等間距螺旋電極壓電驅動器制備與靜態性能測試

張樹良,劉永剛,2,李海吉,王亞騰

(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

壓電驅動器主要利用壓電材料的逆壓電效應,依靠壓電材料基體在外加電場的作用下直接或間接產生驅動位移或力[1]。與傳統電磁驅動器相比,壓電驅動器構成的微位移系統具有響應速度快,結構簡單,可靠性高,體積小及組合靈活等優點[2]。在智能材料結構領域,壓電驅動器作為一種新型的驅動元件已備受關注。目前在機械加工、精密儀器、光學和生物醫療等領域應用也越來越多[3-4]。

田曉超等[5]對“十”字型壓電慣性驅動器進行了理論分析與應用測試,證明了該驅動器能較好地實現系統驅動。江裕雷等[6]設計了一種徑向雙壓疊堆執行器,結果表明,該執行器的位移放大輸出高,且在高頻下無明顯衰減。張靜等[7]研究了助燒劑對陶瓷樣品性能影響,并制備疊層壓電驅動器,結果表明,隨著電壓的增加,位移逐漸增大。R.K. Veeresha等[8]提出了一種驅動機構底座的線性步進運動,通過施加激勵信號測量相應的試驗結果并繪制了曲線,最終實現驅動器的平穩運行。Lu Yonggang等[9]研究了一種叉指型電極壓電驅動器,對其進行有限元分析并制備了該試樣,結果表明,該驅動器徑向位移峰值為1.63 μm,是相同結構的傳統電極壓電驅動器的2.5倍。

近年來,隨著壓電驅動器的發展,對傳統單一方向產生位移的驅動器研究已不能滿足實際所需,如扭轉傳感器、光學掃描儀及超聲波電機等領域都需要獲得扭轉驅動性能。因此,學者們相繼提出一系列螺旋驅動器[10],如超螺旋結構、螺旋纖維管、縱向扭轉振動變換器和利用多層薄片復合而成的扭轉驅動器等,此類驅動器結構盡管可實現扭轉的目的,但其一般都具有復雜的電極結構,極化電場分布非線性,制造難度大且成本高。此外,受結構截面特定形狀的限制,對于尺寸小于1 mm的扭轉驅動結構成型工藝較復雜。

為了獲得扭轉驅動性能,降低制造復合壓電驅動器的難度及制作成本,且能獲得結構簡單及大驅動應變的問題。郭全圓等[11]采用有限元法分析了一種叉指電極結構形式的螺旋電極壓電扭轉驅動器(SEPA),結果表明,非等間距的對數螺旋電極壓電扭轉驅動器能產生明顯的切向應變和較大的徑向應變。在此基礎上,本文提出了一種基于阿基米德螺線的等間距螺旋電極壓電驅動器,對該驅動器元件進行了制備,并搭建位移測試平臺,研究了徑向及扭轉驅動性能,最后通過大量的試驗證明該驅動器具有較大的徑向位移輸出,并產生了明顯的扭轉角度。

1 結構原理與測量方式

1.1 驅動理論分析

等間距螺旋電極壓電驅動器上下表面電極曲線滿足阿基米德螺線公式,在極坐標系下其方程為

r=r0+aθ

(1)

式中:r為極徑;θ為極角;r0為θ=0°時的極徑;a為阿基米德螺旋線系數。

對于平面螺旋電極壓電元件,在外加激勵電場的作用下,其利用壓電常數d33和d31在平面內產生徑向及扭轉位移,元件的極化方向垂直于螺旋電極線,其壓電本構方程為

ε=SEσ+dE

(2)

D=dσ+λσE

(3)

式中:ε為應變向量;σ為應力向量;E為電場強度向量;D為電位移向量;S為彈性柔順常數矩陣;d為壓電應變系數矩陣;λ為相對介電常數矩陣;上標E、σ分別為恒定電場強度(E=0)和恒定應力(σ=0)條件下的材料常數。

