一種大量程高諧振頻率壓電促動器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓電促動器技術領域，具體設及一種大量程高諧振頻率壓電促動器。
【背景技術】
[0002] 壓電材料具有優(yōu)秀的力電禪合性能。壓電材料研制的促動器具有反應速度快、精 度高等特點，在工業(yè)界具有廣泛的應用。然而，市場上壓電促動器有普遍存在量程小局限 性。由于量程小，壓電促動器主動和自適應光學望遠鏡/射電望遠鏡應用上受到很大的限 審IJ。主動和自適應光學系統(tǒng)需要較高頻率帶寬，而運又很多程度上受制于系統(tǒng)所采用促動 器諧振頻率。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的提供一種大量程高諧振頻率壓電促動器，所述的大量程高諧振頻率 壓電促動器為雙壓電片圓板結構，其外形呈現(xiàn)為=明治層狀，該=明治層狀結構的上層和 下層為壓電層，中間層為金屬層，壓電層的極化方向一致，都沿著壓電片表面法向方向，壓 電促動器上下表面施加有相同的電壓，金屬層為共同的電極并接地，壓電促動器圓板邊緣 采取簡支的方式支撐。避免了現(xiàn)有技術中的壓電促動器主動和自適應光學望遠鏡/射電望 遠鏡應用上受到很大的限制、主動和自適應光學系統(tǒng)需要較高頻率帶寬而運又很多程度上 受制于系統(tǒng)所采用促動器諧振頻率的缺陷。
[0004] 為了克服現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明提供了一種大量程高諧振頻率壓電促動器 的解決方案，具體如下：
[000引一種大量程高諧振頻率壓電促動器，所述的大量程高諧振頻率壓電促動器為雙壓 電片圓板結構，其外形呈現(xiàn)為=明治層狀，該=明治層狀結構的上層和下層為壓電層1，中 間層為金屬層2,壓電層的極化方向一致，都沿著壓電片表面法向方向，壓電促動器上下表 面施加有相同的電壓，金屬層為共同的電極并接地，壓電促動器圓板邊緣采取簡支的方式 支撐。
[0006] 所述的壓電促動器圓板邊緣采取簡支的方式支撐。
[0007] 本發(fā)明當上下層壓電層施加相同的電壓時，由于電場方向相反，而極化方向相同， 則上（下）層壓電層拉伸，下（上）層壓電層壓縮，導致整個壓電結構實現(xiàn)彎曲形變，如拱寫 狀，從而獲得大量程。其中圓板中屯、的形變產(chǎn)生最大形變位移，即促動器有效位移d。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明的大量程高諧振頻率壓電促動器的結構示意圖。
[0009] 圖2為本發(fā)明的立體結構示意圖。
[0010] 圖3為本發(fā)明的形變示意圖。
[0011] 圖4為本發(fā)明的促動器靜力學位移隨施加電場變化曲線。
[0012] 圖5為本發(fā)明的促動器靜力學位移隨厚度比變化曲線。
[0013] 圖6為本發(fā)明的促動器動力學位移隨激勵頻率變化曲線。
[0014] 圖7為本發(fā)明的不同金屬材料層促動器動力學位移隨激勵頻率變化圖。
【具體實施方式】
[0015] 本發(fā)明為一種大量程高諧振頻率壓電促動器，該壓電促動器原理有別于傳統(tǒng)壓電 促動器主軸伸縮簡單模型。結構也更為簡單。
[0016] 下面結合附圖和實施例對
【發(fā)明內容】
作進一步說明：
[0017] 本發(fā)明從彈性力學出發(fā)，結合線性壓電理論，建構了運種雙壓電片圓板式壓電促 動器=維靜力學和動力學理論模型，基于此模型可W對該類型壓電促動器進行更優(yōu)化的設 計。參照圖1所示，大量程高諧振頻率壓電促動器，所述的大量程高諧振頻率壓電促動器為 雙壓電片圓板結構，其外形呈現(xiàn)為=明治層狀，該=明治層狀結構的上層和下層為壓電層 1，中間層為金屬層2,金屬層的作用是增加促動器的彎曲剛度W提高促動器的諧振頻率。壓 電層的極化方向一致，都沿著壓電片表面法向方向，壓電促動器上下表面施加有相同的電 壓，金屬層為共同的電極并接地，壓電促動器圓板邊緣采取簡支的方式支撐。所述的壓電促 動器圓板邊緣采取簡支的方式支撐。
