局部环状电极压电驱动器制备与夹持力测试

闫鹏飞，刘永刚,2，曾奥柯，张树良

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003；2.河南科技大学 机械装备先进制造河南省协同创新中心，河南 洛阳 471003)

0 引言

随着微型机械制造、微机械装配、精密光学系统、纳米加工及光纤对接等精密驱动领域的发展和深入研究，对运动控制系统提出了更高的要求，迫切需要大行程、快响应及高分辨率等良好驱动性能的压电驱动器[1-2]。传统元件要想获得较大的位移和夹持力，需加高电压或累积驱动器，具有一定的局限性。为获得高精度、大行程和大驱动力的作动器，已提出一系列新型压电陶瓷驱动器[3-4]。

刘雪瑞等[5]设计了一种双向驱动压电作动器，该结构利用三角位移放大原理，实现了较大行程、双向对称驱动的目的。Chen Weishan等[6]提出了一种新型的步进压电驱动器，经过实验测试，其可实现长行程、高分辨率的直线驱动。Xu Mahui等[7]设计了一种基于压电常数d33模式的压电陶瓷PZT薄膜压电微加速度计，并对其性能进行测试，实验结果表明，与d31模式的压电微加速度计相比，其灵敏度提高。Dalius Mazeika等[8]研制了一种小型线性压电惯性摩擦驱动器，通过改变锯齿电信号的相位或矩形脉冲信号的占空比来实现滑块的双向运动，结果表明，在输入40 V电压下，驱动器最大推力可达0.21 N。刘永刚等[9]研究了一种新型的管状叉指电极压电驱动器，分析证明驱动器的轴向性能较普通模型有明显改善。张婷等[3]提出了一种平面内具有正交异性的局部环形电极(LREs)压电驱动器，有限元分析结果表明，LREs压电驱动器的方向性强，在平面内有明显的正交异性。

传统元件上下表面覆盖电极，使用压电常数d31产生径向变形和力。LREs压电元件极化方向沿径向，其使用压电常数d33产生径向变形和力。通常d33≈2d31，因此，LREs压电驱动器的驱动性能明显优于传统元件[2-4]。本文对LREs压电驱动器和传统压元件进行制备，并搭建夹持力测试平台，对LREs压电驱动器和传统元件的径向夹持力了进行测试对比，分析了其驱动性能，并对LREs压电驱动器的正交异性进行了实验研究。

1 结构与原理

图1为LREs压电驱动器的结构示意图，其由正负主电极分别引出一系列分支电极，分支电极交叉环形排列覆盖在压电陶瓷上、下表面。选取压电元件基体尺寸为∅25 mm×2 mm，分支电极中心距P=1.6 mm，分支电极宽度W=0.8 mm，正负主电极中心线角度α=90°。

图1 LREs压电驱动器结构示意图

文献[3]分析指出，LREs压电驱动器的径向夹持力具有正交异性，并对压电驱动器带电极区域和无电极区域的中心部位检测点a、b的径向夹持力进行测试。实验时分别对压电驱动器点a、b正下端的5 mm×3 mm平面进行约束。

2 元件制备

制备LREs压电驱动器时，采用压电陶瓷PZT-52作为基体，如图2(a)所示。使用丝网印刷法对元件进行制作局部环形电极。电极材料使用型号为3071的导电银胶，如图2(b)所示，其具有良好的印刷性、导电性、可焊性和抗氧化性，且能紧紧依附在压电陶瓷基体上，不易脱落。印刷时，首先将网板的电极轮廓最外圈对准压电陶瓷PZT-52基体，如图2(c)所示。使用图2(d)所示丝网印刷刷子印刷压电驱动器其中一个平面。

图2 电极印刷器材

由于银胶在常温下很难晾干，且耗时过长，因此，印刷完电极后，需将其置于150 ℃的箱式电阻炉(见图3)里进行加热，加热保温30 min后，在常温环境中自然冷却。

图3 箱式电阻炉

LREs压电驱动器上下表面完全对称，因此，印刷第二面电极时，需要将电极位置进行定位标记，然后进行第二面的电极印刷，保证上下两个表面的电极能对称。第二面电极印刷后，同样在150 ℃的保温箱里持续加热30 min后自然冷却。

根据LREs压电驱动器的结构特征，若想使正反面电极能同时通电，需要4根导线才能将其接到电源上。为方便导线连接，将压电陶瓷基体侧面涂上银胶，使上下表面的正电极接通，同时上下表面的负电极也接通，这样只需将2根导线焊接在元件侧面即可，且不影响LREs压电驱动器的正常使用。

