научная статья по теме ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ МНОГОСЛОЙНОГО ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАНОИ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ПЬЕЗОЭФФЕКТЕ Механика

Текст научной статьи на тему «ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ МНОГОСЛОЙНОГО ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАНОИ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ПЬЕЗОЭФФЕКТЕ»

МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 3 • 2014

УДК 539.3:534.2

© 2014 г. С. М. АФОНИН

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ МНОГОСЛОЙНОГО ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

НАНО- И МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ПЬЕЗОЭФФЕКТЕ

Построены параметрические структурные схемы многослойного пьезо-преобразователя при продольном пьезоэффекте с учетом противоэлектро-движущей силы. Получены передаточные функции многослойного пьезо-преобразователя с учетом влияния геометрических и физических параметров многослойного пьезопреобразователя, противоэлектродвижущей силы и внешней нагрузки.

Ключевые слова: многослойный пьезопреобразователь нано- и микроперемещений, параметрические структурные схемы, передаточные функции.

1. Введение. Постановка задачи. Пьезопреобразователь (пьезодвигатель, пьезоактю-атор) нано- и микроперемещений работает на основе обратного пьезоэффекта, в котором эффект перемещения достигается за счет деформации пьезопреобразователя в диапазоне от единиц нанометров до единиц микрометров с точностью до десятых долей нанометров при приложении электрического напряжения. Для увеличения диапазона перемещения пьезопривода от единиц до десятков микрометров используется многослойный (составной) пьезопреобразователь. Применение пьезопривода нано-перемещений перспективно в оборудовании нанотехнологии, нанобиологии, микроэлектроники и адаптивной оптики для прецизионного совмещения, компенсации температурных и гравитационных деформаций, а также атмосферной турбулентности путем коррекции волнового фронта [1, 2].

Структурно-параметрическая модель простого пьезопреобразователя строится в результате совместного решения волнового уравнения, соответствующего уравнения пьезоэффекта и граничных условий на двух нагруженных рабочих поверхностях простого пьезопреобразователя. Передаточные функции простого пьезопреобразователя получаются из системы уравнений, описывающих структурно-параметрическую модель простого пьезопреобразователя [3—6].

Структурно-параметрическая модель многослойного пьезопреобразователя строится в результате совместного решения системы уравнений эквивалентного механического четырехполюсника пьезопреобразователя, соответствующих уравнений пье-зоэффекта и граничных условий на двух нагруженных рабочих поверхностях пьезопреобразователя. Передаточные функции многослойного пьезопреобразователя получаются из системы уравнений, описывающих его структурно-параметрическую модель пьезопреобразователя [3—6].

По аналогии с классическим электроприводом в расчетах желательно учитывать противоэлектродвижущую силу пьезопреобразователя, соответствующую, например, по аналогии противоЭДС якоря двигателя постоянного тока. Следовательно, в структурно-параметрических моделях и параметрических структурных схемах вводим отрицательные обратные связи, учитывающие прямой пьезоэффект в многослойном пье-

x = l

x = 8 x = 0

1 t l

k + 1 \ E3(t)

k \ E3(t)

I(t)

U(t)

M&O ^i(t) Fi(t)

Фиг. 1

3

зопреобразователе, рассматриваем их влияние в статике и динамике на свойства многослойного пьезопреобразователя.

