局部環狀電極壓電驅動器制備與夾持力測試

閆鵬飛，劉永剛,2，曾奧柯，張樹良

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學 機械裝備先進制造河南省協同創新中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著微型機械制造、微機械裝配、精密光學系統、納米加工及光纖對接等精密驅動領域的發展和深入研究，對運動控制系統提出了更高的要求，迫切需要大行程、快響應及高分辨率等良好驅動性能的壓電驅動器[1-2]。傳統元件要想獲得較大的位移和夾持力，需加高電壓或累積驅動器，具有一定的局限性。為獲得高精度、大行程和大驅動力的作動器，已提出一系列新型壓電陶瓷驅動器[3-4]。

劉雪瑞等[5]設計了一種雙向驅動壓電作動器，該結構利用三角位移放大原理，實現了較大行程、雙向對稱驅動的目的。Chen Weishan等[6]提出了一種新型的步進壓電驅動器，經過實驗測試，其可實現長行程、高分辨率的直線驅動。Xu Mahui等[7]設計了一種基于壓電常數d33模式的壓電陶瓷PZT薄膜壓電微加速度計，并對其性能進行測試，實驗結果表明，與d31模式的壓電微加速度計相比，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動器，通過改變鋸齒電信號的相位或矩形脈沖信號的占空比來實現滑塊的雙向運動，結果表明，在輸入40 V電壓下，驅動器最大推力可達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動器，分析證明驅動器的軸向性能較普通模型有明顯改善。張婷等[3]提出了一種平面內具有正交異性的局部環形電極(LREs)壓電驅動器，有限元分析結果表明，LREs壓電驅動器的方向性強，在平面內有明顯的正交異性。

傳統元件上下表面覆蓋電極，使用壓電常數d31產生徑向變形和力。LREs壓電元件極化方向沿徑向，其使用壓電常數d33產生徑向變形和力。通常d33≈2d31，因此，LREs壓電驅動器的驅動性能明顯優于傳統元件[2-4]。本文對LREs壓電驅動器和傳統壓元件進行制備，并搭建夾持力測試平臺，對LREs壓電驅動器和傳統元件的徑向夾持力了進行測試對比，分析了其驅動性能，并對LREs壓電驅動器的正交異性進行了實驗研究。

1 結構與原理

圖1為LREs壓電驅動器的結構示意圖，其由正負主電極分別引出一系列分支電極，分支電極交叉環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，正負主電極中心線角度α=90°。

圖1 LREs壓電驅動器結構示意圖

文獻[3]分析指出，LREs壓電驅動器的徑向夾持力具有正交異性，并對壓電驅動器帶電極區域和無電極區域的中心部位檢測點a、b的徑向夾持力進行測試。實驗時分別對壓電驅動器點a、b正下端的5 mm×3 mm平面進行約束。

2 元件制備

制備LREs壓電驅動器時，采用壓電陶瓷PZT-52作為基體，如圖2(a)所示。使用絲網印刷法對元件進行制作局部環形電極。電極材料使用型號為3071的導電銀膠，如圖2(b)所示，其具有良好的印刷性、導電性、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，首先將網板的電極輪廓最外圈對準壓電陶瓷PZT-52基體，如圖2(c)所示。使用圖2(d)所示絲網印刷刷子印刷壓電驅動器其中一個平面。

圖2 電極印刷器材

由于銀膠在常溫下很難晾干，且耗時過長，因此，印刷完電極后，需將其置于150 ℃的箱式電阻爐(見圖3)里進行加熱，加熱保溫30 min后，在常溫環境中自然冷卻。

圖3 箱式電阻爐

LREs壓電驅動器上下表面完全對稱，因此，印刷第二面電極時，需要將電極位置進行定位標記，然后進行第二面的電極印刷，保證上下兩個表面的電極能對稱。第二面電極印刷后，同樣在150 ℃的保溫箱里持續加熱30 min后自然冷卻。

根據LREs壓電驅動器的結構特征，若想使正反面電極能同時通電，需要4根導線才能將其接到電源上。為方便導線連接，將壓電陶瓷基體側面涂上銀膠，使上下表面的正電極接通，同時上下表面的負電極也接通，這樣只需將2根導線焊接在元件側面即可，且不影響LREs壓電驅動器的正常使用。

元件電極印刷完后用萬用表測其電阻，并測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危險情況。待元件電極印刷完整后，將導線焊接于元件側面以便使用。