元件电极印刷完后用万用表测其电阻，并测试元件电极间是否有断路或短路，防止元件在高压极化下出现危险情况。待元件电极印刷完整后，将导线焊接于元件侧面以便使用。

压电陶瓷材料极化前不具有压电效应，其内部的晶粒“电畴”排列是无序和不规则的。为使其表现出压电性，需要在一定温度下对其施加一定时间的直流高压电场，对其进行极化，极化装置包括电热恒温油浴锅(DU-20型)和耐压测试仪(LK2672X型)，如图4所示。

图4 极化装置

油浴锅里装有甲基硅油，对元件进行极化时，可使元件处于恒温且与外界绝缘状态。耐压测试仪用于稳定输出直流电压，且可实时观测漏电流，防止出现意外情况，保证实验安全。制备的完整LREs压电驱动器和传统元件如图5所示。

图5 LREs压电驱动器和传统电极驱动器

3 夹持力测试实验

3.1 测试装置

为了研究试样的力学性能，搭建的夹持力测试实验平台如图6所示。机架和待测元件单独放在减震台上，与其他器件分开摆放，以降低噪声对试验数据产生影响。推拉力计安装于机架上，可自由安装和拆卸，机架上装有轮辐式传感器，用于精确控制推拉力计的上下位置。

图6 夹持力测试实验平台

测试过程中，信号发生器输出的各种激励信号经功率放大器放大后，一端连接示波器，另一端与待测LREs压电驱动器正负极相连。待测元件置于推拉力计正下方，被粘贴在表面为5 mm×3 mm的亚克力板上，亚克力板被完全固定，推拉力计顶端对准元件夹持力待测点，对待测点施加20 N的夹持力，如图7所示。数显式推拉力计连接在计算机上，以进行夹持力数据采集，推拉力计的负荷分度值为0.01 N，可准确测试LREs压电驱动器的夹持力。

图7 待测试样

3.2 实验结果分析

为对比LREs压电驱动器和传统元件的力学性能，对其径向夹持力进行了测试。对元件分别施加频率0.2 Hz、幅值200 V的方波和正弦波，测试LREs压电驱动器点a、b及传统元件的径向夹持力ΔF，得到其响应曲线如图8所示。

由图8可知，在方波电压激励下，LREs压电驱动器点a径向夹持力峰值可达0.60 N，传统元件径向夹持力峰值为0.22 N，LREs压电驱动器径向夹持力约为传统元件径向夹持力的2.72倍。在正弦波电压激励下，LREs元件点a径向夹持力峰值可达0.58 N，而传统元件的径向夹持力峰值为0.21 N，LREs压电驱动器径向夹持力约为传统元件径向夹持力的2.76倍。因此，LREs压电驱动器驱动性能比传统元件驱动性能优。

LREs压电驱动器点a处于带电极区域，点b处于无电极区域。由于泊松效应，带电极区域的变形导致无电极区的被动变形，2个区域的变形方向相反。因此，在施加电压0～200 V时，点a产生径向拉伸夹持力，而点b产生反方向的夹持力。在方波电压激励下，点b产生的反方向夹持力峰值为0.29 N，在正弦波电压激励下，产生的反方向夹持力峰值为0.28 N。 在方波和正弦波电压激励下，点b产生的反方向夹持力也大于传统元件的径向夹持力。对比点a、b的径向夹持力，其大小和方向不同，表现出明显的正交异性[10]，验证了文献[3]的分析结果。

由于压电陶瓷的迟滞非线性，由图8(b)可看出，压电驱动器径向夹持力的升压曲线和降压曲线未重合[11- 12]。对于LREs压电驱动器的点a，其径向夹持力较大，与点b和传统元件相比，点a的升压曲线和降压曲线重合度较低，迟滞非线性更明显。

4 结束语

为了研究LREs压电驱动器的力学性能，制备了PZT-52驱动器试样，采用丝网印刷法制作了局部环形电极,搭建了夹持力测试平台，测试了LREs压电驱动器带电极区域中心点a和无电极区域中心点b的夹持力。作为对比，测试了相同尺寸传统元件的夹持力。实验结果表明，在频率0.2 Hz、幅值0～200 V的方波和正弦波激励下，LREs压电驱动器点a的径向夹持力峰值分别为0.60 N和0.58 N，约为传统元件径向夹持力的2.72倍和2.76倍;在相同电压激励下，LREs压电驱动器点b的反向夹持力峰值分别为0.29 N和0.28 N，比传统元件反向夹持力峰值略大，实验结果证明了LREs压电驱动器具有正交异性。