（材料学专业论文）压电陶瓷在超声波电机中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转变为机械振动，再通过 摩擦作用将机械振动转变为电机的旋转( 直线) 运动，进而驱动负载。压电陶 瓷作为超声波电机的振动发生器件，其性能的优劣直接影响到电机的输出性能。 本文采用传统的固相反应法制备p - 4 1 和p m n s p z n p z t 压电陶瓷，研究压电陶 瓷在行波型超声波电机中的应用及压电性能对电机性能的影响。 研究了p - 4 1 和p m n s p z n p z t 压电陶瓷材料的结构、性能、频率温度稳定 性及极化方式对压电陶瓷性能的影响。结果表明，这两种材料都具有较好的介 电温度稳定性，p - 4 1 具有明显的铁电体相变特点，p m n s p z n p z t 具有弛豫一铁 电体相变特点。采用同时同向一次极化工艺改善了二次极化工艺所遗留的各极 化区域如3 不均匀、分区界面应力的存在导致的性能不稳定性，同时缩短了极化 时间，提高了超声波电机的输出性能。p - - 4 1 陶瓷的极化条件为3k v m m 、1 2 0 极化1 5m i n ，p m n s p z n p z t 陶瓷的极化条件为3 5k v m m 、1 4 0 极化1 5m i n 。 研究了p 4 l 和p m n s p 烈p z t 压电陶瓷的性能与超声波电机性能的相关 性，探讨了电机的导纳、负载、启动与关断和温度特性。结果表明，电机具有 较好的瞬态特性，启动时间 2m s ，关断时间 li n s 。采用p - 4 1 压电陶瓷电机的 启动与关断速度比p m n s p z n p z t 压电陶瓷电机的快，与p - 4 1 压电陶瓷具有非 弛豫相变特点有关，说明p - 4 1 压电陶瓷比较适用于需要反复开关的超声波电机。 同时，p - 4 1 电机的q m 较小而f f 比较大( t r u m 6 0i 型电机) ，具有较好的负 载驱动能力。电机的表面温度随运转时间的延长迅速升高，最终在某一温度下 稳定运转，采用p m n s p z n p z t 压电陶瓷电机的表面温度明显低于采用p - 4 1 压 电陶瓷的电机( 下r u m 6 0i j 电机) ，与p m n s p z n p z t 压电陶瓷具有非常低的 介电损耗有关，因此这种材料比较适用于需要长时间运转的超声波电机。预压 力对电机的性能影响很大，不同尺寸电机具有不同的驱动性能。 关键词：p 4 1 压电陶瓷，p m n s p z n p z t 压电陶瓷，行波型超声波电机，电机 性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o ru s i n gt h ei n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s c h a n g et h ee l e c t r i c a le n e r g yi n t om e c h a n i c a le n e r g y , a n dc h a n g em e c h a n i c a lv i b r a t i o n e n e r g yi n t ot h em o t o rr o t a t i o n ( s t r a i g h tl i n e ) m o v e m e n tt h r o u g ht h ef r i c t i o n a lf o r c e ， a n dt h e nd r i v et h e1 0 a d p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa st h ev i b r a t i o nd e v i c eo fu l t r a s o n i c m o t o li t sp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h em o t o ro u t p u t i nt h i sp a p e r , t h ep - 4 1 a n dp m n s - p z n p z tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa r ep r e p a r e dt h r o u g ht h ec o n v e n t i o n a l s o l i dp h a s es i n t e r i n gi no r d e rt oo b t a i nt h ea p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c si n u l t r a s o n i cm o t o ra n dt h e i rc o r r e l a t i o n w es t u d yt h ep - 4 1a n dp m n s - p z n - - p z t p i e z o e l e c t r i c c e r a m i cm a t e r i a