2. Параметрические структурные схемы многослойного пьезопреобразователя. Рассмотрим многослойный пьезопреобразователь (фиг. 1), состоящий из пьезопластин (пьезослоев), соединенных электрически параллельно, а механически последовательно. Многослойный пьезопреобразователь при продольном пьезоэффекте имеет длину l, а каждая из составляющих его n пьезопластин имеет толщину 8 и площадь поперечного сечения S0. Электроды нанесены на грани пьезопластин, перпендикулярные оси 3. Уравнения продольного пьезоэффекта [5] имеют вид

S3 = d^^E^ + S33T3 (2.1)

D3 = d33T3 + e33E3 (2.2)

Здесь первое уравнение описывает обратный пьезоэффект, а второе — прямой пьезо-эффект, где S3 (x, t) = 5^(x, t)/dx — относительное смещение сечения пьезопластины по оси 3; x — координата; t — время; d33 — пьезомодуль при продольном пьезоэффекте; E3(t) = u(t)/8 — напряженность электрического поля по оси 3; u(t) — напряжение на

электродах пластины; 8 — высота пьезопластины (толщина пьезослоя); s^ — упругая податливость по оси 3 при E = const; T3(x, t) — механическое напряжение по оси 3; D3(t) —

электрическая индукция по оси 3; г133 — диэлектрическая проницаемость по оси 3 при T = const.

Эквивалентному механическому четырехполюснику многослойного пьезопреобра-зователя [3] соответствует система уравнений:

—{{(p)ch (у l) + S. (p)} = F (p) (2.3)

s33sh (yl)

-St- {(p) + S„ (p)ch (Yl)} = -Fn (p)

s33sh (Yl)

где у = p/c + a — коэффициент распространения; p — оператор Лапласа; a — коэффициент затухания (ослабления); c — скорость звука и s33 — упругая податливость, соответственно имеем c = cE и s33 = sE при управлении по напряжению при E = const, E — напряжен-

ность электрического поля, а c = cD и s = s33 при управлении по току при D = const, D — электрическая индукция; l = n5 — длина многослойного пьезопреобразователя [4, 5].

Уравнения сил, действующих на гранях многослойного пьезопреобразователя при x= 0 и x = l следующие:

73(0, p)So = F( p) + Mip p)

(2.4)

7((,p)Sо =-F2(p)- M2p2(p)

(2.5)

где M1 и M2 — массы нагрузки на первой и второй грани многослойного пьезопреобразователя, причем принимаем 2п(р) = 22(р), Рп(р) = Р2(р).

Сила, возбуждающая колебания многослойного пьезопреобразователя, находится из уравнения обратного пьезоэффекта [4] при продольном пьезоэффекте

F(p) = d33SoE3(p)/s^

(2.6)

Совместное рассмотрение системы уравнений для эквивалентного механического четырехполюсника (2.3) многослойного пьезопреобразователя при управлении по напряжению, уравнения сил (2.4), (2.5) на гранях многослойного пьезопреобразователя и уравнения силы (2.6), возбуждающей колебания, дает систему уравнений при x = 0 и при x = I:

SoY

s33sh (yI )

{{(p) ch (y l) + S 2 (p)} = df SoE3(p) + Fx(p) + Mx p 2Sj( p)

s33

(2.7)

SoY

s33sh (yI )

{{ (p) + S 2 (p) ch (y l)} } SoE3(p) - F2(p) - M2piS 2(p)

s33

где Б0/5 зз = тп(сЕ )2/I, mn — масса многослойного пьезопреобразователя.

После преобразований получаем следующую систему уравнений, описывающую структурно-параметрическую модель многослойного пьезопреобразователя при продольном пьезоэффекте:

i(p) =

h(p) =

j-Fi(p) + So

Mip У S33

M-2 Ыp) + %

M2p У S33

d33E3(p) [ch (yl) Si(p) - S2(p)]

sh (yl)

d33E3(p) [ch (yl) S2OO - Si(p)]

(2.8)

sh (yl)

Параметрическая структурная схема многослойного пьезопреобразователя дополнена уравнением внешней цепи

U (p) =

U o( p) RCnp + i

где и0(р) — напряжение источника; R — сопротивление внешней цепи; Cn = C0n — емкость составного пьезопреобразователя; О, — емкость пьезопластины; п — число пье-зопластин (пьезослоев) в многослойном пьезопреобразователе.