在不受外力作用下,驅動器只受E的作用,電場方向沿著驅動器徑向,可將式(2)簡化為二維平面形式進行分析。因此,只在沿著徑向3方向有電場強度E3,其他方向電場強度為0。為了研究該驅動器徑向及扭轉變形,需要對式(2)坐標系根據幾何原理進行坐標變換[11],可得在恒定應力狀態下,等間距螺旋電極壓電驅動器在平面電極區域的徑向應變為

ε33=(d33cos2β+d31sin2β)E3

(4)

由式(4)可知,電場強度為影響驅動器驅動性能的主要因素。理想情況下,電場線是始終沿著徑向方向且平行于圓盤表面。在實際中,電極附近區域電場線呈現一種非線性非均勻的分布,且在電極正下方的電場線較密集,只有在遠離電極區域才呈現理想的均勻電場。在外加電壓載荷的作用下,驅動器電極區域的應力和應變變化不均勻,且非線性分布,只有在一對異性電極中間的均勻電場區域應力和應變才逐漸呈現一種線性均勻的趨勢。

1.2 結構與原理

傳統型壓電驅動器結構如圖1(a)所示。在壓電陶瓷的上下表面均涂滿銀材料作為元件的正負電極,極化方向與電場方向一致沿著軸向方向,在壓電常數d31的作用下產生徑向變形。等間距SEPA的結構如圖1(b)所示,在壓電圓盤基體的上下表面各分布1對等間距的螺旋電極,在每個平面內2根螺旋結構的電極交叉排布,極化方向沿著徑向,利用壓電常數d33可產生徑向變形。在數值上d33?d31,因此,螺旋電極元件沿徑向的性能明顯優于傳統元件。在d31的作用下,電極結構在平面內產生扭轉變形。這種電極布置方式有效地利用了圓盤平面區域,具有提高驅動器變形的潛能。由圖1(b)可看出,螺旋電極半徑是繞中心點旋轉角度的函數,隨著旋轉角度的增加,半徑不斷增大,但正負電極間距始終保持不變。其中,正、負電極加載正、負電壓載荷。

圖1 壓電驅動器結構圖

等間距SEPA的電極結構形式基于阿基米德螺旋線,該驅動器局部電極結構坐標系如圖2所示。不同于漸開式的電極線,該電極模式是一種既非中心對稱又非旋轉對稱的平面螺旋。其中電極結構是一段關于壓電圓盤中心點O旋轉的螺旋線,滿足阿基米德螺旋曲線方程的函數。

圖2 局部電極坐標系

圖2中,1、3方向分別為螺旋線段上任一點的切向和垂向方向,y、x方向為過該點的圓周切向方向和與之垂直方向,β為螺旋線上任一點的切線方向與過該點的圓周切線之間的夾角,稱為螺旋角[11]。在驅動電壓下,由于d33和d31的作用,等間距SEPA作為驅動元件將產生沿著電場方向和與電場線垂直且相切的兩個方向的應變,在d33和d31共同作用下,將在壓電圓盤的輸出面耦合出徑向運動和扭轉運動。

1.3 性能測量方式

為了測得元件的靜態驅動性能,需要分析其徑向位移及扭轉角度測量方式。圖3為元件位移測量簡圖。在徑向位移測量過程中,先對元件底端進行全約束,然后對A點進行檢測可獲得在激勵信號下元件的徑向位移,如圖3(a)所示。為了測得A點的扭轉角,試驗中在元件自由端加裝一個類似于位移放大器的放大臂L(L=25 mm),在外加載荷作用下,L將產生一個扭轉角度φ,相應在檢測點B點處會出現位移Δx,而通過檢測Δx,可間接測得A點的扭轉角度,如圖3(b)所示。由于該驅動器結構產生的變形很小,根據圖3(b)中幾何關系可知:

圖3 元件位移測量方式

(5)

