壓電單晶片搭接特性

湯玉竹，楚宇恒，郝賽, 徐磊，黃康

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥230009）

0 引 言

壓電晶片是由彈性金屬基片與壓電陶瓷片粘接而成。其廣泛應用于壓電馬達、壓電風扇、壓電泵等領域。在各類壓電馬達的結構設計中，壓電晶片經常作為驅動或箝位部件，這造成壓電晶片經常處于與其他零件搭接的狀態。如2014年中國科學技術大學的潘巧生等研制的一種基于波形合成的諧振型箝位機構的壓電直線電動機，其所設計的音叉結構起到箝位作用，但在其研究中并沒有考慮到音叉結構與輸出軸之間最佳接觸位置。

壓電晶片的搭接狀態對其工作頻率會產生顯著影響，從而影響壓電馬達的輸出性能，嚴重時導致壓電馬達無法工作。本文針對壓電晶片的搭接狀態進行分析，探究搭接位置和搭接力對于壓電晶片諧振特性的影響，為壓電馬達、壓電風扇等壓電器件的設計提供輔助性依據。

1 常規壓電單晶片搭接振動仿真

根據壓電陶瓷片粘貼的個數，可以把壓電晶片振子分為壓電單晶片和壓電雙晶片。壓電單晶片是在彈性金屬基片單側粘貼壓電片，壓電晶片振子通常有兩種運用方式，一種是兩端固定，中間輸出位移和力；另一種是一端固定一端自由，自由端輸出位移和力，稱為懸臂梁式。該結構的壓電振動晶片相較于兩端固定式的壓電振動晶片具有更加簡單的結構和更大的輸出位移。本文僅分析懸臂梁式壓電單晶片的搭接特性。

利用有限元軟件COMSOL進行仿真：1）用SolidWorks建立三維模型；2）將模型導入仿真軟件；3）選擇物理場為壓電設備；4）選擇研究類型為特征頻率；5）導入材料65Mn鋼和PZT-4，并將陶瓷片與金屬懸臂梁的材料屬性定義為PZT-4和65Mn鋼；6）劃分網格；7）將金屬懸臂梁固定端固定約束；8）設定邊界條件（終端與接地）；9）點擊計算；10）分析計算結果。材料參數如表1所示。

如圖1所示，該三維模型最終的仿真結果是其一階特征頻率為247.2 Hz。

表1 壓電單晶片所用材料參數

圖1 金屬懸臂梁詳細尺寸參數

圖2 模型仿真結果

2 壓電晶片搭接振動測試裝置

如圖3所示，實驗測試裝置主要包括底座振子、滑塊、固定螺栓、預緊結構（包括預緊螺栓、彈簧、墊圈、鋼管、鋼珠）、定位螺栓和振子。其中振子為懸臂梁結構，材料為65Mn，單側表面貼有壓電單晶片；滑塊為一個中間帶有T形孔的矩形結構，且T形孔下部為螺紋孔，用于預緊螺栓施加預緊力，滑塊兩側面各開一個螺紋孔，用于與底座X軸、Y軸方向固定；底座為一個帶有凹槽的L形結構，底部開一個通孔用于實驗臺固定，底座頂部的螺紋孔用于調整滑塊位置，側面通孔用于固定滑塊；通過旋緊預緊螺栓，鋼珠將對壓電晶片振子施加力，而調整預緊螺栓的旋緊程度可以起到調整預緊力的作用。

圖3 測試裝置結構示意圖

該結構通過定位螺栓調整滑塊在凹槽上的位置，由此可以調整并確定振子與鋼珠的接觸點位置；通過旋轉預緊螺栓可以確定鋼珠對振子接觸力的大?。黄渲卸ㄎ宦菟ê凸潭菟ūＷC滑塊和底座的固定。

3 實驗測試

加工一65Mn金屬懸臂梁，壓電單晶片的尺寸參數為20 mm×30 mm×0.2 mm，將壓電陶瓷片粘貼到金屬懸臂梁上，并將金屬懸臂梁固定在底座上，利用激光位移傳感器（ILD-2300-2，德國 米 銥 Micro -Epsilon）和阻抗分析儀（IM3570，日置電動機株式會社HIOKI）分別測試金屬懸臂梁的尖端位移和阻抗特性，測試裝置如圖4、圖5所示。

圖4 位移測試裝置

圖5 阻抗測試裝置

測試方法為：根據壓電陶瓷片在金屬懸臂梁上粘貼的位置，規定壓電陶瓷片與金屬懸臂梁尖端面相平行且距離最短的面作為位移測試中的初始位置即零位置，在未粘貼壓電單晶片的一側以壓電陶瓷片搭接的初始位置為起點，每隔2 mm畫一道線作為測試過程中的接觸點。

圖6 位置調整方法示意

通過調整滑塊位置實現接觸點位置的變化，調整預緊螺栓改變接觸力大小, 并利用激光位移傳感器和阻抗分析儀分別測量其懸臂梁式的壓電單晶片的尖端位移和阻抗特性，其中激勵信號頻率為247 Hz，電壓峰-峰值為78 V。主要測試內容包括以下兩類：1）測量在相同接觸力時，不同接觸點對壓電單晶片共振頻率及尖端振幅的影響；2）測量在相同接觸點時，不同接觸力對壓電單晶片共振頻率及尖端振幅的影響。

圖7 相同接觸力狀態下不同觸點位置對諧振特性的影響

測試結果顯示在相同接觸力F=5 N情況下，壓電單晶片的共振頻率隨著接觸點位置遠離金屬懸臂梁尖端位置而變小，其共振頻率最大為fmax=261.2 Hz，最小為fmin=216.9 Hz，其變化的幅度為-20.5%；懸臂梁式的壓電單晶片的尖端振幅會隨著遠離懸臂梁尖端而變得越來越大, 且接觸點位置不小于16 mm時，其尖端振幅的變化會趨于平穩?？偠灾谙嗤佑|力的情況下，接觸點位置越接近金屬懸臂梁固定端，接觸點位置變化對尖端振幅及諧振頻率的影響會變小。

圖8 相同觸點位置狀態下不同接觸力對諧振特性的影響

測試結果顯示在接觸點位置為20 mm的情況下，壓電單晶片的共振頻率隨著接觸力的變化，其共振頻率基本保持不變，其變化的最大幅度為1.3%；懸臂梁式的壓電單晶片的尖端振幅的最大值出現在不受外力的狀態下，其最大值為32.82 μm?；诖嬖诮佑|力的情況下，對于該結構的壓電單晶片，其最佳接觸力為5 N，此時臂梁式的壓電單晶片的尖端振幅為28.69 μm。

4 結 語

經過以上分析可知，對于金屬懸臂梁結構的壓電單晶片搭接位置變化時，其工作頻率會發生變化且工作頻率隨著搭接位置遠離金屬懸臂梁尖端位置而衰減；對于壓電懸臂梁結構的壓電馬達，其安裝結構變化后必須重新給定工作頻率，以保證壓電馬達的工作效率。針對搭接型的壓電晶片，若想保持其原來的諧振響應，應將搭接位置盡量靠近壓電晶片根部；對于壓電單晶片，搭接位置離單晶片根部的距離占單晶片總長的46.6%以內，能夠大致保持壓電單晶片的諧振特性。建議在設計壓電馬達時，添加預緊結構，保證壓電馬達中動子和定子之間的充分接觸，方便調整壓電馬達中動子和定子之間的預緊力，以提高其工作效率。