60 mN為梁端部輸出力的標準值。

圖7 懸臂梁端部輸出力與振動頻率的曲線Fig.7 Curve of output force vs vibration frequency ofcantilever beam end

采用圖8(a)所示裝置測定慣性質量塊質量與輸出力的關系。由圖8(b)可以看出，慣性式壓電促動器的輸出力隨著慣性質量塊質量的增加而增大，當慣性質量塊的質量為130 g時，慣性式壓電促動器的輸出力達到標準值60 mN，故將慣性質量塊質量定為130 g。

圖8 慣性式壓電促動器的輸出力測試裝置及輸出力-慣性質量塊質量的關系曲線Fig.8 Output force test device of inertial piezoelectric actuator (a) and curve of output force vs mass of inertial mass block (b)

2.3 振動控制效果

采用圖6所示的減振試驗裝置對慣性式壓電促動器進行減振試驗，所用壓電促動器的質量為50 g，最大輸出位移為10.35 μm，慣性質量塊的質量為130 g。由圖9可以看出，當激振臺產生頻率分別為50，75，100 Hz的振動時，啟動減振裝置時減振效果即刻呈現，振幅分別減小了約53.2%，46%，50.4%。

圖9 不同頻率振動時慣性式壓電促動器的振幅變化Fig.9 Amplitude variation of inertial piezoelectric actuator at different frequencies

該慣性式壓電促動器的減振效果是即時呈現的，具有即刻響應、減振效果良好等優點。

3 結 論

(1) 施加在壓電疊堆上的預緊力會影響其輸出性能，預緊力為225 N時，壓電疊堆的輸出性能最好，壓電促動器的最佳預緊力為225 N，該預緊力下的最大輸出位移為10.35 μm。

(2) 在壓電促動器最大輸出位移為10.35 μm、慣性質量塊質量為130 g的減振試驗裝置中，振動頻率為50，75，100 Hz時，慣性式壓電促動器均具有良好的減振效果，振幅減小了約50%。