該結構原理簡單,操作方便,通過式(5)可將測得的試驗結果轉化為所需扭轉角度。

2 試樣制備

2.1 螺旋電極制作

以直徑?25 mm、厚2 mm的PZT52壓電陶瓷圓片為基體制備試樣,通過絲網印刷方式在基體表面布滿預設的螺旋電極,電極基圓半徑為1 mm,電極寬度為0.6 mm,電極間距為0.6 mm,最大正負電極環數為9環。電極材料為導電銀膠,其具有良好的導電性能,且能夠緊密牢固地粘接在壓電陶瓷表面。在制作過程中,首先使用酒精將印有電極結構的印刷網版進行清潔處理,然后將其放置于壓電圓盤基體表面,用刮板將銀膠刷在網板上,使電極結構最大范圍地利用壓電陶瓷表面。常溫下,印刷銀電極材料為液態,在壓電陶瓷表面不易固化,粘附性不強且導電性能很差。因此,每完成一面電極的印制,需將其放置于10 A箱式電阻爐中加熱到150 ℃,并保溫約30 min,如圖4所示。待加熱完成,冷卻到室溫后,在壓電陶瓷兩側的電極末端位置做好標記,保證上下表面電極結構的對稱性,然后進行另一表面電極的制作。

圖4 箱式電阻爐

為了篩選出合格的元件,使用萬用表對制作完成的元件進行檢測,保證上下表面電極導電性能良好且無短路情況。由于人工印刷存在銀電極模糊,接觸不良和電極扭曲情況。因此,在放大鏡下觀測電極結構,挑選出不合格元件進行清潔、修補,并重新制作不可修復的試樣。為了便于試樣極化及性能測試中施加載荷,在試樣的側面焊接正負極導線,使上下表面電極聯通。試驗采用AFPF四氟高溫屏蔽線作為導線,經過可調恒溫焊接工具將導線焊接于元件側面。該導線能耐高溫,耐油酸,抗腐蝕,在極化過程中能承載高壓,且不易脫落,以便試驗正常進行。

2.2 試樣極化

壓電陶瓷元件只有在經過極化后才能顯現出壓電效應,試樣極化裝置如圖5所示。元件電極制作完成后,將其正負電極連接至LK2672X型耐壓測試儀,隨后放置于裝有甲基硅油的DU-20型電熱恒溫油浴鍋中,試樣完全浸沒在硅油中10 min左右,使其達到極化溫度。然后戴上高壓絕緣手套分步提高加載電壓至極化電壓。在極化電壓和極化溫度下保持60 min左右,使試樣充分極化。極化過程中,注意觀察耐壓測試儀的漏電流情況,若出現報警狀況應及時關閉儀器設備,避免因高壓環境造成危險。

圖5 試樣極化裝置

極化完成后,關閉高壓電源,迅速取出試樣將其放置于室溫的甲基硅油中;然后迅速加載電壓至略低于極化電壓,使試樣冷卻到室溫狀態后關閉高壓電源,并取出試樣;用丙酮清理試樣表面殘余的甲基硅油;最后用酒精擦洗后,放置在室溫下自然晾干,并保持12 h后再進行性能檢測。

3 靜態性能測試試驗

3.1 位移測試裝置

為了檢測所制備元件的靜態特性,搭建微位移測試平臺。位移檢測系統主要由信號發生裝置、信號接收裝置、待測元件及減震臺組成,如圖6所示[2]。

圖6 位移檢測系統

性能測試前,首先將待測元件一端完全固定在玻璃板上,并放置于減震臺進行減噪處理,以隔絕部分外部因素帶來的試驗誤差。然后采用美國泰克公司Tektronix-AFG3101函數發生器對待測元件施加激勵信號,經過ATA-2041電子高壓放大器放大后輸送到與其相連的被測元件。數據采集時待測試樣如圖7所示。調整測量頭和試樣位于同一垂直面內。角度測量時采用長25 mm、寬2 mm、厚1 mm的鉬片作為放大臂,水平粘貼于試樣的自由端A點位置。調節好傳感器探頭的測量位置,測得的微位移經過位移傳感器與交換機輸送到計算機,最后對試驗測得數據進行提取后處理,通過不斷重復上述試驗以獲得最佳的結果。

圖7 待測試樣

3.2 結果分析

以0.5 Hz、峰值200 V的正弦電壓進行激勵,傳統型電極壓電驅動器與螺旋電極壓電驅動器的徑向位移和扭轉角的時間歷程曲線如圖8所示。由圖可知,隨著時間的推進,元件的徑向位移與扭轉角均逐漸增大到最大值,隨后再以相同的趨勢逐漸減小。在正弦信號下,傳統型電極壓電元件最大徑向位移可達0.65 μm,而螺旋電極壓電元件的徑向位移可達1.02 μm,且伴有0.12 mrad的扭轉角度產生。螺旋電極壓電元件的徑向位移為傳統型元件的1.57倍,此外,還產生了傳統型元件所不具有的扭轉角度。由此可體現螺旋電極壓電元件優良的徑向位移輸出與特殊的扭轉驅動性能。

