【摘 要】
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旋转行波型超声电机具有结构简单、控制方便、响应速度快等优点,广泛应用于消费电子、航空航天、医疗设备等领域,并且不断向微型化和集成化的方向发展。定子是超声电机的核心部件,定子的微型化制备是超声电机微型化制造的关键,而目前超声电机定子难以兼顾毫米级尺寸、低驱动电压、大驱动力的性能需求。本文采用了电流体喷射打印工艺沉积锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3,常简写作PZT)厚膜的工艺方法制做微型超声电机
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目 No. 51975104； 国家重点研发计划项目变革性技术关键科学问题专项课题 No. 2018YFA0703204； 大连理工大学宁波研究院创新团队项目；
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旋转行波型超声电机具有结构简单、控制方便、响应速度快等优点,广泛应用于消费电子、航空航天、医疗设备等领域,并且不断向微型化和集成化的方向发展。定子是超声电机的核心部件,定子的微型化制备是超声电机微型化制造的关键,而目前超声电机定子难以兼顾毫米级尺寸、低驱动电压、大驱动力的性能需求。本文采用了电流体喷射打印工艺沉积锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3,常简写作PZT)厚膜的工艺方法制做微型超声电机定子,以满足以上性能需求,设计和制备了微型PZT厚膜定子并进行了表征和测试。首先,介绍了旋转行波型超声电机的结构和原理,设计了微型PZT厚膜定子的结构和尺寸,研究了不同基底对电喷印PZT厚膜的影响,选择了弹性体的材料为TC4钛合金,PZT厚膜的材料为发射型PZT,设计了环形PZT厚膜分区上电极。采用COMSOL软件仿真分析了定子的模态振型,选择了定子的工作模态,通过谐响应分析求解了工作模态的谐振频率,优化了分区上电极的结构,通过时域响应分析求解了电极结构优化后定子表面振幅。然后,搭建了电流体喷印实验平台,加工了钛合金弹性体,配制了PZT复合悬浮液,通过电流体喷印工艺在弹性体上沉积了厚度为50μm的环形PZT厚膜,并进行了高温退火结晶和上电极溅射。设计了压电元件同步极化装置,经过同步极化获得了外径为4.3mm、厚度为0.6 mm的微型PZT厚膜定子。最后,对微型PZT厚膜定子进行了表征和测试。表征了环形PZT厚膜的物相结构、表面和截面微观形貌,测试了环形PZT厚膜的压电应变常数d33的平均值为126.7 p C/N,采用拉伸法得到了PZT厚膜与基底的结合力为4.03 MPa。采用激光多普勒测振仪对定子进行振动测试,结果显示,定子工作模态的谐振频率为82.3 k Hz,在10V激励电压下,定子表面z方向振幅为212 nm,且具有良好的振幅响应控制性。测试了定子的驱动性能,结果显示,通过改变相位差可以实现定子驱动转子正反转运动,通过调节激励电压和预压力可以实现转子转速的控制。估算了定子在10 V激励电压下的堵转转矩约为65.22m N?mm,通过对比分析,电流体喷印工艺制备的微型PZT厚膜定子实现了毫米级尺寸、低驱动电压、大驱动力的性能需求。
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