壓電陶瓷材料極化前不具有壓電效應，其內部的晶?！半姰牎迸帕惺菬o序和不規則的。為使其表現出壓電性，需要在一定溫度下對其施加一定時間的直流高壓電場，對其進行極化，極化裝置包括電熱恒溫油浴鍋(DU-20型)和耐壓測試儀(LK2672X型)，如圖4所示。

圖4 極化裝置

油浴鍋里裝有甲基硅油，對元件進行極化時，可使元件處于恒溫且與外界絕緣狀態。耐壓測試儀用于穩定輸出直流電壓，且可實時觀測漏電流，防止出現意外情況，保證實驗安全。制備的完整LREs壓電驅動器和傳統元件如圖5所示。

圖5 LREs壓電驅動器和傳統電極驅動器

3 夾持力測試實驗

3.1 測試裝置

為了研究試樣的力學性能，搭建的夾持力測試實驗平臺如圖6所示。機架和待測元件單獨放在減震臺上，與其他器件分開擺放，以降低噪聲對試驗數據產生影響。推拉力計安裝于機架上，可自由安裝和拆卸，機架上裝有輪輻式傳感器，用于精確控制推拉力計的上下位置。

圖6 夾持力測試實驗平臺

測試過程中，信號發生器輸出的各種激勵信號經功率放大器放大后，一端連接示波器，另一端與待測LREs壓電驅動器正負極相連。待測元件置于推拉力計正下方，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，推拉力計頂端對準元件夾持力待測點，對待測點施加20 N的夾持力，如圖7所示。數顯式推拉力計連接在計算機上，以進行夾持力數據采集，推拉力計的負荷分度值為0.01 N，可準確測試LREs壓電驅動器的夾持力。

圖7 待測試樣

3.2 實驗結果分析

為對比LREs壓電驅動器和傳統元件的力學性能，對其徑向夾持力進行了測試。對元件分別施加頻率0.2 Hz、幅值200 V的方波和正弦波，測試LREs壓電驅動器點a、b及傳統元件的徑向夾持力ΔF，得到其響應曲線如圖8所示。

由圖8可知，在方波電壓激勵下，LREs壓電驅動器點a徑向夾持力峰值可達0.60 N，傳統元件徑向夾持力峰值為0.22 N，LREs壓電驅動器徑向夾持力約為傳統元件徑向夾持力的2.72倍。在正弦波電壓激勵下，LREs元件點a徑向夾持力峰值可達0.58 N，而傳統元件的徑向夾持力峰值為0.21 N，LREs壓電驅動器徑向夾持力約為傳統元件徑向夾持力的2.76倍。因此，LREs壓電驅動器驅動性能比傳統元件驅動性能優。

LREs壓電驅動器點a處于帶電極區域，點b處于無電極區域。由于泊松效應，帶電極區域的變形導致無電極區的被動變形，2個區域的變形方向相反。因此，在施加電壓0～200 V時，點a產生徑向拉伸夾持力，而點b產生反方向的夾持力。在方波電壓激勵下，點b產生的反方向夾持力峰值為0.29 N，在正弦波電壓激勵下，產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下，點b產生的反方向夾持力也大于傳統元件的徑向夾持力。對比點a、b的徑向夾持力，其大小和方向不同，表現出明顯的正交異性[10]，驗證了文獻[3]的分析結果。

由于壓電陶瓷的遲滯非線性，由圖8(b)可看出，壓電驅動器徑向夾持力的升壓曲線和降壓曲線未重合[11- 12]。對于LREs壓電驅動器的點a，其徑向夾持力較大，與點b和傳統元件相比，點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 結束語

為了研究LREs壓電驅動器的力學性能，制備了PZT-52驅動器試樣，采用絲網印刷法制作了局部環形電極,搭建了夾持力測試平臺，測試了LREs壓電驅動器帶電極區域中心點a和無電極區域中心點b的夾持力。作為對比，測試了相同尺寸傳統元件的夾持力。實驗結果表明，在頻率0.2 Hz、幅值0～200 V的方波和正弦波激勵下，LREs壓電驅動器點a的徑向夾持力峰值分別為0.60 N和0.58 N，約為傳統元件徑向夾持力的2.72倍和2.76倍;在相同電壓激勵下，LREs壓電驅動器點b的反向夾持力峰值分別為0.29 N和0.28 N，比傳統元件反向夾持力峰值略大，實驗結果證明了LREs壓電驅動器具有正交異性。