l s s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e s ，f r e q u e n c yt e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dt h ee f f e c to fp o l a r i z a t i o n m a n n e ro i lp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s i ts h o w st h a tt h e yb o t hh a v eb e t t e rd i e l e c t r i c t e m p e r a t u r es t a b i l i t y p 一4 1h a so b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c so ff e r r o e l e c t r i cp h a s et r a n s i t i o n ， p m n s p z n - p z th a sr e l a x o r - f e r r o e l e c t r i cp h a s et r a n s i t i o n u s i n go n c ep o l a r i z a t i o n p r o c e s sa tt h es a m et i m ew i l lr e d u c et h ep o l a r i z a t i o nt i m ea n di m p r o v et h eu l t r a s o n i c m o t o ro u t p u tp e r f o r m a n c e ，w h i l et h ep o l a r i z a t i o nr e g i o n a lo ft w i c ep o l a r i z a t i o n p r o c e s si su n e v e na n d , 3 3i sl o w e rd u et og e o g r a p h i c a li n t e r f a c es t r e s s p - 4 1c e r a m i c p o l a r i z a t i o nc o n d i t i o n sa r e3k v r a i n ，12 0 p o l a r i z i n g15m i n ，p m n s p z n p z t c e r a m i cp o l a r i z a t i o nc o n d i t i o n sa r e3 5k v n l l i l 1 4 0 p o l a r i z i n g15m i n t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ep - 41a n dp m n s p z n - p z tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c a n du l t r a s o n i cm o t o ri ss t u d i e d a n de x p l o r et h ea d m i t t a n c eo ft h em o t o r , l o a d ，s t a r t a n ds h u t d o w na n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s i ti n d i c a t e st h a tt w om o t o rh a v eg o o d t r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s t a r t u pt i m e 2i l l s ，o f ft i m e 1m s t h ep - 4 1p i e z o e l e c t r i c c e r a m i cm o t o rs t a r ta n ds h u t d o w ni sf a s t e rt h a np m n s p z n p z tp i e z o e l e c t r i c c e r a m i cm o t o rw h i c hd u et op - 41 p i e z o e l e c t r i c c e r a m i cw i t hn o n r e l a x a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h a s et r a n s i t i o n i n d i c a t i n gp _ 41p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ci sm o r e s u i t a b l ef o rr e p e a t e ds w i t c h i n go