多层压电陶瓷及其在压电驱动器中的应用

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压电驱动器通过压电陶瓷的逆压电效应把电能转化为机械能进行输出,因此相比传统的电磁电机,具有高能量密度、快速响应、断电自锁、抗电磁干扰等优点,因此在精密仪器、机器人、医疗器械等领域获得了广泛应用。科技的发展对压电驱动器的性能提出了更高的要求,比如更高的分辨率、更小的驱动电压、更小的尺寸结构。针对以上热点问题,我们对压电驱动器的国内外研究现状进行总结,并对压电驱动器的工作原理进行了研究,提出了一种微型压电超声驱动器以满足对微型化驱动器的需求,同时对驱动原理进行创新,提出一种基于弯振耦合的驱动器。基于stick-slip原理的微型压电驱动器,由两个平行的d33叠层组成的多层压电双晶片和T-型驱动足构成,其外形尺寸仅为3 mm×3 mm×4 mm。多层压电陶瓷结构使得微型驱动器可以在较低的驱动电压和非谐振频率下即可产生较大的位移,有利于驱动和控制。对微型驱动器的输出力和输出步长的测试结果表明,在驱动电压为50 Vpp,预紧力为0.25 N的条件下,驱动器的输出步长为1μm,输出力为0.23 N。L-型直线压电驱动器基于两个二阶弯振耦合的原理,在驱动触点处形成椭圆形的运动轨迹。我们通过对驱动器进行机理分析、结构设计与优化、模态分析,发现由于该驱动器的两个弯振之间的耦合程度较高,从而驱动器的驱动频率范围明显加大,且驱动器结构简单。对驱动器进行机械性能测试,发现最佳工作频率为89kHz,在此频率下,由于实验所用驱动滑条表面的不平整导致正向运动的最大运动速度为53 mm/s,而反向的最大速度为44 mm/s。
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