[001引本發(fā)明當上下層壓電層施加相同的電壓時，由于電場方向相反，而極化方向相同， 則上（下）層壓電層拉伸，下（上）層壓電層壓縮，導致整個壓電結構實現(xiàn)彎曲形變，如拱寫 狀，從而獲得大量程。其中圓板中屯、的形變產(chǎn)生最大形變位移，即促動器有效位移d。
[0019]具體說來，Z方向為圓板的法向坐標，Z為圓板的Z方向的坐標，r為圓板徑向坐標，0 為圓周角的坐標。由于圓板厚度遠遠小于它的半徑，即2h/a?l，而且曉度Uz(r)是軸對稱 的，其中化為圓板厚度，a為圓板半徑，根據(jù)彈性力學理論，圓板的應變可W表示為
(1)
[0021 ] 其中Er為圓板極徑的主應變，E0為圓板極角的主應變，Uz, rr為Uz (r)對r求導兩次， 山,r為Uz (r)對r求導一次，簡化，用（1，2，3)分別表示(r，目，Z).由于圓板很薄，則應力化3和化1 非常小，其中023表示切應力在2的平面上，方向指向3的平面，031表示切應力在3的平面上， 方向指向1的平面，可W忽略。根據(jù)圖1，可W得到各壓電層的電場： -V! (h - c)， at c<z < h,
[0022] ￡|=化&=化￡;=|,,',1 、 ， (2) 一 一 V / (h - C)，斌-h<z <-C.
[00創(chuàng) Ei、E2、E3分別表示1、巧日3方向的電場強度，V表示施加的電壓，2c、化分別表示金屬 層的厚度和整個壓電促動器的厚度，由于磅度是關于Z軸對稱，則有
(3)
[0025] U9表示q方向的位移;S12的表示剪應力Srq;
[0026] 因此日12二0 ?由于Cll二C12，C13二C23,631二632,則本構關系可W寫成如下形式
[0027] 曰 rr 二 Clierr+Cl2eee+Cl3￡zz-e3lE3，
[0028] 曰00二ci2err+ciieee+ci3￡zz-e3iE3,（4)
[0029] 曰 ZZ 二 Cl3err+Cl3eee+C33￡zz-e33E3 ?
[0030] Srr表不!'方向的正應力，￡rr，EeeEzz分別表不r，目，Z方向的正應變，C11、C12、C13，C33分 別表示彈性系數(shù)，631,633表示壓電系數(shù)，數(shù)字表示方向；則讀示0方向的正應力，Ozz表示Z方 向的正應力;中1上標表示第一層的壓電片;cPll中的P表示等效的壓電材料的彈性系數(shù)； 由于板很薄，則Ozz = O.則頂層和底層壓電層的本構關系可W分別寫成如下形式：
城 嚇
[0033] 運里(cfi，堪) = (適，刮/c。，efi =6,1-Vr 中 1 上標表示第 S 層 的壓電片;另外，還可W得到金屬層的本構關系：
[0034] , , -口W =CuA.,.+Cl,Sw-
[003引2Orr中2上標表示第二層金屬片；C%i表示金屬層彈性系數(shù)；運里 4二巧^ /[0-f嘴! -2V)]，為二4 -f每^2(!-呵-Em和V分別是金屬層的楊氏模量和泊松比。 對正應力與Z的乘積沿厚度方向積分可W得到相應彎矩：
(8)
[0037] 運里(及 1,.及2).=.(讀+7坤1，苗+7c/;)and 丫二化/c)3-l .Mr和Me表示r和目方向的彎矩；
[0038] 對剪應力沿厚度方向積分，可W得到單位長度的剪力：
(9)
[0040] Qr表示垂直于r法面的剪力;根據(jù)彈性力學理論，可W得到圓板的控制方程：
(10)
[0042] 根據(jù)方程(9)和(10)，得到
[0043] VVw = 0. (11)
[0044] 運里V2是拉