Для учета влияния реакции многослойного пьезопреобразователя за счет возникновения противоэлектродвижущей силы из-за прямого пьезоэффекта необходимо с учетом прямого пьезоэффекта дополнить параметрическую структурную схему много-

слойного пьезопреобразователя двумя обратными связями по напряжению (фиг. 2), соответствующими следующему выражению

и (р) = -1 й^Л % (р) = ^т (2.9)

где г = 1, 2 — номер торца многослойного пьезопреобразователя; и1(р) — изображение Лапласа противоэлектродвижущей силы (напряжения обратной связи); Ц(р) — изображение Лапласа соответствующей силы, приложенной к первому или второму торцу многослойного пьезопреобразователя.

Рассмотрим влияние реакции пьезопреобразователя из-за создания противоэлектродвижущей силы за счет прямого пьезоэффекта (2.2) при его статической деформации (фиг. 3). В статическом режиме для зажатого пьезопреобразователя его деформация равна нулю, а сила, развиваемая пьезопреобразователем, максимальна.

Оценим максимальное усилие /тах и максимальное механическое напряжение Тзтах, развиваемые пьезопреобразователем, при продольном пьезоэффекте с учетом прямого пьезоэффекта для бесконечно большого сопротивления источника питания, когда обкладки пьезопреобразователя разомкнуты

—<8>

1 nSo d33 1

S0 ./max

1 8 E3 d33 S3 E S33

9 *

Фиг. 3

1 Sq !

/max = u~d33 — + /max"" d33wS 0"

£ s33

■So

_J_djj 1 So

'S33S 0/5 5 ^

откуда

fm

-S33

1 - T33E I = £3d33

S33.S33

T3max(1 - ^323>533 = E3d33

где k33 = d33/ tIs33£33 — коэффициент электромеханической связи. Следовательно,

(2.10)

T3max533 = E3d33, ^ = (1 - k^ = k^

где ks = 1 - k323 = 5;f3/s33 — коэффициент изменения упругой податливости, причем ks > 0 . Следовательно,

fmax = E3d33So/(%Sks) = E3d33Sol ^

или

L 3max

= £3d33/ •

D

S33

(2.11)

Упругие податливости пьезопреобразователей удовлетворяют неравенству ^ > ¡33,

причем 5^3/¡33 < 1.2. Индекс Е соответствует измерениям при постоянной напряженности электрического поля в пьезопреобразователе для управления от источника напряжения или измерениях с замкнутыми электродами. Индекс В соответствует измерениям при постоянной индукции для управления от источника тока или измерениях с разомкнутыми электродами многослойного пьезопреобразователя. Измерения производились на прессе марки УММ-5 в диапазоне механических напряжений в пьезопреобразователе от 5 МПа до 50 МПа.

Соответственно для многослойных пьезопреобразователей из пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца промышленной марки ЦТС-19, спеченных из пье-зопластин диаметром В = 15 мм и толщиной 8 = 0.6 мм, упругие податливости равны

¡3з = 3 • 10-11 м2/н, ¡33 = 2.7 • 10-11 м2/н; для многослойных пьезопреобразователей из пьезопакетов ПП-6, склеенных эпоксидной смолой, упругие податливости равны

/Н, ¡33 = 3.5 • 10-11 м2/н.

s33 = 3.8 • 10 11 м2

S

o

или

Соответственно имеем СзЕ = Б0/ ^^ — жесткость пьезопреобразователя с управлением по напряжению при продольном пьезоэффекте, С^з = 50/^3з/) — жесткость пьезопреобразователя с управлением по току при продольном пьезоэффекте. При разомкнутых электродах жесткость пьезопреобразователя возрастает по сравнению с его жесткостью при замкнутых электродах. Увеличение сопротивления источника питания и согласующих цепей приводит к уменьшению упругой податливости пьезопреоб-разователя.

Рассмотрим различные режимы работы пьезопреобразователя.

Если за входную величину при

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком