压电双晶片型微位移放大机构研究.pdf

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1、精密制造与自动化2011年第3期压电双晶片型微位移放大机构研究张斌李士进贡玉杰王德昌(1．河南中煤机械有限公司郑州450001；2．索凌电气有限公司郑州450001)摘要介绍了以压电双晶片作为驱动元件，由三角放大机理构造的柔性铰链机构作为位移输出的微位移放大机构。通过理论计算、建模等对微位移放大机构进行设计，制作了微位移放大机构的样机，并进行了试验。对得到的测试数据进行分析，研究结果表明，采用压电材料作为精密设备的驱动元件性能良好，所研制压电双晶片型微位移放大机构原理，可推广应用到其他微位移定位系统，是一项具有实际应用价值的技术。关键词压电双晶片柔性铰

2、链微位移放大机构当前，人们在向宏观世界不断进军的同时，也被称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷在积极地向微观世界发起冲击。人们不断地致力于的极性也会随之改变。相反，若在电介质的极化方微型装置的研究制造与开发利用。传统的精密驱动向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去机构一般采取精密丝杠副或滚动(滑动)导轨、涡轮掉后，电介质的变形随之消失，这种现象被称为逆一凸轮机构、精密螺旋楔块机构、齿轮一杠杆式机构压电效应。等作为动力和运动的主要转换方式。由于在机构利用图1所示的圆柱形压电晶体来说明压电效工作的时候存在摩擦、爬行、间隙、多环节传动等应，其中图

3、1(a)表示在没有受到电压和外力条件原因，使它们的定位精度、运动精度较难达到亚纳下的压电晶体。由于晶体没有受到任何外力的作米级、纳米级。用，正电荷的重心与负电荷的重心处于重合状近年来，随着大规模和超大规模集成电路的蓬态，整个压电晶体的表面没有电荷。但是，当沿着勃发展，微机械的研究也逐步兴起，对微位移驱动某一方向对压电晶体施加作用力的时候，压电晶体技术的要求也越来越高。压电驱动器是基于波动原就会在外力的作用下而发生形变而导致了正电荷理的新型控制微驱动器，利用压电元件所具有的逆和负电荷的重心不再重合，也就是它的电矩发生了压电效应，将电能转换为机械能的新型驱

4、动装置，压变化，这样就会引起了压电晶体表面的荷电现象。图电陶瓷微位移器件具有体积小、输出力大、分辨率1(b)所示表示压电晶体受到外力压缩时的荷电的高和频响高的优点，同时还不发热、无噪声、易于情况；图1(C)所示则为压电晶体受外力拉伸时的控制，是纳米驱动定位技术中的比较理想微位移器荷电情况。在这两种情况下，压电晶体表面所带电件，这类高精度仪器和装备正在激光通讯、生物工的符号相反。反之，若将压电晶体放置于外电场程、纳米加工、自动控制、机器人等高新技术领域中，由于受到外电场的作用，就会导致压电晶体内得到推广应用，将会在国民经济中发挥越来越重要部的正负电荷重心

5、发生偏移。这一极化位移又使的作用。压电晶体发生形变，如图1(d)、(e)、(f)所示。1压电驱动理论1．1压电效应与压电逆效应当某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而发生变形的时候，它们的内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上会出现相反的正负：电荷，电荷的面密度与施加力的大小有关。当把外(d)(e)(1)力撤掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象图1晶体的压电效应精密制造与自动化2011年第3期1．2压电双晶片tD的两极间产生，因此图3(b)的电场强度是图图2所示是压电双晶片的结构，中间是弹性金3(a)的2倍，在一定的范围内，对压电陶瓷通的电

6、属片(一般用铍青铜)，金属片的两侧是压电晶压越大则产生的变形就越大。因此，一般情况片，金属薄片和压电晶片一般通过胶粘或其它方式下，使用并联方式作为压电双晶片的电压驱动方联接。当对金属片和两侧表面的电极间施加合适式，可以获得较大的弯曲变形，本文采用并联型压电压的时候，上层的压电晶片在水平方向膨胀，在电双晶片。垂直方向收缩，而下层压电晶片在垂直方向膨胀，在水平方向上收缩，从而使双层压电晶片产生3微位移放大机构设计变形，能够扩大压电晶体的变形。3．1微位移放大机构设计原理柔性铰链由于具有高分辨率、无需润滑、结构简单等优点，近些年应用越来越多，并且在各个应用领

7、域都发挥了重要的作用。本文采用压电双晶片作为微位移放大机构的驱动元件，采用柔性铰链作怖长为微位移放大机构的运动副，该柔性铰链采用三角放大原理，下面对三角放大原理进行说明。缡髓三角放大原理如图4所示，当在水平方向上产变形后生一个X位移时，在垂直方向便产生一个Y位移，对图2压电双晶片结构应不同的角度有不周的y／x值。压电双晶片当前常用的两种电气连接方式如图3所示。+图4三角放大原理图3压电双晶片电气连接方式设放大倍数为A，可知：由图可知，当在物体水平方向上做一个X得位图3中的箭头表示为压电晶片的极化方向。其移时，6c有一个微小的增量0，从而不难得出：中图3

8、(a)所示的压电双晶片在上下两片压电晶片之间没有电极，它通过上下表面的引出的电极施加X=Ico