ft h eu l t r a s o n i cm o t o rn e e d s m e a n w h i l e ，p - 41m o t o r h a v es m a l l e ro ma n dl a r g e r 锄( t r u m 一6 0im o t o r ) ，a n db e t t e rl o a dd r i v ec a p a b i l i t y m o t o rs u r f a c et e m p e r a t u r ei n c r e a s e dr a p i d l yw i t ht h er u n n i n gt i m e ，a n de v e n t u a l l y n 武汉理工大学硕士学位论文 m na tas t a b l eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e u s i n gp m n s p z n - p z tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c m o t o r s u r f a c et e m p e r a t u r ei ss i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a np - 41 p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c m o t o r ( t r u m 6 0i im o t o r ) w h i c hd u et op m n s p z n - p z tp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s w i t hv e r yl o wd i e l e c t r i cl o s s ，a n di n d i c a t i n gi ti ss u i t a b l ef o rt h em a t e r i a ln e e d so f l o n g t e r mo p e r a t i o no ft h eu l t r a s o n i cm o t o n t h ee f f e c to fp r e s t r e s so nt h em o t o r p e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n t d i f f e r e n ts i z e so fm o t o r sh a v ed i f f e r e n td r i v e p e r f o r m a n c e s k e yw o r d s ：t h ep - 41p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c t h ep m n s p z n - p z tp i e z o e l e c t r i c c e r a m i c ，t r a v e l i n gw a v eu l t r a s o n i cm o t o r , m o t o r s p r o p e r t i e s 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 毒力0 、s 6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关 机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签孙嗯狰叭签孙阀蔫雪日期：扣5 d 易 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 超声波电机的发展与研究现状 1 1 1 超声波电机的发展 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，缩写u s m ) f lj 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的 一种新型电机。它利用压电陶瓷材料的逆压电效应，激发弹性体( 定子) 在超 声频段内发生微幅振动，通过定、转子( 动子) 之间的摩擦作用将定子的微观 振动转换成转子的宏观运动，并输出功率和驱动负载，打破了由电磁效应获得 输出性能的传统电磁电机的概念。 1 9 7 3 年美国m 公司的b a r t h 博士【：】首先利用压电元件成功研制了超声波电 机，具有成本低、低速大转矩、断电自锁等优点。1 9 8 0 年日本的s a s h i d a 3 】制造了 驻波型超声波电机，第一次性能满足了实际使用要求。1 9 8 1 年，立陶宛v a s i l i e v f 4 】 研究出了一种具有较大驱动负载能力的超声波电机，其定子为一个兰杰文振子 所组成的超声换能器，通过此振子来驱动转子，不仅能降低工作频率，并且能 放大振幅。1 9 8 2 年，s a s h i d a 5 为解决驻波电机问题提出并制造了行波型超声波电 机，大大减小了定转子界面的磨损，为超声波电机在未来的应用中奠定了基础， 并于1 9 8 5 年申请了专利。同年，日本的k u m a d a 6 l 研制了第一台具有耦合器的单 相驱动的纵扭复合型超声波电机，输出转矩可达1 3n m 。1 9 8 7 年，s a s h i d a 7 】研 制的行波型超声波电机正式产品化；同时c a n o n 公司用环形行波型超声波电机作 为e o s 相机镜头的调焦系统。1 9 8 9 年日本将驻波单向驱动超声波电机应用于日历 盘的驱动和手表振动报警j 。1 9 9 7 年美国麻省理工学院g l e m m 【9 】制造的双面齿对 称结构超声波电机，是目前功率和输出力矩最大的行波超声马达，扭矩高达2 8 n m ，已经用于火星探测微着陆器上。 我国于2 0 世纪9 0 年代开始超声波电机的研究，其中清华大学、浙江大学、 吉林大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等先后展开了对超声波电机的 研究，并且获得了可喜的成果。清华大学物理系研制出直径1m m ，长4m i l l 的 旋转电机样机，是目前世界上直径最小的超声波电机 1 0 1 。浙江大学研制的纵扭 复合型电机，直径为8 0 触，定子高4 0i l l m ，最大输出力矩达可到1 0n m 。吉 林工业大学研制了非接触圆筒型超声波，驱动频率为2 3 4k h z ，最高转速达到 武汉理工大学硕士学位论文 6 7 0r r a i n i 】。南京航天航空大学研制的夹持式直线马达输出功率为1 4w ，空载 速度可高达o 5m s i 轮】。哈尔滨工业大学研制的行波双面齿超声马达，其驱动电 压7 2v ，最大空载达转速9 2r m i n t ”】。同时哈工大研究的直线驻波马达，以换 能器为动力，当电压为1 2 0v ，空载最快速度可高达5 1 0m m s h 】。 1 1 2 超声波电机的研究现状 目前，国内外研究人员对超声波电机的研究也更加深入。美国致力于研究 超声波电机在航空航天领域方面的应用，如航天器、核弹头、火星探测器等， 许多高校和企业在电机的开发上进行了大量投入【1 鄹；日本努力实现超声波电机 在日常生活领域的广泛应用，如相机、手机等f 1 6 j ；德国在超声波电机于汽车领 域和大型器械的应用投入了很多，如雨刮器、汽车方向盘的位置调整、座椅头 靠的调整、汽油发动机f 1 7 】；中国将超声波电机与产业结合，在医学和轻工业领 域投入很多，如医学内窥镜和小型缝纫机【l 鄹。尽管超声波电机在很多领域已经 得到应用，但由于其涉及到材料、机械、自动控制等多学科领域，受到如压电 材料、摩擦材料、理论建模和驱动控制研究等多方面的限制。 ( 一) 压电陶瓷 压电陶瓷作为超声波电机的振动发生器件和传感反馈器件，其性能优劣直 接影响电机的运转情况【l 明。超声波电机属于典型的大功率型，因此要求压电材 料必须同时具备以下性能： ( 1 ) 在强场下具有小的介电损耗t a n o 和大的机械品质因数q m ； ( 2 ) 大的机电耦合系数k p ，使得能量转换效率高并兼有一定的压电常数如； ( 3 ) 具有大的机械强度，在定子高频振动下，要求陶瓷不断裂、不发生退 极化等现象。 ( 4 ) 具有良好的形变和电压线性关系。 但是由于上述性能是相互制约的，故同时满足上述条件相当困难。 其中：压电陶瓷极化分区特性是影响电机输出效率的重要因素，若极化各 分区西3 特性不一致，就会使得均匀度低，导致两相压电振子激励出的两驻波的 幅值不相等，造成定转子的接触面在电机的轴向上产生波动，影响超声波电机 的运转平稳性，降低电机的运转速度，同时降低超声波电机的工作效率而且也 会产生噪声；压电陶瓷的介电损耗t a n o 是影响超声波电机温升的原因之一，介电 损耗t a n o 较小的陶瓷可以保证电机在高频高压工作过程中发热小，避免因温升引 2 武汉理工大学硕士学位论文 起的输出性能恶化；而压电陶瓷大的q 肌可以提升电机驱动负载的能力，增大电 机的输出扭矩。 多年来，国内外研究者对压电陶瓷进行了大量研究，获得了可喜的成果， 并且随着各种不同场合的应用，人们不断追求更好的综合性能以及可设计性并 有潜在应用前景的超声波电机用压电材料。 ( 二) 摩擦材料 摩擦材料是超声波电机输出力矩的传播介质，利用摩擦界面使得超声波电 机具有断电自锁和高自锁扭矩，其特性对超声波电机的输出力矩、工作噪声和 使用寿命直接影响。 尽管摩擦材料的品种繁多，但是超声波电机的使用寿命不长，因此如何提 高超声波电机的使用寿命，成为各电机研究工作者努力创新的目标。日本的e n d o 等1 2 0 1 研究了以氯丁橡胶为主的摩擦材料，考察了其硬度和摩擦系数对超声波电 机的影响，该材料性能优异。德国u n i v e r s i t a tg hp a d e r b o m 的w a l l a s c h e k 2 1 1 研究 了聚合物和金属在高频下工作时的磨损问题，分析p t f e 在摩擦材料中起润滑和 稳定的作用，碳纤维则起到抗磨损的作用。h e i n e r 等瞄】研究并发现超声波电机中 摩擦材料切向变形是造成电机定转子界面出现粘滞现象和能量损耗的主要因 素。h y u n p h i l lk o 等f 2 3 1 研究了s i d l c 电机用摩擦材料，发现涂有这种材料的 定子具有高的动态特性，并且转子的力矩与时间是同步。董蜀湘等瞄j 研究了电 机的几种摩擦材料，研究表明定转子界面采用高分子摩擦材料时电机的噪声和 输出力矩都较小；而采用金属材料则相反，电机输出力矩变大的同时，噪声变 大。曲建俊等 2 5 - 2 6 1 对比了阿和e k o n o l 作为电机的摩擦材料时，电机的负载特 性，结果表明使用e k o n o l 能获得较大的转速和力矩。文献 2 7 - 2 8 1 中提到摩擦材料的 摩擦因数越高，超声波电机的速度损失越小，并且摩擦材料的硬度对电机的速 度和推进力都有影响。 ( 三) 理论建模 由于超声波电机是一个多学科交叉的研究对象，目前其数学模型尚无一个 完善的理论体系来指导，遵循电机的运行原理来建立是非常困难的，许多研究 者只是就自己所熟悉的领域对超声波电机的模型进行设计，对于电机运行过程 中出现的一些问题难以给予合理的解释。为使得超声波电机的各项性能指标有 更大的突破，国内外学者在这方面做了许多努力。w a l l a s c h e k 等四】采用弯曲波理 论和动力学的方法建立超声波电机动力学模型，并推导出如何选择超声波电机 3 武汉理工大学硕士学位论文 运行过程中的各种参数；n a k a m u r a 等 3 0 j 基于能量转换的方法，推导出超声波电 机的等效电路模型；h i r o s h ih i r a m 等 3 1 】用等效电路的方法对超声波电机进行机电 转换后确定设计参数；s t u t t s 等 3 习用经典的层合板理论，分析了其动力学问题和 板上各点的运动轨迹；k i m l 3 3 1 的基本思路和s m t t s 的一致；黑泽实f 蚓等对超声波 电机提出了摩擦力转换模型；赵淳生院士【3 5 】建立了超声波电机的定子转子间” 粘着滑动”非线性摩擦界面模型；崔天洪等【3 6 】用接触摩擦理论对广义瑞利波进行 修正，完善了超声波电机的动力学理论；m a e n o 等13 ”利用有限元与解析模型相结 合的方法研究了电机接触机理和相互作用；p o n s t 3 8 1 等利用层合板理论，通过里 兹能量法和麦克斯韦假设法建立了电机定子的优化设计模型；褚祥诚等1 3 9 j 采用 有限元法，研究了微型超声波电机，并讨论了各种电机的影响因素；e l g h o u t i 在忽略压电陶瓷的介电损耗的基础上，利用g a i n b a n d w i d t h 法对电机等效电路中 各元件的参数值进行了估计。 上述各模型一般都引入了假设，超声波电机在振动运行过程中出现各种非 线性是影响电机运行性能的关键，理论建模研究的重点和难题在于考虑这些非 线性因素，简化过程如何确保模型的准确性。 ( 四) 驱动控制 超声波电机的驱动通常采用调压、调频和调相等方式进行调控【4 ，这三种 方式驱动电机的性能特点如表1 - 1 所示。 表1 1 三种控制方式的比较 由于超声波电机的输出特性是随外界温度、预压力等因素呈非线性变化， 在减小和消除超声波电机本体缺陷的基础上，进行面向工程应用的伺服控制研 4 武汉理工大学硕士学位论文 究，以实现高精确度的速度、位置控制成了现阶段的主要任务。主要是利用传 感器获取电机的位置、速度、状态等信息作为反馈信号，设计各种算法，以上 述三种控制变量来实现超声波电机在变负载下的高精度、响应快、位置稳定或 速度控制。包括以下几种驱动控制方法：自适应控制、模糊控制、神经网络控 制、固定增益或变增益的p i d 控制和混合控制，这些方法在电机控制中都有应用， 但离工程应用还有一大段距离，还有待进一步的发展与提高 4 2 4 3 】。 1 2 超声波电机的分类与应用 1 2 1 超声波电机的分类 目前应用最多的超声波电机为旋转型电机，包括行波型电机和驻波型电机， 其中行波型超声波电机由于其转换效率高、结构紧凑等特点，是超声波电机中 用途最广的一种。表1 2 所示为常见超声波电机的驱动方式、定转接触状态、运 动形式矧。 表l 一2 超声波电机的分类情况 按驱动方式 按定、转子力传递接触方式 按运动方式 单一模态型连续的局部面接触 行波型 复合模态型连续的点( 线) 接触直线运动型 接触型 模态转换型断续的整个面接触 单一模态型断续的点( 线) 接触 驻波型 复合模态型空气 旋转运动型 非接触型 模态转换型液体 5 武汉理工大学硕七学位论文 1 22 超声波电机的应用 超声波电机之所以能够得到迅速发展，毛要是由于其具有以下独特的优点： ( 1 ) 体积小、重量轻、结构简单，转矩，质量比大( 是传统电机的3 一l o 倍) 。 ( 2 ) 低速太转矩( 是传统电机的1 0 0 1 0 0 0 倍) ，可直接带动执行机构， 提高系统的定位精度和响应速度。 ( 3 ) 响应快，能断电自锁，静态时保持力矩大。 ( 4 ) 低噪声运行，位置分辨率高，无磁性扰动。 因而超声波电机在微型装置、汽车、航空航天、机器人、武器装备等各种 领域都有广阔的应用前景。 ( 一) 在相机和手机上的应用 9 0 年代初，超声波电机进入了实用阶段。比较具有代表性是为同本佳能公 司”，已经成功地将圃环形波型超声波电机应用于e o s 系列照相机的自动调焦 系统中，启动和制动速度比传统的对焦电机快；1 9 9 2 年，佳能公司再度推出价 格低廉且能太规模自动化生产的小型杆式电机硒】，一般多用于中低档的e f 镜头 上；韩国三星公司把长为5n m ，直径1 6 m m 的2 个超声波电机应用于手机照相系 统中，如图1 - 1 所示。 ( 二) 在手表和医疗器械上的应用 1 9 9 6 年日本精工在原先配置微型超声波电机手表的基础上，简化了驱动电 路和电机的结构，成功了设计了8 m m 超声波电机，并用于手表的振动报警h “。 生物工程是近年来的研究热点目前日本学者利用基于压电型冲击式直线电机 的图像处理技术和纳米定位技术，研制出了一套自动化细胞微穿刺操作系统”。 圈1 - l 韩国三星公司应用于手机的图1 2 微型机器人 微型超声波电机 武汉理工大学硕士学位论文 ( 三) 在机器人、汽车和航空上的应用 图卜2 显示了臼本爱普生公司利用自制的电机驱动的昆虫机器人，此电机为 世界上最薄的电机，重为1 25 9 厚仅为0 0 4 m m 。图1 - 3 为同一公司开发的世上 最轻最小的空中机器人u f r 1 1 ，其高8 5r a m ，最大直径1 3 6 m m 总重为1 23g ， 可连续飞行3m i n ，升力提高3 0 m 】。 超声波电机在轿车上的应用图l _ 4 所示，主要包括调整座椅上部的头靠角度 和调整方向盘”。图1 - 5 为法国自制的直线型超声波电机( 圈右下角) 在h e l o s 人 造卫星上的情况”i 。 譬j 糟窿 图i 一3 空中机器人图1 - 4 舍电机的轿车图1 5 电机在卫星上的应用 随着超声波电机技术的不断提升，应用领域日益拓展，毫无疑问其市场前 景将不可估量陋5 。 l3 超声波电机用压电陶瓷的研究现状 压电陶瓷材料作为超声波电机的核心部件，实现电能与机械能间的转化， 其性能的优劣直接影响和制约着超声波电机的输出性能。尽管目前现有的压电 陶瓷基本可以满足超声波电机的实际应用，但是随着超声波电机在机器人、航 空航天、武器装备等应用领域的不断发展，对压电陶瓷在不同环境下的使用要 求也越来越苛刻。日本对超声波电机的研究处于领先地位，所使用的压电陶瓷 主要以松下集团的p c m 系列的产品为主，具有较大的k 和e ，电机可以实现低 压驱动和大输出力矩_ + ”】，美国对超声波电机的研究主要基于军事和大型武器 上的应用，主要以维尼特隆( v e m i t a - o n ) 公司生产的硬性p z t 压电陶瓷为主， 武汉理工大学硕士学位论文 包括为p z t - 5 或p z t - 8 ，p z t - 5 的灵敏度高，时间稳定性好，而p z t - 8 强场损耗 低，功率密度大。德国基于对环境的保护，发展了非铅系压电陶瓷材料，包括 钙钛矿基压电陶瓷和铋层状结构压电陶瓷，它们的组分位于准同型相界附近的 固溶体，经优化后其压电系数可超过3 0 0p c n ，与p z r 相接近，其居里温度可 达到2 0 0 以上，比较适用于制动器和大功率器件包括超声波电机。我国作为 压电陶瓷生产和应用的大国，一系列大功率的压电陶瓷也被用在超声波电机上， 主要制备单位包括日盛公司、海鹰集团、山东淄博宇海电子和潮州电子等。 顾威等f 5 卅研究了 p b ( m n l 3 s b 2 r 3 ) 。( c o y 3 5 b 2 , , 3 ) 。t i ：z r w 0 3 四元系和c e 0 2 掺杂p b a s r l 吨 ( m n l 3 s b 2 3 ) 。t i y z r ： 0 3 三元系压电陶瓷，并在驻波超声波电机中 得到了应用，转速可达到3 0 0 转分，转矩1k g c m ，驱动电压2 0v 。同时表l 一3 列出了上述两种材料l 静、2 # 与维尼特隆( v e m i t r o n ) 公司研制用于超声波电机 的典型硬性陶瓷p z t - 8 t 57 】的性能对比。 表1 - 3 陶瓷材料的性能 8 武汉理工大学硕士学位论文 孟中岩等f 5 8 1 为更好地满足超声波电机实际使用的要求，采用n b 2 0 5 、n i o 、 f e 2 0 3 对三元系p m s p z p t 陶瓷进行掺杂，材料不仅具有谐振频率的时间温度 稳定性好、损耗小的特点，还具有良好的介电和压电性能。清华大学的李龙土【5 堋 等将研制的p m m n p z t 四元系压电陶瓷用于超声波电机，结果显示电机的性能 优于日本电机的性能，且其综合性能更优。周静等| 6 ”制备了具有高性能的 x p m n s ( 1 x ) p z n 四元系压电陶瓷材料其性能，可以满足大功率超声波电机的要 求。清华大学的董蜀湘l6 1 】研发的铌镁酸铅一钛酸铅( p m n p t ) 用于直线型超声波 电机，已经证明能在一2 0 0 的低温下工作，且其使用性能可以达到目前p z t 室 温性能，工作频率与常温环境下相近，此结果使得用p m n p t 来研制各种在极 端环境下使用的超声波电机成为可能。王树昕等1 6 2 1 将p m n p n n p z t 压电陶瓷 用于行波型超声波电机，进一步提高了电机的精确定位。南航精密驱动研究所6 3 】 采用p z t - 8 用于超声波电机中，研究在多个高温下电机的机械特性。南航还与 中国科学院上海硅酸盐研究所联合开展了弛豫铁电体单晶超声波电机的研究工 作。s e u n g h op a r k 等人雕】采用s b 、l i 和m n 进行取代，得到p b ( z r x t i l - x ) 0 3 p b ( z n l 3 n b 2 3 ) 0 3 一p b ( n i l ，3 n b 2 3 ) 0 3 ，材料性能优异，有望成为大功率器件用材料。 随着电子器件的微型化，海内外学者将压电陶瓷的研究方向转向了压电薄 膜。日本东京大学t a k e s h im o r l t a 等人成功地研制出微型超声波电机，是直接 利用溶胶一凝胶法在金属定子上沉积2 0 3 0t t m p z t 压电薄膜，最大转速6 5 0r m i n ， 最大输出力矩0 2 2n m 6 孓6 6 1 。c a g a t a y 等1 6 7 研制成t径1 6m i l l 、内径0 8n l n l 、 长度6m i l l 的压电电机，最大功率为4 5m w ，速度为4 5r a d s 。 1 4 本论文的主要内容 由于超声波电机利用了压电陶瓷的逆压电效应，激发弹性体( 定子) 产生 微观振动，来实现电能与机械能的转化，因此，其性能优劣直接影响电机的运 转情况。本文以课题组己研制成功的p - 4 1 和p m n s p z n p z t 压电陶瓷为基体，通 过制各工艺控制，获得满足行波型超声波电机应用要求的压电陶瓷环，通过极 化工艺及应用性能研究，探讨陶瓷压电性能与电机性能间的相关性。主要研究 内容如下： 1 采用传统的固相法制备p - 4 1 和p m n s p z n p z t 压电陶瓷，针对行波型超声 9 武汉理工大学硕士学位论文 波电机的结构和运行机理，将烧结成功的压电陶瓷进行了切割、分区覆银、极 化以满足设计和使用要求，将制备好的压电陶瓷组装在电机上，并讨论了组装 过程对电机性能的影响。 2 采用x r d 、s e m 等测试技术分析p - 4 1 和p m n s p z n p z t 压电陶瓷材料的 结构，通过考察材料的介电性能随温度和频率变化，并探讨了材料偏离居里外 斯定理的程度，研究材料的温度频率稳定性。分析研究了材料的极化条件和极 化方式，探讨电机用压电陶瓷最佳的极化方式。 3 研究了p - 4 1 和p m n s p z n p z t 压电陶瓷材料做超声波电机的振动发生元 件时，电机的导纳特性、负载特性、启动和关断特性和温度特性，并且研究了 不同尺寸电机的性能。 4 结合p - 4 1 和p m n s p z n p z t 压电陶瓷的性能与超声波电机的性能，探讨材 料性能对超声波电机性能的影响。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章压电陶瓷的制备与行波型超声波电机的组装 2 1 行波型超声波电机的结构和运行机理 行波型超声波电机( t r u m ) 是当前最具代表性和应用最多的一类超声波 电机，它的运行机理深刻揭示了驻波和行波的关系、能量转换和传递过程。图 2 - i 为行波型超声波电机的结构图，电机主要由定子、转子、轴承、压电陶瓷、 摩擦材料及底座等组成。其中定子是由压电陶瓷元件与环形弹性体粘结成一体， 当施, b 1 2 0k h z 以上频率的交流电压时，逆压电效应把电能转换为机械运动，在弹 性体内激发出几十千赫的超声波振动，弹性体表面各质点就会形成椭圆运动轨 迹的微观振动( 振幅一般为几微米) 。给转子上粘结层摩擦材料( 摩擦村书) ， 利用摩擦材料产生摩擦力将机械能放大，转子通过轴承4 的作用，通过自身结构 变形以一定压力压在定子上，就会受到与行波传播方向相反的摩擦力，保证定、 转子之问的良好接触从而驱动转子沿某一方向连续做旋转运动。在实际应用 中，定子表面都有齿槽，其有2 个作用：一个作用是放大定子表面振动产生的振 幅，使转予获得较大的输出能量；另一个作用是将摩擦产生的粉末引入槽内。 图2 - l 行波型超声波电机结构图图2 2 行波型超声波电机运行机理图 1 一端盖；278 一固定螺钉；3 输出轴；49 一轴承：5 一转子 6 一定子；1 0 一压电陶瓷o z t ) ；1 1 一底座 武汉理工大学硕士学位论文 行波型超声波电机依靠定子的振动来推动转子运动，其运行机理如图2 2 所示。定子由压电陶瓷圆环及金属弹性体组成，压电陶瓷圆环经过分区极化形 成左右两个相区，当给它们施加频率和幅值不变相同，相位相差r d 2 的正弦波电 信号时，两个相区陶瓷振动由于相位相差) d 2 ，而在定子表面形成沿圆周方向的 椭圆运动，如图2 3 所示。将一个转子放在定子表面就可以被推动旋转。 图2 4 所示为压电陶瓷电极分区情况，电极分为4 个部分，a 相、b 相、孤极 和3 个未极化区域，共计2 0 个区域，其中a 、b 两相各包含6 个区域，孤极为s 1 ， a 相包括s 2 s 7 ，b 相包括s 8 s 1 3 ，相邻两区域极性相反，分别用“+ ”和“一”表 示区间的极性，每个区域的大小为2 以保证相邻两区间振动刚好形成一个完整 的波形。当在a 相施加正弦电压，b 相施加余弦电压，为保证相位差为7 比，两相 空间应相差m ，因此未极化区域为) d 4 大小，将陶瓷下端的m 区域作为检测电极 共振状态的一个传感器，上端的3 l 4 区域作为公共端接地。假设，由a 相电压激 发的驻波为 y 1 ( x ，t ) = k s i n ( n x ) s i n ( w t ) ( 2 1 ) 由b 相电压激发的驻波为 y 2 ( x ，t ) = k c o s ( n x ) c o s ( w t ) ( 2 2 ) 式中y l ，y 2 弹性压电体表面粒子的纵向振动位移 k 振幅 n _ 2 1 1 ：瓜 x 波的行进距离 卜时间 w = 2 以1 溉 振动定子 电极压电陶瓷 s l s l s 8 s 7 图2 3 定子弯曲振动行波的产生图2 _ 4 压电陶瓷正面电极分区图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 - ，繁噍q t f 一 图2 5 压电陶瓷反面电极分区图图2 6 定子表面质点的椭圆运动轨迹 根据波动原理，两个相同幅值、相同频率驻波，在空间和时间上均相差9 0 。的两相驻波通过叠加后，合成一个行波。即 r o = k ( 工，f ) + 匕( 工，f ) = ks i n ( n x ) s i n ( r a t ) + k c o s ( n x ) c o s ( 0 1 ) = k c o s ( n x 一( a t ) ( 2 3 ) 由此可以说明，图2 - 4 和图2 5 所示的压电陶瓷，若a 、b 两相间隔k 4 ，外加 电压在时间上相差r d 2 ，则可在此陶瓷表面产生一个行波。 设定子( 弹性体) 的厚度为t ，当定子内激发起弯曲行波后，其表面任意一 粒子p 在垂直于弹性体平面的位移x 和y ，可以证明 x = 砌r 2 s i n ( w t n x )。( 二4 ) y = 丁2 - 4 - g c o s ( b x - w t )( 2 5 ) 由式( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 可得 x2 ( t n k 2 ) 2 + ( y t 2 ) 2 k 2 = 1 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 为一椭圆方程，说明定子表面任一个质点p 在行波的作用下，是做椭圆 运动，即无数个这样的质点都以同相位振动，当给转子施加压力后，定子行波 将推动转子运动，且运动方向与行波方向相反。压在定子上面的转子就会受到 定子表面质点的驱动，往与行波方向相反的方向转动，如图2 6 所示。 在无相对滑动的状态下，转子的运动速度由定子表面质点的振幅和频率决 定，振幅越大则速度越快，转子旋转速度1 ) 可以由式( 2 - 4 ) 推导出来 u = d x d t = - n r d r k 2 c o s ( r a n x ) ( 2 - 7 ) 在与定子的接触点，速度为最大 = - n r _ o t k 2 = 一r o t k 2 ( 2 - 8 ) 式( 2 8 ) 中的负号表示质点p 运动方向与行波运动的方向相反。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 压电陶瓷的制备 压电材料是超声波电机的振动发生器件，是将压电陶瓷的电能转换为机械 能的核心元件，其性能的优劣直接关系到整个超声波电机的输出性能。本节通 过制备p - 4 1 和p m n s p z n p z t 压电陶瓷，探讨陶瓷对超声波电机性能的影响。 采用的实验设备主要有：s a r t o r i u s 公司生产的b s l 2 4 s 分析天平，精密度 0 0 0 0 1g ；南京大学生产的q m s b 行星球磨机，球磨罐和球磨介质均为玛瑙材 质；天津市科器高新技术公司生产的7 6 9 y p 1 5 a 粉末压片机；u n i p o l 8 0 2 p o l i s h i n gm a c h i n e 磨片机；上海森信实验仪器有限公司生产的d g g 9 0 7 0 b 型电 热恒温鼓风干燥箱；德国n a b e r t h e r m 程控炉；s 3 5 0 f v 丝印刷银机；台湾e x t e c h 公司生产的7 4 6 2d cw i t h s t a n dv o l t a g et e s t e r 极化装置。 2 2 1 压电陶瓷的制备 实验采用分析纯的p b o 、z r 0 2 、t i 0 2 、s b 2 0 3 、m n 0 2 、n b 2 0 3 、z n o 和f e 2 0 3 ， 采用固相反应法合成p m n s p z n p z t ，p - 4 1 。 氧化物球磨混合 上 以无水乙醇为介质球磨6h ，烘干 上 采用5 p v a 造粒 上 按一定尺寸等静压成型 上 于8 0 0 排胶，保温2h 1 l - t 1 2 3 0 1 2 7 0 烧结，保温2h 图2 7p m n s p z n p z t 压电陶瓷的制备工艺流程 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由于材料组分较多，成分复杂，为保证陶瓷具有完全的钙钛矿结构，采用 预合成工艺优先合成钙钛矿结构的p z t ，然后再按配方制备p m n s p z