圖8 徑向位移、扭轉角時間歷程曲線

圖9為待測試樣的徑向位移與扭轉角度隨加載電壓變化曲線。由圖可看出,等間距SEPA的徑向位移大于傳統元件的徑向位移,且在電壓為200 V時,等間距SEPA的徑向位移達到最大值1.02 μm,傳統元件的徑向位移達到最大值0.65 μm。在電壓200 V時,螺旋電極壓電元件獲得最大的扭轉角度為0.12 mrad。此外,元件的位移與扭轉角均隨著激勵電壓的增加不斷增大。因此,在實際應用過程中可利用外加載荷的大小獲得所需驅動性能。圖中,傳統元件與螺旋電極元件的徑向位移與扭轉角在0-200 V-0電壓區間,隨電壓增長至最大值后逐漸減小至最小值,形成閉合的曲線即“遲滯環”[12]。升壓曲線與降壓曲線不重合,二者存在差值,且無對稱軸,體現了PZT壓電陶瓷明顯的遲滯特性。

圖9 徑向位移、扭轉角響應曲線

為了進一步研究所制作壓電驅動器的位移輸出性能,在相同測試條件下,對驅動器施加0.5 Hz的正弦激勵信號,并分別施加0-50 V、0-100 V、0-150 V的激勵電壓,對不同幅值激勵電壓下驅動器位移輸出進行了對比分析。峰值位移隨峰值激勵電壓變化如圖10所示。試驗證明,在不同幅值激勵電壓下,驅動器的位移-時間與位移-響應曲線變化趨勢如圖8、9所示。隨著電壓與時間的變化,元件的位移輸出與扭轉角度逐漸增大至峰值后返回最小值,但隨著激勵電壓幅值的降低,峰值位移逐漸減小。

圖10 峰值位移與激勵電壓的變化關系

由圖10可知,相同激勵信號和頻率下,與傳統面電極形式的驅動器相比,本文設計的螺旋電極壓電驅動器的輸出位移峰值較大,說明該驅動器具有良好的位移輸出性能,且扭轉位移產生了更明顯的扭轉角度,這是傳統面電極形式驅動器不具有的性能。圖10中傳統面電極驅動器由于電極平面鋪設于壓電陶瓷表面,電極結構簡單,電場線分布均勻。因此,隨著激勵電壓幅值的增大,其徑向峰值位移基本呈線性增長趨勢。SEPA元件由于電極基于阿基米德螺線,正負電極交叉排列,不同極性的電極間電場線分布非線性,故其峰值位移隨峰值激勵電壓呈非線性增長,且增長趨勢較大。

4 結束語

本文提出一種等間距螺旋電極壓電驅動器,電極結構基于阿基米德螺旋線,采用絲網印刷法對該驅動器螺旋電極進行了制作,并經過油浴極化法完成試樣的制備。搭建了位移測試試驗裝置,并對其徑向位移及扭轉驅動性能進行了研究。試驗結果表明,在頻率0.5 Hz、峰值200 V的正弦激勵信號下,等間距螺旋電極壓電驅動器徑向位移可以達到1.02 μm,為傳統電極壓電元件的1.57倍,扭轉角度可達0.12 mrad。與傳統型壓電驅動器相比,該元件具有較大的徑向位移輸出,并有明顯的扭轉驅動性能。通過試驗研究了不同幅值激勵電壓對驅動器峰值位移的影響結果,等間距SEPA元件峰值位移隨著激勵電壓幅值的增大非線性增大。該驅動器良好的徑向位移驅動與平面內產生的扭轉角度,為進一步研究驅動器的扭轉性能提供基礎,利用其平面扭轉特性可在光學掃描儀、超聲電機和光纖定位等領域得到廣泛應用。